機械產品的可靠性設計

劉建嶺

摘要：機械產品是眾多學科相互交叉的高新技術載體。能否確保產品安全可靠的運行，是機械產品競爭的焦點，產品“物美、價廉”等優點必須以其可靠性來為后盾。所謂機械可靠性，也即是機械產品在規定的時間內、規定的使用條件下完成規定功能的能力。

關鍵詞：機械產品；可靠性設計；優化

前 言

隨著經濟全球化的不斷深入，對機械產品提出了更高的要求，除了具有好的性能外，更要具備高的可靠性，通過可靠性設計來彌補常規設計過程的不足，可有效使設計方案更加貼近產品制造生產的實際。目前國內機械產品可靠性設計水平還遠不及國外的水平，這也成了制約我國機械行業發展的重要瓶頸，嚴重影響了企業產品的開發質量，使“質量取勝、質量第一”的戰略無法在機械產品中得到充分發揮。隨著全球經濟一體化的不斷深入，機械產品強制認證制度得到了廣泛推行，同時也使得企業和政府部門清醒認識到投放市場產品質量的重要性，以及可靠性設計思路在機械產品研發中的重要性。

一、機械可靠性的相關概述

1.可靠性定義

可靠性也即是指產品在規定的使用條件下、規定時間內，完成規定功能的性質或能力。并將這種可靠性概率度量稱為機械產品的可靠度。

2.機械可靠性的發展

機械產品可靠性技術的研究始于20世紀20年代，并于20世紀40年代開始應用于結構工程的設計中。該技術最早應用在二戰末期德國的Ⅴ-Ⅱ火箭誘導裝置上。由德國火箭研究員R.Lusser，首先提出了可靠性的應用概念。又從Freuenthal于1946年在國際上發表“結構的安全度”一文以來，機械產品可靠性的概念引起了工程界和學術界的高度關注。

當前，以確定性有限元為基礎的隨機有限元法成了隨機參數結構實現不確定分析的相當有效的數值方法。張義民等人應用一節可靠性技術和隨機有限元法對隨機機構的可靠性問題展開了深入研究，并以此開辟了全新的以攝動技術、一次二階矩法、使用概率統計學和有限元理論為基礎的現代結構可靠性的分析及設計理論。由于可靠性技術貫穿于產品的研制、設計、裝配、試驗、調試、保管等環節，因此應積極大力推廣機械產品設計的可靠性技術。

二、機械產品可靠性設計思路

1.可靠性的優化設計

任何機械產品，從其建立初期的方案開始到后來的生產制造，必須經過的關鍵過程也即是設計過程。隨著新技術、新方法、新材料、新知識、新工藝的不斷涌現和發展，機械產品更新換代的周期也大大縮短，尤其是隨著顧客對產品的性能、質量、功能等方面的要求不斷提高，加之知識成為技術、技術發展為產品的時間縮短，這就要求設計過程必須加快步伐，必須縮短設計的周期，進而提升設計的質量。另外，產品設計的合理與否，對產品的使用價值、力學性能、制造成本等也均會造成直接的影響。因此，如何提高產品的設計質量、改進設計技術、發展設計理論以及加快設計的過程，已成了當前機械設計發展的必然趨勢和方向。

產品最佳可靠性將直接影響到國家能源和資源的合理利用，機械產品設計優化的最主要目的就是根據相關的安全需要和預定需求，以最優形式實現產品。通常將可靠性優化設計分為三方面：成本、質量和可靠度，將產品總體的可靠度作為產品性能約束的優化，會產生與合理安全性相互協調的平衡設計，即在給定產品質量和結構布局或成本之下，使產品獲得最大的可靠性。

2.可靠性的靈敏度設計

機械產品系統模型修改、產品優化設計、系統動力控制、結構參數識別估計變化和工程近似分析中，靈敏度分析和再設計成了機械產品多功能的設計工具。在進行機械產品可靠性設計時，各因素對產品失效帶來的影響程度也有所不同，因此機械產品可靠性靈敏度的研究具有很重要的現實意義。

可靠性的靈敏度設計，也即是以機械產品可靠性為基礎，并在此基礎上進行的靈敏度設計，并以此得出一個用以確定設計參數，以此來改變對產品可靠性的評價及影響，并以此來反映各設計參數對產品失效影響的程度?？煽啃缘撵`敏度設計在可靠性優化設計、可靠性修改和設計、可靠性維護等方面的應用意義重大。

3.穩健設計

文件設計是一種高質量和低成本的設計方法和思想，對機械產品的質量、性能、成本進行綜合考慮，并選出最佳的設計方案，這樣一來不僅可以提高產品的質量，同時還可有效降低產品的制造成本。正確運用穩健設計方法和理論，可有效使產品在使用及制造中，或在規定壽命期限中，即便是設計因素出現了微小變化也可確保產品的質量穩定。當前隨著計算機技術、CAD技術以及優化技術的發展，可將穩健設計方法分為以下兩類：1）以工程模型為基礎同時與優化技術相結合的穩健優化設計方法，包括靈敏度法、容差多面體法、隨機模型法、變差傳遞法等；2）以經驗設計為基礎的穩健設計方法，包括響應面法、田口方法、廣義模型法等。

機械產品的穩健設計也即是在可靠性設計、優化設計、靈敏度設計的基礎之上展開的可靠性穩健設計，它是將可靠性靈敏度融入到優化設計模型當中，同時將穩健性設計歸結為滿足機械產品可靠性要求的多目標優化的問題中。機械產品設計過程中，科學恰當的運用穩健性設計方法，可使產品在各種干擾因素下，依然保持其可靠性穩定，以此來實現產品可靠性設計對設計參數變化的不敏感性，以此來提高產品魯棒穩健性和安全可靠性。

三、結束語

機械產品可靠性設計目前已收到各行各業的廣泛關注，可靠性設計技術已成為國內機械行業和學科迅速發展的重要方向之一。筆者以為，結合現代數學力學的基本理論，將機械產品可靠性設計、優化設計、靈敏度設計以及文件設計方法達到最優化，并最終通過相應的使用軟件庫，為機械行業提供科學可靠性分析和設計技術服務。

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