机械零件结构设计的可靠性分析

尚进军

【摘要】可靠性设计也被称为机械概率设计，被广泛地应用在机械零件结构设计过程中，它建立在传统的机械设计分析的基础上。机械零件结构因自身的独特性，无法象常规电器元件借助实验获取相应可靠性数据。因此，为更好地满足机械零件结构设计的实用需求和规范性要求，应对其进行可靠性分析。本文先对可靠性进行概述，然后介绍了可靠性分析中的理论依据，最后探讨了机械零件结构设计的可靠性分析中的相关问题，希望能为机械零件结构设计提供一定的参考。

【关键词】机械零件；结构设计；可靠性；分析

很久以来，人们便利用可靠性分析评判产品质量，在初始评判阶段，单纯地依赖人们的工作经验来评判产品是否可靠，此时并没有规范化的衡量指标。可靠性分析从以概率论为基础的随机可靠性过渡到以模糊理论为基础的模糊可靠性，又过渡到非概率可靠性，直到今天的混合可靠性，现阶段的可靠性主要包含结构系统、模糊以及非概率这三种理论，这表明可靠性发生了一定的转变，并取得了进步，对于结构繁琐的复杂参数而言，由最初的概率以及非概率可靠性分析到现在的可靠性灵敏度分析，将可靠性分析理论变得日益成熟，并被广泛地应用到不同领域中。目前，可靠性已经成为影响产品效能的主要因素之一，它与国民经济发展和国防科技紧密相连，具有宽泛的研究范围和广阔的应用前景。

一、可靠性概述

机械零件结构设计的可靠性建立在传统设计之上，将与待设计对象相关的参数等要素进行一定的处理，使之转变成随机变量，参照设计原则构建概率数学模式，依据概率论、统计学理论和强度理论，计算出机械零件出现破坏的概率公式，然后参照公式明确该可靠性条件下的零件外观尺寸、使用寿命，在满足基本的运行使用要求的同时，还能获得最理想的设计参数，这有效填补了常规设计中的缺陷，并使得设计方案更加真实、可行。现阶段，可靠性设计被大范围地应用在飞机、汽车等关键产品以及机械零件结构设计中，它具有以下特点：

1.人为应力以及强度均属于随机变量，在设计的过程依据不同标准的设计要求，合理选择相应的特征函数，除了要考虑均值，还应考虑离散性，通过概率统计方法计算；

2.人为设计的机械产品不可避免地存在失效概率，在实际设计过程中应依据实际需求提前监控失效概率可靠性，全面考虑所有参数的随机性和分布规律，进而准确映射机械零件的实际工作状态；

3.可靠性设计分析与普通的安全系数法相比，更加合理，通过这种设计方法可获得最理想的设计，而安全系数法较为保守。由此可知，机械零件結构设计的可靠性分析可获得较为理想的结构，并节省材料成本、缩减加工制作时间，为机械加工制造创造更多的经济效益。

二、可靠性分析理论

在机械零件结构设计过程中，零件材料的极限应力属于随机变量，且该随机变量服从概率密度函数，而工作在机械零件危险截面的工作应力也属于随机变量，这两个随机变量有各自服从的概率密度函数，然后再借助强度应力理论推算相应的可靠性或者设计出该可靠性条件下的零件外形尺寸。可靠性分析中以概率论、统计学等理论知识为基础，主观人为因素作用较小，全面综合了外部环境变化，与实际生产更加接近，具有广阔的应用前景。

三、机械结构设计的可靠性分析

在机械产品的生产制造过程中，质量提高、设计理论优化、技术改进、设计周期缩短等至关重要，以上内容与可靠性紧密相连。可靠性分析贯穿于机械产品设计全过程，这表明可靠性分析已经步入实用阶段。目前，机械零件结构设计的可靠性分析研究已经成为机械制造中的主要研究题目，大量理论文献有力地证实机械零件结构设计的可靠性分析理论趋于成熟，未来将朝着以下方向发展。

（一）可靠性灵敏度设计

可靠性灵敏度设计建立在可靠性之上，有效映射不同设计参数对机械零件的实际影响程度，进而确定对机械零件灵敏度影响程度最大的随机变量，并重新分析和设计此参数。预估设计变量变差以及约束变差对产品效能指标的影响程度，调整对产品设计参数影响程度相对较大的设计参数，进而使产品失去对因素变差的灵敏性。这种设计以极限状态方程为基础，然后求解出设计参数相应的偏导数，获得灵敏度计算公式，从而明确每个设计参数的灵敏度，并以此为依据，不断修整设计，调整参数。

（二）可靠性优化设计

可靠性优化设计也是建立在可靠性之上，这种设计模式不仅能够更好地满足产品投入使用过程中的可靠性，还能优化产品外观尺寸、加工成本以及安全性等参数，进而使产品预估效能更加接近实际效能。此种方法有效融合可靠性分析理论和规划方法，以可靠度为基础构建优化目标函数，调整机械零件的外形尺寸、成本等参数，实现最小化，然后以刚度、强度等设计要求充当约束条件，构建数学模式，参照数学模型合理选择具体的优化方法，最终求解最理想的设计变量。

（三）可靠性试验

现阶段，可靠性理论趋于成熟，然而可靠性试验尚不健全。可靠性试验是一种考察、分析和评判产品可靠性的手段，旨在通过可靠性试验及时发现产品设计、原材料以及加工工艺存在的缺陷，进而进一步完善产品，提升成功率，降低维修养护成本，判断其是否满足可靠性定量要求。然而一旦具体的设计方案出现变更，则应重新开展试验分析，造成了不必要的资源浪费，因此，我们应充分利用高性能软件，缩减试验次数，节省成本。

结语

可靠性是衡量产品效能的动态指标，目前，可靠性贯穿于现代机械设计全过程，因此，可靠性分析是机械工业发展的主要研究方向，对于机械工程而言，掌握越多的可靠性理论，便会较少地应用主观经验，产品机械结构设计也会更加合理，这也是机械工程中的根本目标。机械零件结构设计的可靠性分析正处在发展阶段，在具体的应用过程中还存在一些细节问题，仍需要我们进一步探索。

参考文献

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