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可靠性仿真技术背景介绍
当前全球科技水平的不断提升使得航空航天、军事装备等行业得到空前发展。高科技产品功能结构复杂、系统组成庞大、研发周期长费用高、可靠性问题突出。传统的基于统计的可靠性设计分析方法，与性能设计专业技术体系不一致，在设计过程中难以相互融合，造成可靠性设计分析工作往往滞后于性能设计分析工作，可靠性设计分析难以对产品的设计状态产生真正影响。同时，传统的可靠性试验与评估方法需要大量新研产品进行试验，往往在研制后期才能开展。通过可靠性试验发现产品薄弱环节再进行设计更改，时间周期长并且代价较大。工程实践表明，传统的可靠性设计分析与试验评估方法，越来越难满足高科技产品高可靠长寿命的需求。 近年来，数字样机与虚拟仿真等相关技术发展迅速，国内外大部分科研机构都采用虚拟仿真技术进行产品三维建模装配与功能/性能分析，从而在设计阶段早期获得产品性能参数并改进设计。目前，将可靠性工作融入到产品设计和分析仿真过程，在工程上有着强烈的需求。可靠性仿真技术充分利用产品现有的功能/性能模型及相关CAD工具，以系统功能/性能模型为内核，以可靠性模型为外壳，联合各专业CAD工具建立综合集成环境，实现可靠性与性能一体化建模仿真，支持在设计阶段开展基于仿真的可靠性设计、分析与评价。可靠性仿真结果可以为可靠性与性能的协同设计与分析提供模型与数据支持。综上可知，可靠性仿真技术对于解决工程中可靠性设计与性能设计“两张皮”问题具有极高的实用价值。
国外可靠性仿真技术的进展与趋势
设备可靠性仿真技术 美国NASA的AMES研究中心通过C-MAPSS（商用航空推进系统仿真模块）建立飞机发动机系统模型，通过单元退化机理模型和响应面技术构建了发动机性能参数的退化模型。该方法可以应用单元退化机理来预测系统退化过程和寿命。 美国Sandia国家实验室开发了基于CAD/CAE的可靠性仿真分析工具，通过虚拟仿真和物理加速试验相结合，对微型机械等设备的关键薄弱环节进行定位和评价。美国马里兰大学CALCE研究中心针对电子产品（主要为印制电路板），提出了一种基于故障物理的可靠性建模仿真方法。该方法利用热仿真、振动仿真等虚拟仿真技术为故障物理模型提供输入参数，并基于最弱环理论预测电子产品的寿命。CALCE还根据该可靠性建模仿真方法开发了一种用于电子产品可靠性预计的软件工具——CalcePWATM，已经在NASA的航天飞船逃逸系统、HONEYWELL公司的AS900航空引擎电子控制系统等产品的可靠性评估中成功应用，并发挥重要的作用。 法国国家太空研究中心针对微机电系统（MEMS），结合环境试验获得的数据与建模仿真工具，提出了基于故障物理的一阶行为模型建模与仿真方法，目的是提升MEMS的可靠性水平。爱尔兰国家微电子研究中心提出应用仿真工具对微电子产品进行可靠性建模与仿真，在建模过程中考虑了电迁移与应力迁移等退化机理，并且给出了该项技术的具体应用案例。以色列飞机工业公司研制了一种可靠性、维修性分析工具——综合可靠性分析工具IRAT（Integrated Reliability Analysis Tool）。该工具能够充分利用各专业 CAE/CAD 工具，采用功能分析技术实现专业设计工作与可靠性设计工作的良好结合。
系统级可靠性仿真平台 在可靠性建模仿真、不确定性量化及优化技术的平台化研究方面，国外已经形成了一些通用软件平台。这些平台一般是将CAE仿真工具（例如多体动力学软件ADAMS、有限元分析软件ANSYS、ABAQUS、电路仿真软件PSPICE、液压仿真软件AMESim等）有效集成起来，解决可靠性建模仿真与优化问题。美国Sandia国家实验室开发的通用优化算法平台DAKOTA，提供包含基于梯度计算的非线性规划、无需梯度计算的模式搜索法和遗传算法等的优化算法库，以及蒙特卡洛与代理模型等不确定性量化方法。NASA利用DAKOTA对航空飞行器进行了不确定性量化分析与可靠性优化设计。美国Engineous公司开发的综合性CAE平台Isight/Fiber能够快速联合各种仿真软件，将设计框架、优化算法、代理模型组织起来，有助于实施产品的多学科优化设计与分析。 总体来说，国外特别是美国的科研机构对于可靠性仿真技术的理论研究日趋完备，并且已经将该项技术推广到工程领域中，在航天飞船、飞机引擎与某些军用装备的研制中发挥了重要作用。未来以美国为首的西方国家将进一步研究基于故障物理的可靠性仿真方法，实现更加精确逼真的可靠性建模与仿真分析。
我国可靠性仿真技术发展
我国对可靠性仿真技术的研究开展时间较晚，技术发展相对滞后，目前正处于蓬勃发展阶段，并且形成了一些创新成果，例如可靠性与性能一体化建模仿真方法等。国内越来越多的企业与科研院所在产品研制工作中开始发现可靠性仿真技术的工程实用价值，并对部分设备开展了可靠性仿真分析工作。针对系统级产品来说，国内对于考虑可靠性的多学科设计优化技术，目前大多停留在研究阶段。未来我国可靠性仿真的技术发展及工程化应用前景十分广阔。
国内开展可靠性仿真技术研究的单位很多，今天重点介绍具有完全自主知识产权的国内首款机械可靠性仿真分析与优化软件 PROMREL。 Promrel（Professional Mechanical ReliabilityAnalysisSystem）是一个与数字化环境集成的、支持开展可靠性与性能一体化设计与仿真分析的专业机械产品可靠性设计分析软件，可针对机械、机电等复杂产品，进行结构/机构、设备、系统级产品复杂环境下多场耦合、多机理相关的可靠性量化分析、寿命预测、方案优化等。主要包括多学科工具集成、试验设计、响应面拟合、可靠性分析、系统可靠性分析、可靠性优化、耐久性分析7个紧密集成的功能模块。 在多学科协同仿真建模方面，提供可视化的工作流建模功能，模拟设计产品的行为特性，在一个流程中集成多个工具软件，如 Pro/E、UG、CATIA、ANSYS、MSC.ADAMS、 PATRAN / NASTRAN、 FLUENT、MATLAB / SIMULINK等，实现多学科协同设计。具备图形化的工作流建模功能，建立产品设计参数与性能响应的逻辑关系；具备常用CAD/CAE软件接口，自动调用相应的软件，并支持自编软件；与试验设计、响应面拟合、可靠性分析等功能模块无缝集成。
Promrel软件可实现分布式可靠性仿真计算功能，满足百台以上计算机同步可靠性仿真分析，支持大型复杂结构、机构、系统的可靠性仿真需求。 |
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