重大装备的服役安全和发展趋势

杨海波，黎明，孙冬柏

(1.北京科技大学机械工程学院，北京 100083)

2.北京科技大学国家材料科学服役安全科学中心，北京 100083)

重大装备的服役安全和发展趋势

杨海波1，黎明1，孙冬柏2

(1.北京科技大学机械工程学院，北京 100083)

2.北京科技大学国家材料科学服役安全科学中心，北京 100083)

从装备的设计阶段到制造阶段再到管理阶段进行分析、论述，以确保重大装备的服役安全。重点讨论了结构优化设计方法、数值模拟建模的分析策略、保证制造质量的控制手段和设备安全，同时简要介绍了重大装备的发展趋势。

重大装备;优化设计;建模;制造;安全;发展趋势

0 前言

中国重大机械装备行业类别主要包括:海洋重工、船舶重工、汽车、钢铁、机床、机电、纺织、轻工业、电力设备、输变电、新能源、冶金、矿山、煤炭、建材、石油石化、环保设备、医疗器械、工程机械、智能制造装备、基础设施、交通运输、航空航天、基础零部件、通用机械等。

重大装备业技术难度大、关联面广、成套性强，对国民经济发展具有重大意义、对国计民生具有重大影响，需要组织跨部门、跨行业、跨地区，才能完成的重大成套技术装备。重大装备产业的发展水平是一个国家综合国力的集中体现和重要象征，尤其是强国必须要有水平相当的重大装备制造业。因此保证重大装备的服役安全至关重要。

装备的安全服役既是设计、制造的事，也是管理的事，最优化的结构设计和良好制造保证装备初始状态的良好，合理地数值模拟建模分析和完善的管理体制是装备保持正常工作的必要条件。

1 结构最优化设计

最优化设计是从可能设计中选择最合理的设计以达到最优目标，大大提高了工程的设计效率和设计质量。目前，优化设计是工程设计中的一种重要方法，已经广泛于各个工程领域——航空航天、机械、船舶、交通、电子、通讯、建筑、纺织、冶金、石油、管理等。主要的优化方法有模糊优化、形状优化和拓扑优化。

1.1 模糊优化

由于传统结构优化设计时，忽略了构件的尺寸和性能参数的随机性，其结果不能反映参数的不确定性这一特点。因此，设计者需要在结构设计时的这种模糊性加入到工程结构优化设计的模型中，对结构进行优化。

1.2 形状优化

形状优化通过调整工程结构内外边界形状，改善结构性能及降低工程结构造价，其主要用来发掘系统构件的合理内外边界形状。经常使用的形状设计方法是将控制结构形状的某些边界控制点的几何信息设为设计变量，在优化过程中通过改变结构的边界来改变结构的形状，达到目标函数最优的目的。

1.3 拓扑优化

在形状优化的过程中，初始结构和最终结构是同一拓扑结构。如将原有两个开孔的板经形状优化后，改变的仅是开孔的边界形状，开孔数并未增加或减少。但实际上存在这样的情况，开孔数的改变比开孔形状的改变对于降低板的重量更为有效，这就是拓扑优化研究的初衷。拓扑优化在结构设计的初始阶段，为设计者提供了一个概念性设计，使得结构在布局上得以采用最优方案。

2 数值模拟建模策略

在结构最优化设计工作完成以后，装备的初始结构已然完成，接下来，就是要对设备整体进行有限元分析，得到设备的受力和变形状态，来判断装备工作时的安全状态。但是由于机械装备金属结构体积庞大、结构复杂，为了提高其有限元分析效率，合理地利用现有的计算机资源，必须依据相关策略对其模型进行适当处理。此时，建模策略的合理性直接影响着有限元分析结果的准确性。主要有四条策略:全局规划、实时校核、等效替换、合理简化。

2.1 全局规划

为了保证简化之后的有限元模型能准确代表原实体模型，在建模开始之前，要对整个建模工作进行详细的规划:(1)确定分析的目标和精度的要求;(2)明确各个零部件的功能、重要程度;(3)考虑可否利用模型的重复性或对称性进行进一步简化;(4)权衡比较模型简化所带来的好处与精度降低所产生的代价，确定合理的简化程度。

2.2 实时校核

在复杂装备的有限元建模过程中，应该实时地考虑和校核所建立的模型能否生成有限元网格及能否得到合适的有限元网格。对存在微小图形要素的零件以及存在点接触、线接触或细小间隙的装配体，应实时地对其单独网格划分。

2.3 等效替换

等效替换后的模型是原模型的几何近似和物理近似。等效替换的方法包括:等质量体法、等效载荷法、质量放大法等。等质量体法是使用质量相等、形状更为简单的模型替换原模型;等效载荷法是使用等效均布载荷替换原零件的作用;质量放大法是通过设置放大的重力加速度替换原零件的作用。

2.4 合理简化

模型往往包含了大量的细节特征，部分细节特征从制造工艺和工业设计的角度来考虑的，并不会改变整体结构的力学性能，如圆角、倒角、细孔、窄槽、凸台等。保留这些细节特征必然导致模型的复杂程度的增加。为了提高有限元分析的效率，需要对产品的有限元模型进行合理简化，对那些影响不大的细节特征，可直接去除。

3 制造质量保证

优化的结构设计和精确的有限元分析保证设计出来的装备是合理的，然而，对于保证装备的安全服役还不够，还需要保证装备制造质量。

机械设备的质量是由其各个构成零件的加工质量和装配质量决定的，单个零件的加工质量是否满足质量要求至关重要。提高制造质量的方法就是制造过程质量控制，制造质量控制主要包括统计质量控制和质量波动控制等。

3.1 统计质量控制

统计过程控制(Statistical Process Control)是采用统计学理论对质量检验数据进行分析处理，根据样本的统计数据判断生产过程是否受到控制，并通过控制图的实时监控和异常分析及时地发现质量的波动，立即采取措施解决问题，使其过程运行在可控范围内，以保证产品的质量目标。通过质量数据信息的反馈找到影响质量特性的因素，仅受到随机因素影响的生产过程处于统计控制状态;而受系统因素影响的生产过程则处于统计失控状态。生产过程中的质量特性波动具有规律性，在统计控制状态下，质量特性服从稳定的随机分布;反之，质量特性的分布则发生变化。

3.2 质量波动控制

提高产品质量的核心是减少产品生产过程中出现的波动。产品质量的波动是由工序流的波动传递形成的，对单个工序，研究对象是工序的独立误差;对多工序制造过程，工序之间存在传递误差、累积误差复映误差，必须同时考虑本道次工序的影响因素和前面道次对该道次工序质量波动有影响的误差。

4 设备安全管理

设计和制造过程是设备服役之前的工作，把这个工作做好对设备服役之中的安全意义重大。然而，在设备的工作过程中，管理也是保障设备安全服役的重要环节。以上几个环节，环环相扣，缺一不可。

4.1 安全意识

安全无小事，在生产中绝不能掉以轻心，特别是在例行的设备安全检查中，对隐患要及时地处理，不能抱有一种侥幸的心理。要加强对安全意识的教育，经常性地督促和检查。

4.2 安全管理培训

加强安全管理培训可以培养出一批安全意识强、业务能力优秀的安全管理人员，可以更好地进行设备安全的管理工作。通过警示教育、法制教育和安全教育能培养一批懂技术、懂业务的队伍，能提高员工的素质，为设备的安全运行和安全生产打下良好的基础，做到安全生产。

4.3 维修保养

如果不注意设备的安全管理、维修保养会造成很多安全隐患，致使一些设备经常带病作业，直到设备不能再运行了才去修。为了减少这种现象的发生，必须制定并严格执行设备维修保养管理制度，保证做到预防检修、强制检修。这样才能大大提高设备完好率，使生产持续稳步发展，使设备安全生产得到充分保证。

4.4 现场管理检查

设备管理人员要对运行中的设备进行定期检查、流动检查、突击检查等，不给“三违”人员以可乘之机。

4.5 总结经验教训

首先应该以过去发生的事情为教训，树立“安全第一，预防为主”的观念;其次，对现在尚不足以构成事故的不安全行为和设备的不安全状态进行统计、分析、研究，并采取相应的消除措施，把事故消灭在萌芽状态。

5 重大装备发展趋势

装备制造业居工业的核心地位，担负着为国民经济发展和国防建设提供技术装备的重任，是工业化国家的主导产业。装备强则国强，如果没有重大装备的发展，中国的综合国力到不了今天的水平、整个工业的技术水平也到不了今天的水平。我国装备制造虽然产值位居世界首位，但大而不强，一些重要零部件的发展方面仍然滞后。近年来，“本土化与自主化”、“数字化”、“轻量化”、“服务化”、“ERP管理”等一系列问题一直伴随着中国装备制造业发展;重大技术装备的发展既是任重道远又是前景光明。

5.1 自主创新和装备本土化

要解决我国装备制造业在竞争力、市场分额、品牌效应等方面的弱势，不仅要引进、消化国外先进设备和技术，更重要的是如何联系中国实际，努力实现自主创新，打破国外的专利壁垒，实现装备的本土化。要实现自主创新，仅仅依靠内部研发资源远远不够，因为这种封闭式的研发将使具有高风险的技术创新活动陷入困境，因此，企业要建立一个开放的、非线性的创新中心，用内部研发的杠杆作用撬动和分享外部价值。这种开放性的自主创新，一方面创造新知识、新技术，可以促进创新的开展;另一方面可以充分探索外部环境中的新知识、新技术，并可提升企业或产业吸收这些新知识、新技术的能力。通过自主创新的努力，不仅使得我国能尽快掌握并发展一些关键核心技术，实现装备的本土化，还能引领装备技术发展的潮流，把中国创造输送出去。

5.2 数字化

随着机械行业的快速发展，数字化设计与制造成为提升装备制造业的一种重要途径，同时也是提高企业核心竞争力的一种重要手段。通过产品设计、制造及管理过程数字化，提高产品开发与制造能力。其中，虚拟现实技术是数字化的重要体现。

虚拟现实技术是一种集成多种模拟仿真的技术。采用计算机技术为核心，生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要的设备，以自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互，互相影响从而产生身临其境的感受与体验。在装备设计初期，广泛采用建模与仿真技术实现产品设计、工艺设计、加工生产、使用和回收等全过程模拟，包括多物理场的数值建模、加工和成形过程仿真、高速高精度的加工设备模拟及数字化协同产品开发等，同时将环境因素和防止污染的措施用于产品设计中，优化各设计因素，使产品及其制造过程对环境的总体影响最小。

5.3 轻量化

随着我国经济和科技的不断进步发展，机械装备构件轻量化已经成为了机械行业追求的目标，在机械设计和制造领域起着不容忽视的重要作用。实现机械装备构件轻量化给社会带来的好处是多方面的，它不仅可以节约材料、减少污染，还可以推动节约社会的构建。随着我国工业、航空业、制造业的迅猛发展以及对节能减排的迫切需求，使我国的机械装备构件轻量化拥有更大的发展空间，也面临着巨大的挑战。

5.4 服务化

在全球服务性经济兴起以及顾客的需求朝着动态化、定制化发展的情形下，制造业与服务业出现不断融合发展的趋势，服务化问题成为当前国内外制造业发展问题研究的重点之一。装备制造业是制造业发展水平的重要体现，它的服务化转型是实现“中国创造”的重要环节，将有助于提升制造业的综合实力。在制造业服务化发展的驱动下，我国的装备制造企业正在加快服务化转型。

5.5 ERP管理

ERP系统是指建立在信息技术的基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层和员工提供决策运行手段的管理平台。它是从物料需求计划发展而来的新一代集成化管理信息系统，它扩展了物料需求计划的功能，它的核心思想是供应链管理。其跳出了传统企业的边界，从供应链范围去优化企业资源。ERP系统集信息技术与先进管理思想于一身，成为现代企业的运行模式，反映时代对企业合理调配资源，最大化地创造社会财富的要求，成为企业在信息时代生存、发展的基石。

5.6 绿色发展

我国环保压力越来越大。政府采取了一系列措施来监督各行各业走向节能环保之路。作为治理环境污染的排头兵，环保机械被推上了风口浪尖，机械装备企业也纷纷响应国家号召，加大对节能环保产业的投入，注重研发新的动力系统和排气系统，与此同时，城镇化建设进程加快推进，环保机械前景可谓一片光明。

6 结语

当前我国重大装备制造业正处在蓬勃发展的关键时期，保障装备的安全运行对经济的稳定增长具有重要意义。在装备设计之初使用合理优化的方案;在重大装备分析时充分利用建模的策略;在产品制造过程中采用先进的质量控制方法;在设备服役过程中进行有效的安全管理;只有这样才能保证重大装备的安全服役。

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Service safety and development trend of major equipment

YANG Hai-bo1，LI Ming1，SUN Dong-bai2
(1.School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China; 2.National Center for Materials Service Safety，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

Analysis and discusses the major equipment from stage of design to the stage of manufacture and management to ensure the service safety.Focus on the optimization design method，analysis on the strategy of modeling and simulation，control methods of ensuring the manufacturing quality，and briefly introduces the development trend of major equipment.

major equipment;optimization design;modeling;manufacturing;safety;development trend

TH12

A

1001-196X(2014)06-0001-04

2014-06-30;

2014-08-05

国家自然科学基金项目(51371033)

杨海波(1961-)，男，教授，博导，主要研究复杂机械力学行为与服役安全。

新技术新设备