劉建嶺

摘要：機(jī)械產(chǎn)品是眾多學(xué)科相互交叉的高新技術(shù)載體。能否確保產(chǎn)品安全可靠的運(yùn)行，是機(jī)械產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，產(chǎn)品“物美、價(jià)廉”等優(yōu)點(diǎn)必須以其可靠性來為后盾。所謂機(jī)械可靠性，也即是機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的使用條件下完成規(guī)定功能的能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品；可靠性設(shè)計(jì)；優(yōu)化

前 言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的不斷深入，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品提出了更高的要求，除了具有好的性能外，更要具備高的可靠性，通過可靠性設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)常規(guī)設(shè)計(jì)過程的不足，可有效使設(shè)計(jì)方案更加貼近產(chǎn)品制造生產(chǎn)的實(shí)際。目前國內(nèi)機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)水平還遠(yuǎn)不及國外的水平，這也成了制約我國機(jī)械行業(yè)發(fā)展的重要瓶頸，嚴(yán)重影響了企業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量，使“質(zhì)量取勝、質(zhì)量第一”的戰(zhàn)略無法在機(jī)械產(chǎn)品中得到充分發(fā)揮。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的不斷深入，機(jī)械產(chǎn)品強(qiáng)制認(rèn)證制度得到了廣泛推行，同時(shí)也使得企業(yè)和政府部門清醒認(rèn)識(shí)到投放市場(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)量的重要性，以及可靠性設(shè)計(jì)思路在機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)中的重要性。

一、機(jī)械可靠性的相關(guān)概述

1.可靠性定義

可靠性也即是指產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的性質(zhì)或能力。并將這種可靠性概率度量稱為機(jī)械產(chǎn)品的可靠度。

2.機(jī)械可靠性的發(fā)展

機(jī)械產(chǎn)品可靠性技術(shù)的研究始于20世紀(jì)20年代，并于20世紀(jì)40年代開始應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)中。該技術(shù)最早應(yīng)用在二戰(zhàn)末期德國的Ⅴ-Ⅱ火箭誘導(dǎo)裝置上。由德國火箭研究員R.Lusser，首先提出了可靠性的應(yīng)用概念。又從Freuenthal于1946年在國際上發(fā)表“結(jié)構(gòu)的安全度”一文以來，機(jī)械產(chǎn)品可靠性的概念引起了工程界和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。

當(dāng)前，以確定性有限元為基礎(chǔ)的隨機(jī)有限元法成了隨機(jī)參數(shù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不確定分析的相當(dāng)有效的數(shù)值方法。張義民等人應(yīng)用一節(jié)可靠性技術(shù)和隨機(jī)有限元法對(duì)隨機(jī)機(jī)構(gòu)的可靠性問題展開了深入研究，并以此開辟了全新的以攝動(dòng)技術(shù)、一次二階矩法、使用概率統(tǒng)計(jì)學(xué)和有限元理論為基礎(chǔ)的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)可靠性的分析及設(shè)計(jì)理論。由于可靠性技術(shù)貫穿于產(chǎn)品的研制、設(shè)計(jì)、裝配、試驗(yàn)、調(diào)試、保管等環(huán)節(jié)，因此應(yīng)積極大力推廣機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性技術(shù)。

二、機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)思路

1.可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)

任何機(jī)械產(chǎn)品，從其建立初期的方案開始到后來的生產(chǎn)制造，必須經(jīng)過的關(guān)鍵過程也即是設(shè)計(jì)過程。隨著新技術(shù)、新方法、新材料、新知識(shí)、新工藝的不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期也大大縮短，尤其是隨著顧客對(duì)產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、功能等方面的要求不斷提高，加之知識(shí)成為技術(shù)、技術(shù)發(fā)展為產(chǎn)品的時(shí)間縮短，這就要求設(shè)計(jì)過程必須加快步伐，必須縮短設(shè)計(jì)的周期，進(jìn)而提升設(shè)計(jì)的質(zhì)量。另外，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理與否，對(duì)產(chǎn)品的使用價(jià)值、力學(xué)性能、制造成本等也均會(huì)造成直接的影響。因此，如何提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、改進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)、發(fā)展設(shè)計(jì)理論以及加快設(shè)計(jì)的過程，已成了當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)和方向。

產(chǎn)品最佳可靠性將直接影響到國家能源和資源的合理利用，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化的最主要目的就是根據(jù)相關(guān)的安全需要和預(yù)定需求，以最優(yōu)形式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品。通常將可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)分為三方面：成本、質(zhì)量和可靠度，將產(chǎn)品總體的可靠度作為產(chǎn)品性能約束的優(yōu)化，會(huì)產(chǎn)生與合理安全性相互協(xié)調(diào)的平衡設(shè)計(jì)，即在給定產(chǎn)品質(zhì)量和結(jié)構(gòu)布局或成本之下，使產(chǎn)品獲得最大的可靠性。

2.可靠性的靈敏度設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)模型修改、產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)動(dòng)力控制、結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別估計(jì)變化和工程近似分析中，靈敏度分析和再設(shè)計(jì)成了機(jī)械產(chǎn)品多功能的設(shè)計(jì)工具。在進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，各因素對(duì)產(chǎn)品失效帶來的影響程度也有所不同，因此機(jī)械產(chǎn)品可靠性靈敏度的研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

可靠性的靈敏度設(shè)計(jì)，也即是以機(jī)械產(chǎn)品可靠性為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的靈敏度設(shè)計(jì)，并以此得出一個(gè)用以確定設(shè)計(jì)參數(shù)，以此來改變對(duì)產(chǎn)品可靠性的評(píng)價(jià)及影響，并以此來反映各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)產(chǎn)品失效影響的程度?？煽啃缘撵`敏度設(shè)計(jì)在可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性修改和設(shè)計(jì)、可靠性維護(hù)等方面的應(yīng)用意義重大。

3.穩(wěn)健設(shè)計(jì)

文件設(shè)計(jì)是一種高質(zhì)量和低成本的設(shè)計(jì)方法和思想，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、成本進(jìn)行綜合考慮，并選出最佳的設(shè)計(jì)方案，這樣一來不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)還可有效降低產(chǎn)品的制造成本。正確運(yùn)用穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法和理論，可有效使產(chǎn)品在使用及制造中，或在規(guī)定壽命期限中，即便是設(shè)計(jì)因素出現(xiàn)了微小變化也可確保產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。當(dāng)前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAD技術(shù)以及優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，可將穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法分為以下兩類：1）以工程模型為基礎(chǔ)同時(shí)與優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括靈敏度法、容差多面體法、隨機(jī)模型法、變差傳遞法等；2）以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，包括響應(yīng)面法、田口方法、廣義模型法等。

機(jī)械產(chǎn)品的穩(wěn)健設(shè)計(jì)也即是在可靠性設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、靈敏度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上展開的可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)，它是將可靠性靈敏度融入到優(yōu)化設(shè)計(jì)模型當(dāng)中，同時(shí)將穩(wěn)健性設(shè)計(jì)歸結(jié)為滿足機(jī)械產(chǎn)品可靠性要求的多目標(biāo)優(yōu)化的問題中。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，科學(xué)恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)用穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法，可使產(chǎn)品在各種干擾因素下，依然保持其可靠性穩(wěn)定，以此來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)變化的不敏感性，以此來提高產(chǎn)品魯棒穩(wěn)健性和安全可靠性。

三、結(jié)束語

機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)目前已收到各行各業(yè)的廣泛關(guān)注，可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)已成為國內(nèi)機(jī)械行業(yè)和學(xué)科迅速發(fā)展的重要方向之一。筆者以為，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)學(xué)力學(xué)的基本理論，將機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、靈敏度設(shè)計(jì)以及文件設(shè)計(jì)方法達(dá)到最優(yōu)化，并最終通過相應(yīng)的使用軟件庫，為機(jī)械行業(yè)提供科學(xué)可靠性分析和設(shè)計(jì)技術(shù)服務(wù)。

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