机械产品的可靠性设计

刘建岭

摘要：机械产品是众多学科相互交叉的高新技术载体。能否确保产品安全可靠的运行，是机械产品竞争的焦点，产品“物美、价廉”等优点必须以其可靠性来为后盾。所谓机械可靠性，也即是机械产品在规定的时间内、规定的使用条件下完成规定功能的能力。

关键词：机械产品；可靠性设计；优化

前 言

随着经济全球化的不断深入，对机械产品提出了更高的要求，除了具有好的性能外，更要具备高的可靠性，通过可靠性设计来弥补常规设计过程的不足，可有效使设计方案更加贴近产品制造生产的实际。目前国内机械产品可靠性设计水平还远不及国外的水平，这也成了制约我国机械行业发展的重要瓶颈，严重影响了企业产品的开发质量，使“质量取胜、质量第一”的战略无法在机械产品中得到充分发挥。随着全球经济一体化的不断深入，机械产品强制认证制度得到了广泛推行，同时也使得企业和政府部门清醒认识到投放市场产品质量的重要性，以及可靠性设计思路在机械产品研发中的重要性。

一、机械可靠性的相关概述

1.可靠性定义

可靠性也即是指产品在规定的使用条件下、规定时间内，完成规定功能的性质或能力。并将这种可靠性概率度量称为机械产品的可靠度。

2.机械可靠性的发展

机械产品可靠性技术的研究始于20世纪20年代，并于20世纪40年代开始应用于结构工程的设计中。该技术最早应用在二战末期德国的Ⅴ-Ⅱ火箭诱导装置上。由德国火箭研究员R.Lusser，首先提出了可靠性的应用概念。又从Freuenthal于1946年在國际上发表“结构的安全度”一文以来，机械产品可靠性的概念引起了工程界和学术界的高度关注。

当前，以确定性有限元为基础的随机有限元法成了随机参数结构实现不确定分析的相当有效的数值方法。张义民等人应用一节可靠性技术和随机有限元法对随机机构的可靠性问题展开了深入研究，并以此开辟了全新的以摄动技术、一次二阶矩法、使用概率统计学和有限元理论为基础的现代结构可靠性的分析及设计理论。由于可靠性技术贯穿于产品的研制、设计、装配、试验、调试、保管等环节，因此应积极大力推广机械产品设计的可靠性技术。

二、机械产品可靠性设计思路

1.可靠性的优化设计

任何机械产品，从其建立初期的方案开始到后来的生产制造，必须经过的关键过程也即是设计过程。随着新技术、新方法、新材料、新知识、新工艺的不断涌现和发展，机械产品更新换代的周期也大大缩短，尤其是随着顾客对产品的性能、质量、功能等方面的要求不断提高，加之知识成为技术、技术发展为产品的时间缩短，这就要求设计过程必须加快步伐，必须缩短设计的周期，进而提升设计的质量。另外，产品设计的合理与否，对产品的使用价值、力学性能、制造成本等也均会造成直接的影响。因此，如何提高产品的设计质量、改进设计技术、发展设计理论以及加快设计的过程，已成了当前机械设计发展的必然趋势和方向。

产品最佳可靠性将直接影响到国家能源和资源的合理利用，机械产品设计优化的最主要目的就是根据相关的安全需要和预定需求，以最优形式实现产品。通常将可靠性优化设计分为三方面：成本、质量和可靠度，将产品总体的可靠度作为产品性能约束的优化，会产生与合理安全性相互协调的平衡设计，即在给定产品质量和结构布局或成本之下，使产品获得最大的可靠性。

2.可靠性的灵敏度设计

机械产品系统模型修改、产品优化设计、系统动力控制、结构参数识别估计变化和工程近似分析中，灵敏度分析和再设计成了机械产品多功能的设计工具。在进行机械产品可靠性设计时，各因素对产品失效带来的影响程度也有所不同，因此机械产品可靠性灵敏度的研究具有很重要的现实意义。

可靠性的灵敏度设计，也即是以机械产品可靠性为基础，并在此基础上进行的灵敏度设计，并以此得出一个用以确定设计参数，以此来改变对产品可靠性的评价及影响，并以此来反映各设计参数对产品失效影响的程度。可靠性的灵敏度设计在可靠性优化设计、可靠性修改和设计、可靠性维护等方面的应用意义重大。

3.稳健设计

文件设计是一种高质量和低成本的设计方法和思想，对机械产品的质量、性能、成本进行综合考虑，并选出最佳的设计方案，这样一来不仅可以提高产品的质量，同时还可有效降低产品的制造成本。正确运用稳健设计方法和理论，可有效使产品在使用及制造中，或在规定寿命期限中，即便是设计因素出现了微小变化也可确保产品的质量稳定。当前随着计算机技术、CAD技术以及优化技术的发展，可将稳健设计方法分为以下两类：1）以工程模型为基础同时与优化技术相结合的稳健优化设计方法，包括灵敏度法、容差多面体法、随机模型法、变差传递法等；2）以经验设计为基础的稳健设计方法，包括响应面法、田口方法、广义模型法等。

机械产品的稳健设计也即是在可靠性设计、优化设计、灵敏度设计的基础之上展开的可靠性稳健设计，它是将可靠性灵敏度融入到优化设计模型当中，同时将稳健性设计归结为满足机械产品可靠性要求的多目标优化的问题中。机械产品设计过程中，科学恰当的运用稳健性设计方法，可使产品在各种干扰因素下，依然保持其可靠性稳定，以此来实现产品可靠性设计对设计参数变化的不敏感性，以此来提高产品鲁棒稳健性和安全可靠性。

三、结束语

机械产品可靠性设计目前已收到各行各业的广泛关注，可靠性设计技术已成为国内机械行业和学科迅速发展的重要方向之一。笔者以为，结合现代数学力学的基本理论，将机械产品可靠性设计、优化设计、灵敏度设计以及文件设计方法达到最优化，并最终通过相应的使用软件库，为机械行业提供科学可靠性分析和设计技术服务。

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