可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)用與研究的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

1、可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)用與研究的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)可靠性是機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要指標(biāo)。為了使機(jī)械零件設(shè)計(jì)具有更高的可靠性和穩(wěn)健性,必須充分考慮不確定性因素對(duì)機(jī)械零件穩(wěn)健可靠性的影響。可靠性也是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。可靠性長(zhǎng)期以來(lái)是人們?cè)O(shè)計(jì)制造產(chǎn)品時(shí)的一個(gè)追求目標(biāo)。但是將可靠性作為設(shè)計(jì)制造中的定量指標(biāo)的歷史卻還不長(zhǎng)，相關(guān)技術(shù)也尚不成熟，工作也不普及?？煽啃栽O(shè)計(jì)應(yīng)用與研究發(fā)展于第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，上世紀(jì)五十年代美國(guó)軍事部門(mén)開(kāi)始系統(tǒng)的進(jìn)行可靠性研究。此外前蘇聯(lián)、日本、英國(guó)、法國(guó)、意大利等一些國(guó)家，也相繼從50年代末或60年代初開(kāi)始了有組織地進(jìn)行可靠性的研究工作。此階段主要是針對(duì)電器產(chǎn)品，并確定了可靠性

2、工作的規(guī)范、大綱和標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)的可靠性工作起步較晚，上世紀(jì)50年代末和60年代初在原電子工業(yè)部的內(nèi)部期刊有介紹國(guó)外可靠性工作的報(bào)道。發(fā)展最快的時(shí)期是上世紀(jì)80年代初期，出版了大量的可靠性工作專(zhuān)著、國(guó)家制定了一批可靠性工作的標(biāo)準(zhǔn)、各學(xué)校由大量的人投入可靠性的研究。許多工業(yè)部門(mén)將可靠性工作列在了重要的地位。如原航空工業(yè)部明確規(guī)定，凡是新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品或改型的產(chǎn)品，必須提供可靠性評(píng)估與分析報(bào)告才能進(jìn)行驗(yàn)收和堅(jiān)定。但國(guó)內(nèi)的可靠性工作曾在90年代初落入低谷，在這方面開(kāi)展工作的人很少，學(xué)術(shù)成果也平平。主要的原因是可靠性工作很難做，出成果較慢。但在近些年，可靠性工作有些升溫，這次升溫的動(dòng)力主要來(lái)源于企業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量

3、的重視，比較理智。目前國(guó)內(nèi)的可靠性工作仍在一個(gè)低水平上徘徊，研究的成果多，實(shí)用的方法少；研究力量分散，缺乏長(zhǎng)期規(guī)劃；學(xué)術(shù)界較混亂，低水平的文章隨處可見(jiàn)，高水平的成果卻很少出現(xiàn)。常規(guī)設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)常規(guī)設(shè)計(jì)中，經(jīng)驗(yàn)性的成分較多，如基于安全系數(shù)的設(shè)計(jì)。常規(guī)設(shè)計(jì)可通過(guò)下式體現(xiàn)：計(jì)算中，F(xiàn)、l、E、slim等各物理量均視為確定性變量，安全系數(shù)則是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的系數(shù)。上式給出的結(jié)論是：若ss則安全；反之則不安全。應(yīng)該說(shuō)，上述觀點(diǎn)不夠嚴(yán)謹(jǐn)。首先，設(shè)計(jì)中的許多物理量明是隨機(jī)變量；基于前一個(gè)觀點(diǎn)，當(dāng)s s時(shí)，未必一定安全，可能因隨機(jī)數(shù)的存在而仍有不安全的可能性。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，代入的變量是隨機(jī)變量的一個(gè)樣本值

4、或統(tǒng)計(jì)量，如均值。按概率的觀點(diǎn)，當(dāng)= 時(shí)， ss的概率為50%，即可靠度為50%，或失效的概率為50%，這是很不安全的。顯然有必要在設(shè)計(jì)之中引入概率的觀點(diǎn)，這就是概率設(shè)計(jì)，也是可靠性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。概率設(shè)計(jì)就是要在原常規(guī)設(shè)計(jì)的計(jì)算中引入隨機(jī)變量和概率運(yùn)算，并給出滿(mǎn)足強(qiáng)度條件（安全）的概率可靠度。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)是常規(guī)設(shè)計(jì)方法的進(jìn)一步發(fā)展和深化，它更為科學(xué)地計(jì)及了各設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系，是高等機(jī)械設(shè)計(jì)重要的內(nèi)容之一?？煽啃栽O(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)作為現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法，在機(jī)械工程中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益?？煽啃栽O(shè)計(jì)將機(jī)械產(chǎn)品的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，如應(yīng)力，強(qiáng)度以及尺寸等作為隨機(jī)變量，應(yīng)用概率論和數(shù)理

5、統(tǒng)計(jì)方法，用在一定條件下和一定的時(shí)間內(nèi)機(jī)械產(chǎn)品不發(fā)生失效的概率來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度及剛度等的設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法相比，它較真實(shí)地反映了載荷和強(qiáng)度的實(shí)際情況，是機(jī)械設(shè)計(jì)理論的進(jìn)步，但可靠性設(shè)計(jì)僅是從強(qiáng)度和剛度的可靠性角度確定設(shè)計(jì)參數(shù)的。優(yōu)化設(shè)計(jì)建立在數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)之上，它利用計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算能力選擇最佳方案，在常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，零部件的承載能力的計(jì)算是基于安全系數(shù)法的，沒(méi)有考慮到設(shè)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性，因而優(yōu)化結(jié)果具有一定的局限性，并不是真正意義上的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。機(jī)械產(chǎn)品的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，就是在優(yōu)化設(shè)計(jì)中將設(shè)計(jì)參數(shù)作為隨機(jī)變量，以產(chǎn)品的可靠度作為目標(biāo)函數(shù)或約束條件而進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，它彌補(bǔ)了單一

6、可靠性設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)的不足，既能使機(jī)械產(chǎn)品滿(mǎn)足整個(gè)工作過(guò)程中的可靠度的要求，又能得到產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化解，因而是一種更具工程實(shí)用價(jià)值的綜合性設(shè)計(jì)方法捌。機(jī)械產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。是產(chǎn)品出廠后所表現(xiàn)出來(lái)的一種質(zhì)量特性，也是產(chǎn)品性能的延伸和擴(kuò)展?？煽啃愿叩漠a(chǎn)品能保證其性能的實(shí)現(xiàn)，減少故障發(fā)生的次數(shù)，降低維修費(fèi)用及因故障造成的損失和提高安全性。產(chǎn)品可靠性的提高可以使用戶(hù)獲得更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)就是將機(jī)械設(shè)計(jì)理論理論與概率統(tǒng)計(jì)理論相結(jié)合，進(jìn)行機(jī)械零件或構(gòu)件的設(shè)計(jì)的一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)可以使設(shè)計(jì)結(jié)果更符合實(shí)際情況，并且能夠定量地給出機(jī)

7、械零件或構(gòu)件在一定時(shí)間內(nèi)不失效的概率，即可靠度。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)或零部件具有足夠的強(qiáng)度是設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的主要不同點(diǎn)在于，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是以計(jì)算安全系數(shù)為主要內(nèi)容，以計(jì)算安全系數(shù)時(shí)用到的應(yīng)力、強(qiáng)度等參數(shù)均取單值為前提的。而可靠性設(shè)計(jì)則考慮了載荷、零部件的尺寸及材料性能等參數(shù)的多值性，即它們均呈一定的概率分狀態(tài)。若按傳統(tǒng)的安全系數(shù)法進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)或零部件的設(shè)計(jì)，在有些場(chǎng)合下可能會(huì)出現(xiàn)材料浪費(fèi)、或可靠度不足等問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)不再是過(guò)去那種憑借經(jīng)驗(yàn)或直觀判斷來(lái)確定結(jié)構(gòu)方案，也不是在滿(mǎn)足所提出要求的前提下，先確定結(jié)構(gòu)方案，再進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等的分析和校核，然后進(jìn)行修改以確定結(jié)構(gòu)尺

8、寸。它的設(shè)計(jì)方法是，借助于電子計(jì)算機(jī)，應(yīng)用非線(xiàn)性規(guī)劃數(shù)學(xué)理論及數(shù)值計(jì)算方法，從所有可行的設(shè)計(jì)方案中尋找出一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。它是一種用理論計(jì)算代替經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，用精確計(jì)算代替近似計(jì)算，用最優(yōu)設(shè)計(jì)代替一般的安全壽命可行性設(shè)計(jì)的方法。將優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與可靠性理論結(jié)合，用于進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)或零部件的設(shè)計(jì)，稱(chēng)為可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。其最終的設(shè)計(jì)方案即考慮了機(jī)械結(jié)構(gòu)或零部件的可靠性要求，又是最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。因此，可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法非常適合于工程實(shí)際應(yīng)用。機(jī)械可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)主要涉及三個(gè)方面（1）機(jī)械系統(tǒng)可靠性的最優(yōu)分配以機(jī)械系統(tǒng)的目標(biāo)可靠度及其它條件為約束，最優(yōu)地給各子系統(tǒng)分配系統(tǒng)的可靠度，使系統(tǒng)的某些指標(biāo)，如成本、總費(fèi)

9、用等達(dá)到最優(yōu)方案。（2）以可靠度最大為目標(biāo)的機(jī)械可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)在保證機(jī)械產(chǎn)品的某些功能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的條件下，使機(jī)械產(chǎn)品具有最大的可靠度。（3）以可靠度為約束條件的機(jī)械可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)在保證可靠性指標(biāo)的前提下，使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。在實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)中，最常見(jiàn)的還是后面二個(gè)方面，對(duì)此進(jìn)行討論。1、以可靠度最大為目標(biāo)的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)若已知機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)力S和強(qiáng)度R相互獨(dú)立，且均服從正態(tài)分布SN（s，s2）和SN（R，R2），則以產(chǎn)品的可靠度最大為目標(biāo)函數(shù)的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型建立如下：求X=（x1，x2，xn）TminF(X)st.gi(X)0 （i=1,2, ,k）由于應(yīng)力與強(qiáng)度均滿(mǎn)足正

10、態(tài)分布，故標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的分布函數(shù)為z=-z12e-z22dz=F(x)要使可靠度R達(dá)到最大，則目標(biāo)函數(shù)應(yīng)取上式達(dá)到最小，或z達(dá)到最小。由聯(lián)結(jié)方程可知：z=-R-sR2+s2=-zR目標(biāo)函數(shù)F(X)即為：z=-R-sR2+s2=-zR求解即可得到相應(yīng)的zR(可靠度系數(shù))或z，再查表即可得到在確定的約束條件下可靠度的最優(yōu)解（最大值）R*。2、可靠度為約束條件的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)若已知機(jī)械產(chǎn)品S和強(qiáng)度R相互獨(dú)立，且均服從正態(tài)分布，即SN（s，s2）和SN（R，R2）。要求滿(mǎn)足的可靠度指標(biāo)為，RR，則以產(chǎn)品的可靠度為約束條件的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型建立如下：求X=（x1，x2，xn）TminF(X)st

11、.gi(X)0 （i=1,2, ,k）RR當(dāng)應(yīng)力與強(qiáng)度均呈正態(tài)分布時(shí)，由聯(lián)結(jié)方程：z=-R-sR2+s2=-zR故約束條件RR即為：R-sR2+s2zR式中，zR值是由規(guī)定的可靠度指標(biāo)R值查表求得。當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象及設(shè)計(jì)要求不同時(shí)，有時(shí)還應(yīng)考慮其它優(yōu)化目標(biāo)及其它約束條件。一般來(lái)說(shuō)，以可靠度為約束條件的機(jī)械可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)更為實(shí)用?？煽啃?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)（1）在常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采用的是確定性的結(jié)構(gòu)分析模型和方法，其模型和方法本身決定了它無(wú)法反映出作用荷載和結(jié)構(gòu)參數(shù)等的隨機(jī)性。而在可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)中是以結(jié)構(gòu)的概率分析為基礎(chǔ)，因此能夠考慮荷載和參數(shù)的隨機(jī)性。（2）常規(guī)的優(yōu)化結(jié)果往往降低了結(jié)構(gòu)的安全余度或設(shè)防水平

12、，所獲得的最優(yōu)解般處于設(shè)計(jì)可行域的臨界面上，且沒(méi)有足夠的安全概率上的保證，從工程的觀點(diǎn)看，這些結(jié)果是不能被接受的。麗可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)獲得的是滿(mǎn)足可靠性要求的最佳方案，或者使結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足其它要求條件下其可靠度達(dá)到最大值。（3）在常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的安全性只能通過(guò)對(duì)各單元的強(qiáng)度約束條件來(lái)保證。但從系統(tǒng)的觀點(diǎn)看，單元的功能滿(mǎn)足并不能確保整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的功能得以滿(mǎn)足。而在可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)中，既可以單元的可靠性作為約束，亦可以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性作為約束，自然可以獲得滿(mǎn)足系統(tǒng)功能要求的最佳設(shè)計(jì)方案。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)目的是保證機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確保生產(chǎn)的安全。而可靠性設(shè)計(jì)恰恰是在設(shè)計(jì)階段對(duì)機(jī)械安全與可靠性的保證，可

13、以將安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)，從根本上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的安全可靠。而非只在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)安全問(wèn)題的時(shí)候或者在出現(xiàn)安全問(wèn)題后才采取措施亡羊補(bǔ)牢，這對(duì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品安全，控制成本都有十分重要的意義。機(jī)械安全與可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域提供機(jī)械安全設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)的理論與科學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)械安全與可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的闡釋?zhuān)巩a(chǎn)品的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)理念深入人心?？煽啃栽O(shè)計(jì)工作的意義可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。重要關(guān)鍵產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題比較突出，如航空航天產(chǎn)品；量大面廣的產(chǎn)品，可靠性與經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)，如洗衣機(jī)等；高可靠性的產(chǎn)品，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)；可靠性是涉及多種科學(xué)技術(shù)的新興交叉學(xué)科，涉及數(shù)學(xué)、失效物理學(xué)、設(shè)計(jì)方法與方法學(xué)、實(shí)驗(yàn)技

14、術(shù)、人機(jī)工程、環(huán)境工程、維修技術(shù)、生產(chǎn)管理、計(jì)算機(jī)技術(shù)等；可靠性工作周期長(zhǎng)、耗資大，非幾個(gè)人、某一個(gè)部門(mén)可以做好的，需全行業(yè)通力協(xié)作、長(zhǎng)期工作；目前，可靠性理論不盡成熟，基礎(chǔ)差、需發(fā)展。與其他產(chǎn)品相比機(jī)械產(chǎn)品的可靠性技術(shù)有以下特點(diǎn)：因設(shè)計(jì)安全系數(shù)較大而掩蓋了矛盾，機(jī)械可靠性技術(shù)落后；機(jī)械產(chǎn)品的失效形式多，可靠性問(wèn)題復(fù)雜；機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、耗資大、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可參考性差；機(jī)械系統(tǒng)的邏輯關(guān)系不清晰，串、并聯(lián)關(guān)系容易混淆；綜上所述，要實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)，需要綜合各個(gè)學(xué)科知識(shí)，同時(shí)需要大量工作實(shí)踐，尤其針對(duì)目前國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)的具體情況而言，各種材料性能參數(shù)的不確定性、標(biāo)準(zhǔn)零件的質(zhì)量問(wèn)題等因素，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)師就提出了更高的要求。只有把宏觀上的可靠性統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)技術(shù)等問(wèn)題與微觀的材料失效機(jī)理及其老化過(guò)程等問(wèn)題研究以及實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等聯(lián)合起來(lái)共同解決，才會(huì)更