森林工程專業“機械可靠性設計”課程創新教學實踐初探

胡志棟，姜繼海

（1.東北林業大學工程技術學院，哈爾濱150040;2.哈爾濱工業大學機電工程學院，哈爾濱 150080）

可靠性是貫穿于產品全生命周期內用以衡量產品質量的重要指標，包含于產品的規劃、設計、制造、試驗、使用、管理及維護等各個環節。除了技術性能和經濟指標以外，現代產品的壽命和故障率決定了其市場競爭力和優劣勝負?？煽啃岳碚撜且援a品的壽命特征作為主要研究對象的一門邊緣性學科，涉及到基礎學科、專業技術學科和管理學科等多學科領域。在美國等發達國家的許多大學都開設了和可靠性工程相關的課程和學位，還有一些相關的職業教育［1－2］。

“機械可靠性設計”的設置，是為了適應林業科技發展現代化的需要而開設的選修課。對于森林工程專業的學生來說，通過本課程的系統學習，使學生了解機械可靠性設計的基本思想和基本方法，掌握機械可靠性設計的基本知識、基本理論，熟練應用ANSYS對典型機械零件的可靠性進行分析，能夠將生產實際中的產品設計問題進行合理的設計，并能有效的提高產品的設計水平和質量，降低產品的成本。因此，努力探索一些創新性的教學方法，使學生容易理解課程的內容，并且切實提高學生掌握和運用可靠性解決實際可靠性問題，是本課程教學過程中一項重要的工作，也是機械可靠性設計教學亟待解決一個問題。

1 可靠性工程的內涵

可靠性學科就是定量的研究產品動態質量問題的一個學科。它對推動產品的設計和分析的現代化提供了必要的理論基礎和分析方法?？煽啃詫W科所包含的內容相當廣泛，大致可包含三個方面:可靠性數學、可靠性物理 （失效分析）及可靠性工程。［3］。

可靠性設計是可靠性工程中的重要部分，產品的可靠性在很大程度上取決于設計的正確性?？煽啃灶A測是可靠性設計的重要內容之一，除在設計階段根據掌握的設計參數分布和失效率經驗數據預報零部件和系統的預期可靠度外，還可在設備運行中根據采集到的監測數據進行失效預期分析，對設備的實際壽命和失效進行預報。系統可靠性分析和可靠性指標分配也是可靠性設計的重要內容，其將系統規定的允許失效率分配給系統的零部件，使在較小的經濟代價下達到較高的系統可靠度。

2 教學內容和方法的制定與實施

2.1 精簡教學內容

機械可靠性設計課程的理論內容比較枯燥，應該首先讓學生認識可靠性的重要性，并提升學生的興趣，因此通過正反兩方面的案例來引出可靠性問題，使學生充分認識到學習可靠性的目的和必要性。

例如2003年，美國“哥倫比亞”號太空船在返回地面大氣層時，由于機身上的一塊隔熱板被外掛油箱的脫落泡綿擊中而刺穿，太空船燒成火球后解體。如圖1所示。

圖1 2003年哥倫比亞號Fig.1 Spacecraft Columbia of 2003

2008年9月25日我國的神舟七號載人航天飛船成功升空，并實現了太空行走，為了這一天，為了發射萬無一失，中國的航天人付出了很大的心血，當時發射成功的概率據央視的報導是99.7%，但是據資料顯示，當時的成功概率在99.99%或者更高。如圖2所示。

圖2 2008年神州七號Fig.2 Shenzhou-VII spacecraft of 2008

對森林工程專業的學生來說，重點內容就是機械可靠性設計。在講解內容時，首先將機械可靠性設計與常規的機械設計進行比較使學生清楚可靠性設計和可靠優化是以常規設計和常規優化為基礎而發展起來的一種新的設計方法。授課內容突出一個基本理論，即應力一強度干涉理論;兩種典型的概率分布，即連續型分布和離散型分布;三個常用的隨機變量進行數學運算的方法，即矩法、變異系數法和代數法;四種典型機械零件的可靠性設計，即螺栓連接、軸、滾動軸承和圓柱彈簧。

2.2 加強教學的實踐環節

為了加強森林工程專業學生的機械可靠性設計的實踐能力，選用ANSYS軟件中的Probabilistic Design System模塊，不僅可以讓學生掌握ANSYS軟件，還可以借助可靠性分析模塊把分析結果圖形化，這樣使學生對所學內容有一個生動、形象的認識。

實踐環節選用了一些典型的機械結構或機械零件，如簡支梁結構、桁架結構、壓力容器、內六角扳手、螺栓和傳動軸等，如圖3所示［4－5］。將學生分成學習小組，這樣既可以調動學生的積極性，又可以通過團隊的合作使學生形成獨立的研究團隊，為今后在工作過程中打下一定的基礎。

圖3 典型機械結構/零件模型Fig.3 Model of typical mechanical structure or part

圖4所示是學生用ANSYS分析可靠性得到的一些典型的數據結果，分別反應了參數的抽樣過程，參數的分布函數形狀和各種輸入參數對結果的敏感性貢獻等。

圖4 可靠性分析結果Fig.4 Results of reliability analysis

3 結論

通過精簡機械可靠性設計課程的教學過程內容，加強實踐教學等幾個環節的創新性實踐，改變了以往學生簡單地學習機械可靠性設計這門課程的枯燥基礎理論的現象。使學生不但能夠較好地掌握該門課程的基礎理論，還學會了應用ANSYS對典型機械結構/零件在具體實踐中進行可靠性設計。為學生今后從事可靠性的工程技術及科學研究工作奠定了良好的基礎。

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［1］孫 權，龔時雨，朱志偉.美國馬里蘭大學可靠性工程教育的研究與借鑒［J］.高等教育研究學報，2000，23（3）:96 －97.

［2］陶俊勇，任志乾，陳 循.美國馬里蘭大學可靠性工程專業與課程體系建設淺析［J］.高等教育研究學報，2009，32（1）:51 －53.

［3］郝靜如.機械可靠性工程［M］.國防工業出版社，2008（3）:81－85.

［4］胡志棟，萬雨婷.基于ANSYS的壓力容器可靠性分析［J］.森林工程，2011，27（4）:15 －19.

［5］胡志棟，徐康博.液壓拉伸器用螺栓的可靠性分析［J］.森林工程，2012，28（2）:38 －41.

［6］王 巍，郭 瑞，宋玉杰，等.工業工程實踐教學創新方法研究［J］.森林工程，2011，27（5）:94 －96