机械零件可靠性的优化探究

杨站站

摘 要：传统机械零件设计方法以安全系数超过实际使用经验规定中数值为安全性评估标准，其设计水平日趋成熟且被广泛应用于实践领域，但是往往忽略各個设计参数随机性，仅仅以设计角度为出发点将各个设计参数视为单一性确定值，造成设计方案脱离实际应用情况无法保障零件自身可靠性。本文以机械零件可靠性为切入点分析优化设计的必要性，就提出具体的设计要点进行深入探究，旨在为相关从业人员积累更多的工作经验。

关键词：机械零件;可靠性;优化措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.020

自进入21世纪以来，在计算机技术蓬勃发展的大背景下，优化设计被广泛应用于机械设计各个领域，尤其是应用于多参数设计，不止能大大提高设计工作效率，更能保证设计方案精确度，弥补常规设计方法的不足，取得令人满意的设计方案。然而，从目前我国机械零件优化设计水平来看，仍存在着较多问题亟待解决，例如：难以把握设计参数自身随机性及模糊性等[1]。同时，设计参数随机性作为概率层面非确定性设计变量，以取值随机性为不确定性的集中表现，客观上要求设计人员利用统计方法消除其不确定性，而设计参数自身模糊性与边界不清间存在着密切联系，是模糊性所产生的非确定性设计变量，属于事物发展阶段中出现中介技术状态的结果。鉴于此，本文针对机械零件可靠性优化设计的研究具有重要现实意义。

1 机械零件可靠性优化设计的必要性

一般说来，常规机械零件设计方法（又称安全系数法）往往将零件强度（R）及应力（S）均视为单值，促使安全系数（N=R/S）成为单值，以安全系数超过实际使用经验规定中数值为安全性评估标准，其设计水平日趋成熟且被广泛应用于实践领域，但是普遍存在忽略各个设计参数随机性的问题，仅仅以设计角度为出发点将各个设计参数视为单一性确定值，造成设计方案脱离实际应用情况，难以保障机械零件自身可靠性[2]。由此可见，综合考虑设计参数随机性实现多参数设计目标消除影响机械零件可靠性的风险因素成为机械零件设计的主流发展趋势，客观上要求相关技术人员以优化设计为基础搭建可靠性优化设计数学模型。

2 机械零件可靠性优化设计的要点

通常情况下，机械参数可靠性优化设计指设计机械零件结构、公差、尺寸及材料等设计参数的过程，即可靠优化设计关键零件、可靠设计非关键重要零件、常规设计非关键非重要零件。相较于传统机械设计，机械产品可靠性设计理念认为应力（S）及强度（R）均不属于确定值且纳入随机变量范畴，设计期间立足于用户实际需求及设计要求，选择适应的特征函数进行描述，兼顾平均值及离散性，基本实现利用概率统计法求解目标。同时，机械产品可靠性设计认为所有机械设计均存在着失效可能性，设计期间主张结合实际需求最大程度降低失效概率增强其可靠程度，综合考虑各个设计参数随机性及分布规律。

与常规安全系数法，可靠性设计法以用户要求及实际情况为出发点制定科学合理的设计方案，兼顾设计结构，不止大大节约加工材料及加工时间，更为企业赢得更多的经济效益，但是常规安全系数法设计理念过于传统保守，早已与时代发展相脱节。同时，机械零件可靠性优化设计能延长零件自身使用年限大大降低其失效概率，弥补常规安全系数法的不足，但是受加工材料自身强度分布及荷载分布资料欠缺的影响，一定程度上阻碍可靠性优化设计广泛应用[3]。从理论及实践角度来看，机械材料特性及机械构件运作荷载条件、破坏过程均存在着不同程度的随机性。

由图1可见，机械零件自身物理量、几何尺寸、荷载、强度及应力均属于多值参数且呈现相应的分布状态，尤其是强度分布及应力分布往往被视为正态分布。可靠性优化设计途径较为单一，以指定性能指针为约束大大增强机械零件可靠度，甚至以可靠度为标准促使零件指定指针呈现最优化体现，并且二者相比后者方法适用性更强。因此在实际设计的过程中，技术人员必须建立体积最小、重量最轻及成本最低的目标函数，结合几何尺寸、刚度、可靠度及强度等设计要求，搭建相应的可靠性优化设计数学模型，再依据数学模型的复杂程度、形态及规模选择出最为适宜的优化方法求出其最终优化设计变量。

3 结语

通过本文探究，认识到相较于常规设计，优化设计综合考虑机械零件设计参数的离散性及随机性，促使设计方案贴近客观实际。因此，相关技术人员秉持具体问题具体分析的工作原则，不断丰富机械零件可靠性优化设计方法，立足于设计参数随机性特点，消除安全系数取值深受设计人员自身工作经验影响的风险因素，确保设计方案及数学模型符合客观情况的要求。总而言之，优化设计大大增强机械零件自身承载能力，控制总体成本投入，是保证机械零件设计质量的有力手段。在机械零件可靠性研究不断深化的大背景下，相关数据日趋完善，促使可靠性优化设计得到越来越多从业人员的关注及重视。

参考文献：

[1]何威.机械零件可靠性设计理论与方法研究[J].湖北农机化，2018（03）：57-59.

[2]杨娜.单向相关下的机械零件动态可靠性分析[J].制造技术与机床，2018（03）：72-75.

[3]范围广.机械零件可靠性试验数据分析[J].现代制造技术与装备，2017（06）：80.