机械可靠性稳健优化设计的研究概论

崔芙铭 黄玉辉 刘杰

摘 要：近年来，随着生活水平的日益提高，人们对产品质量的要求也越来越高。同时，产品设计日益复杂化、多样化、小批量化以及上市周期紧迫化的现状也使得借助于现代设计方法中的多学科稳健性优化设计成为质量设计的新趋势。可靠性是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。

关键词：机械；可靠性稳健设计；优化设计；可靠性设计；稳健性设计

引言：有关可靠性的研究最早是用于电子产品的故障研究和分析。经过多年的积累和发展，这一门学科在电子产业已经取得了一定的发展水平和成果。然而，可靠性应用于机械领域却仅仅是在近些年，因此，它在机械领域的发展水平和它在电子领域的发展水平相比，还有很大的差距。虽然如此，可靠性在机械领域仍发挥着巨大作用。随着科技的进步，机械系统越来越复杂，对于其自身的可靠性要求也越来越高。尤其在一些重要的场合，例如军工企业和航空航天航海领域的要求十分严格。因此，研究机械产品的可靠性稳健优化设计就显得尤为重要。

机械可靠性稳健性研究的发展

关于可靠性稳健优化设计这一学科的研究由来已早。很早之前人们就开始广泛采用“可靠性”這一概念来定性评价产品的质量问题。然而，并没有一个量的标准来衡量。20世纪20年代，对于可靠性技术的研究就已经开始，20世纪40年代，开始应用于结构工程设计之中。通过理论研究和实际生产实践，全球的相关领域人士一致认为，保证机械结构具有可靠性的决定性因素是机械结构的设计，而制造安装和管理则是保证机械结构具有可靠性的重要支撑。因此，为了保证机械结构的安全可靠性，提升工业的发展水平能力，并进而优化产业内结构，在机械结构的设计过程中，对于概率设计理论的研究，可靠性技术的应用就显得十分重要。

对于机械可靠性稳健性技术的研究，我国目前已经取得了一定的成果。然而，我国机械产品的可靠性稳健性设计水平与国际先进水平相比还有相当大的差距。这已经成为制约我国机械工业迅速发展的瓶颈，造成企业开发的产品质量的先天不足，使得“质量第一、质量取胜”的经济战略方针在机械产品的生产制造中难以充分体现。机械可靠性稳健性的研究活动主要集中在高校和专业性的研究机构，有很多科技工程领域的研究人员参与到研究之中，并由不少的设计人员从事着实际设计实践活动。经过研究者的辛勤耕耘，已经出现了颇具价值的专业著作、学术报告等等。这都将是发展机械可靠性稳健性研究工作的有力资源。

可靠性稳健优化设计

可靠性稳健优化设计的方法有很多，例如Kronecker 代数、二阶矩和四阶矩技术、Edgeworth 级数、模糊概率计算、Monte Carlo 模拟法、矩方法和以矩方法为基础的可靠性理论、响应面法、支持向量机法、最大熵方法、随机有限法和非概率分析方法等，疲劳强度设计等数学理论和方法。

方法虽然众多，但是总结起来主要是数学模型法和物理原因法两大类。这两种方法各有特点，数学模型法是将可靠性视为时间范畴的量，或者将可靠性视为某些偶然因素发生的结果。

在过去数十年的发展中，我国的可靠性设计和优化设计都得到了长足发展。然而，这两者的单独发展都不可能使可靠性设计和优化设计的潜能充分发挥出来。例如：在某一机械产品经过了可靠性设计之后，它能保证自身的安全稳定运行，却不能保证自身的运行性能是处于最佳状态的。相反，如果能使这一机械的运行性能处于最佳状态，却不能保证它自身运行的安全可靠，这是十分危险的。因此，机械的可靠性设计与优化设计的相结合对于机械行业的发展具有重要的意义。

机械产品的可靠性稳健优化设计是在可靠性设计，优化设计，灵敏度设计，稳健性设计的基础上发展起来的。在机械产品的设计中，正确运用可靠性稳健优化设计可以保证机械产品在经受各种因素的干扰下，都可以保证自身可靠性的稳定。可靠性稳健优化设计使得机械产品对运行时参数的改变变得不敏感。然而，在机械的实际运行过程中，自身的稳定性必然会发生变化，要消除这些变化的影响需要花费的代价是十分大的。而仅仅要求降低这些变化的影响所需要花费的代价与此相比却是十分微小的。

Reliability and robust optimization design in foreign country

Mechanical components design is subjected to uncertainties in material and geometrical properties， loads and other variables. For reliability optimization design with uncertain parameters， based on the non-probabilistic reliability theory， robust design and optimal design method， the uncertain parameters of mechanical components are expressed by non-probabilistic interval variables， and a non-probabilistic measure and procedure for robust reliability computation is presented. Compared with the conventional probabilistic reliability optimization approach， the proposed method does not require a presumed probability distribution of the uncertain parameters and only the bounds or ranges of their variations are required. The optimal design for non-probabilistic robust reliability is formulated as a two level optimization problem， in which the first level minimizes the original robust optimal objective with the constraints of non-probabilistic reliability index， and the secondary level is used to identify the reliability index. The purpose of it is to get a tradeoff between the design objective and the robustness to uncertainties and satisfy the requirements for reliability. For instance， the robust reliability optimization of unidirectional wedge-typed overrunning clutch is proposed， and the results show that the proposed method is useful for mechanical components design and quality improvement

结束语

综上所述，可靠性稳健优化设计在现代机械产业的发展中具有十分重大的作用。当机械产品完成了可靠性稳健优化设计之后，可以保证其安全可靠的工作在最佳状态，这对于机械产品的成本，寿命，以及运行状态都是满足大众期望的。因此，在进行机械设计时，设计人员应根据实际情况在满足机械可靠性的前提下，实现产品最优化的目标。充分發挥可靠性稳健设计和优化设计的巨大潜力，达到产品运行或者使用最佳点以及最可靠点。可靠性优化设计具有先进性和实用性的特点，在机械设计领域的应用也越来越广泛，在提升产品质量的同时还带来了巨大的经济效益，节省了大量人力、物力、财力，可以提高设计水平，缩短设计周期和降低生产成本。同时，可靠性稳健优化设计还带了巨大的社会效益，其发展前景十分广阔。

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