——记东北大学秦皇岛分校机械可靠性与动力学研究中心副教授王新刚
本刊记者  林 鹭

　　 缝纫机、汽车变档机制、车用直列式发动机、飞机的星形发动机、飞机螺旋桨同步射击器、车等速万向节等等这些动态机械无时无刻不与我们的生活亲密接触。然而，随着现代化工业技术的飞速发展，机械产品日趋复杂化、大型化、高参数化，产品故障机率随之增多。我国机械产品的可靠性设计水平与国际先进水平相比还有相当大的差距，这已成为制约我国机械工业迅速发展的瓶颈。可靠性作为产品质量的主要指标不仅引起社会大众的关注，更受到工程界的重视。作为一名动力学研究学者，王新刚从铁路机车车轮、车轴、转向架和车轴承等重要部件这些细节入手，开始关注机械零部件可靠性，从此一发不可收拾，踏上了机械结构可靠性设计研究与应用的征程。

融会贯通的理论

　　 生长在东北老工业基地的王新刚始终对各种机械部件情有独钟，在读博时就确定了自己的研究方向——机械可靠性设计，在东北大学宽阔的学术平台上演绎了人生精彩。从机车车轮的动态疲劳可靠性研究开始，他把力学理论灵活地运用于运动中机械零部件的可靠性设计。他说：“传统的机械零部件可靠性型是建立在静态力学模型基础上的，属于静态可靠性范畴。实际上机械零部件因使用期限长，并受自身材料性能、所处环境情况、荷载效应的变化以及振动频率、输出响应和能量传递等其它各种因素的影响，使产品的可靠性表现出了动态的特征。这种产品特性参数的变化通常是一个随时间渐变的过程，而传统模型下是恰恰忽略了这个重要特性。”
　　 可是，动态可靠性远比静态可靠性复杂得多。为了弥补这种缺失并确立运动、振动或强度退化状况下的可靠性指标，他从机械动态设计的概念入手，在概率动力学的基础上，把机械零件强度、载荷、可靠度和失效率随时间的变化规律融入统计理论，并应用顺序统计理论和随机过程，建立了机械部件通用的动态可靠性数学模型，以此解释复杂机械产品的各种失效现象及机理，为实现我国大型复杂装备安全可靠运行，以及提升机械装备可靠性提供了重要的理论依据。
　　 随着研究的深入，他发现，原有的可靠性灵敏度公式在功能方程线性或非线性不强的情况下是实用的。但是如果在强非线性情况下，采用差分或摄动计算来代替微分时，参数或设计变量的变化量取的过大或过小都会影响可靠性灵敏度分析的精度，甚至会出现完全错误的信息。为修正原有公式的偏差，他结合灵敏度技术，采用摄动方法，以动态可靠性数学模型为基础，建立了机械零部件动态可靠性灵敏度设计的计算模型，明确了动态可靠性灵敏度的物理意义及变化规律。
　　 研究就是永无止境的完美追求。在先前建立的数学模型基础之上，他融入了可靠性和稳健设计方法，建立了基于灵敏度的稳健优化设计数学模型。“研究的目地就是服务于大众。”他说，为能快速准确地找到最优设计参数，提高机械零件的可靠性及稳健性，他又加入了随机摄动方法、Edgeworth级数方法及相应的经验修正公式，通过计算机程序建立了集可靠性设计、灵敏度分析、优化设计和稳健设计为一体的机械零件动态可靠性稳健优化设计数学模型。同时，在此基础上，他又发展了具有任意分布参数的机械零件动态可靠性稳健优化设计理论，解决了随机变量在概率信息缺失的情况下如何保证机械产品的高可靠性及稳健性的技术难题。
　　 成功的设计者既能敏锐把握时代脉动，又可融会贯通解决问题。在设计中，他发现运行中的部件结构和工况更复杂，零部件的功能方程很难建立，隐式的功能函数又让以前建立的数学模型求解困难，而且非线性极强，数据量较大，只有集结多种软件，加以理论模型才能完成任务。
　　 新发现激活了他探索的欲望，以部件的参数化实体模型为分析对象，按照理论推导和有限元方法，他顺藤摸瓜找到了部件在载荷-时间历程中静载下和动载下的危险部位，借助于iSIGHT平台，利用BP神经网络和相应的数学模型，对多组数据进行筛选、处理，确定出部件寿命的动态可靠度曲线，并经Monte-Carlo法进行了检验。在此基础上，以灵敏度作为约束条件，他建立了相应的动态可靠性稳健优化数学模型，从而使复杂机械部件疲劳可靠性分析与设计最终具有了可靠的理论依据，为机械产品的设计、制造、使用全寿命周期的可靠性工作提供坚实的理论与技术支撑。

另辟溪径的创新

　　 随着技术产业兴起和社会生产力的迅速发展，国际市场竟争的焦点由价格竟争转向质量设计竟争。作为机械零部件的设计者，王新刚深知，机械零部件这种大众化“消费品”的受欢迎程度不仅取决于生产质量，更受限于安全可靠的设计。他认为，“对任何机械结构或系统进行可靠性设计与分析时，必须有相应的可靠性数学模型才能得以实现”。在当今机械制造及切削加工自动化系统不断提高的同时，对机床极其关键功能部件的可靠性要求也越来越高。例如刀具可靠性差会产生废品，损坏机床和设备，使企业蒙受经济损失，甚至造成人员伤亡。
　　 由于刀具的材料属性、转速、振动频率、输出响应、能量传递等具有随机不确定性和典型的动态特性，难以在实际中找到有效办法对刀具的可靠性及寿命进行预测，所以他决定采用动态可靠及灵敏度分析技术并与现代数学力学理论和材料学有机地结合起来，在对刀具失效机理研究明确的前提下，通过自创的刀具动态可靠性数学模型，结合刀具的失效机理和特点，在磨损和破损两种失效模式下，对数控车床刀具进行了动态可靠性设计和动态可靠性灵敏度分析，从根本上解决了数控车床刀具寿命稳定性差和平均寿命不高的现状，填补了国内外在这个领域的空白。由于在刀具的设计过程中就考虑了动态工作中的安全性，从而大大降低了刀具服役期间的失效概率，提高了刀具耐用度，保证了被加工零部件的工艺要求，降低了废品率，可为中型机械加工企业每年挽回经济损失100余万元。
　　 “动车组的关键部件是转向架，转向架的核心件是构架，它支承车体并使之在轨道上运行，转向架构架的静态强度、疲劳强度的准确评定和可靠性设计不可忽视”，凭着多年的研究经验，他及时指出京沪高速动车需要迫切解决的问题。应用结构设计理念和仿真模型简化方法，根据350km/h动车组转向架各零部件工程图和装配图，他建立了三维实体模型，在这个模型中他针对转向架构架受力的不同情况，采取逐一模态分析的方法对每种不同工况下不同部位的危险位置进行分析，建立了构架动态可靠性和动态刚度的计算模型，同时搭建了构架强度及可靠性计算平台，为提前预测转向架构架主要的失效位置，在结构设计及加工制造过程中对其进行补强提供了技术支撑，最终修改并完善了适合我国高铁转向架构架的强度评定准则，为保障京沪高速动车的运行安全提供了技术保障。同时为我国未来高速客车转向架的发展模式、机械制造技术等工程开发提供了实用参考价值。
　　 而针对航空事故频频发生的现况，他提出了非线性涡轮转子系统的动态可靠性分析方法，系统深入地研究了航空发动机非线性涡轮转子系统的故障模式和失效位置的结构变化，提出了非线性涡轮转子系统动态可靠性灵敏度分析方法。这不仅帮助设计者了解涡轮转子系统设计参数的改变对转子系统可靠性的影响，同时给出了技术参数可靠性灵敏度的变化规律，为涡轮转子系统的可靠性设计提供理论依据，该理论补充和发展了随机系统振动、转子系统动力学和可靠性设计方法，解决了国内外这方面的难题，保障了航行安全。
　　 不积跬步无以至千里，不积小流无以成江海。王新刚的成功，也正是他基于对每个机械零部件完美可靠的设计追求上创造的。