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機械設計的可靠性研究
摘 要：機械產(chǎn)品的可靠性?xún)?yōu)化設計主要是為了產(chǎn)品使用具有可靠的功能，其發(fā)展非常迅速，而且使用得十分廣泛。本文即對機械設計的可靠性做了相關(guān)研究。
關(guān)鍵詞：機械設計 靈敏度 方案期 可靠性
一、機械設計可靠性概述
機械設計的可靠性建立在傳統設計之上，將與待設計對象相關(guān)的參數等要素進(jìn)行一定的處理，使之轉變成隨機變量，參照設計原則構建概率數學(xué)模式，依據概率論、統計學(xué)理論和強度理論，計算出機械零件出現破壞的概率公式。然后參照公式明確該可靠性條件下的零件外觀(guān)尺寸、使用壽命，在滿(mǎn)足基本的運行使用要求的同時(shí)，獲得理想的設計參數。這有效填補了常規設計中的缺陷，設計方案也更加真實(shí)�，F階段，可靠性設計被大范圍地應用在飛機、汽車(chē)等關(guān)鍵產(chǎn)品以及機械零件結構設計中，它具有以下特點(diǎn)。
第一，人為應力以及強度均屬于隨機變量。在設計的過(guò)程依據不同標準的設計要求，合理選擇相應的特征函數，除了要考慮均值，還應考慮離散性，通過(guò)概率統計方法計算。
第二，人為設計的機械產(chǎn)品不可避免地存在失效概率。在實(shí)際設計過(guò)程中應依據實(shí)際需求提前監控失效概率可靠性，全面考慮所有參數的隨機性和分布規律，進(jìn)而準確映射機械零件的實(shí)際工作狀態(tài)。
第三，可靠性設計分析與普通的安全系數法相比，更加合理。通過(guò)這種設計方法可獲得最理想的設計，而安全系數法較為保守。由此可知，機械零件結構設計的可靠性分析可獲得較為理想的結構，并節省材料成本、縮減加工制作時(shí)間，為機械加工制造創(chuàng )造更多的經(jīng)濟效益。
二、機械工程產(chǎn)品的可靠性?xún)?yōu)化設計現狀分析
2.1 可靠性?xún)?yōu)化設計的基本理論
20世紀60年代，機械優(yōu)化設計獲得了最廣闊的發(fā)展。在這一時(shí)期，計算機技術(shù)和數學(xué)規劃有機地結合起來(lái)，推動(dòng)了機械優(yōu)化設計向更高的層次發(fā)展。優(yōu)化設計的方法被廣泛應用于工程設計領(lǐng)域，并伴隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和數學(xué)規劃理念的不斷成熟，發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用，取得了令人矚目的成果。具體來(lái)講，所謂可靠性?xún)?yōu)化設計主要包含三個(gè)方面，即產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和可靠度。
可靠性?xún)?yōu)化設計從系統的、整體的角度對產(chǎn)品的可靠度進(jìn)行分析，并對其性能進(jìn)行約束與優(yōu)化，在確保產(chǎn)品性能和質(zhì)量的前提下，將產(chǎn)品的合理性和安全性有機結合，從而使得產(chǎn)品的可靠度實(shí)現最大化。通過(guò)可靠性?xún)?yōu)化設計，在滿(mǎn)足產(chǎn)品可靠性的同時(shí)，還使得能源以及資源獲得充分的利用，避免了能源和資源的不合理使用及浪費現象。采用可靠性?xún)?yōu)化設計所生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品，具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，并使用節能材料，順應當前可持續發(fā)展和保護環(huán)境的趨勢。對機械產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設計的根本宗旨，即為了滿(mǎn)足安全的需要或者為了實(shí)現特定的預期點(diǎn)，通過(guò)最優(yōu)化的方式，對產(chǎn)品進(jìn)行處理。在進(jìn)行優(yōu)化設計時(shí)，需要考慮多種因素給產(chǎn)品性能帶來(lái)的影響，其中需要注意的兩點(diǎn)即結構參數以及各種載荷的隨機性。
2.2 近年來(lái)可靠性?xún)?yōu)化設計發(fā)展
近年來(lái)，高新科技不斷融入機械設計領(lǐng)域，許多現代化的設計方法和設計理念應運而生，可靠性設計和優(yōu)化設計也獲得了飛速的發(fā)展。然而從設計的角度來(lái)看，可靠性設計和優(yōu)化設計是設計的兩個(gè)不同方面，而對于機械產(chǎn)品的設計來(lái)說(shuō)，如果單純地考慮其中的一方面是無(wú)法達到設計要求的。這就需要在實(shí)際的設計工作中，將兩者相結合，從而發(fā)揮其潛在的巨大作用�？煽啃栽O計不同于優(yōu)化設計，可靠性設計是以產(chǎn)品的可靠性為設計宗旨的，因此設計的結果并非其工作性能或參數的最佳點(diǎn)。此外，優(yōu)化設計有別于可靠性設計，優(yōu)化設計并不考慮產(chǎn)品的可靠性，因此有可能導致事故，造成經(jīng)濟損失。另外，單純的優(yōu)化設計也無(wú)法保證產(chǎn)品在特定的時(shí)間和條件下達到預期的功能或目的。
機械產(chǎn)品的結構通常都比較復雜，所涉及到的設計參數也非常多，而單純的可靠性設計并不十分適用于多個(gè)設計參數的系統設計。因此，在進(jìn)行可靠性?xún)?yōu)化設計時(shí)，要分清設計的重點(diǎn)以及明確設計的步驟，在保證機械產(chǎn)品可靠性的前提下，實(shí)現產(chǎn)品工作性能和設計參數的最優(yōu)化。只有這樣，才能設計出既滿(mǎn)足可靠性又符合最優(yōu)化性能的機械產(chǎn)品，實(shí)現產(chǎn)品性能與成本的統一。
三、機械設計不同時(shí)期的可靠行設計
3.1 計劃期的可靠性設計
計劃期的工作依據是新型科研成果發(fā)布、市場(chǎng)需要程度與客戶(hù)訂貨實(shí)際情況。設計工作人員要利用準確翔實(shí)的市場(chǎng)情報與技術(shù)指標，制定出可行性技術(shù)方案，對多種方案進(jìn)行利弊比較，綜合考慮到可靠性、適用性與經(jīng)濟性指標，完成合理的設計任務(wù)目標制定工作。
在這一時(shí)期，可靠性工作實(shí)際上就是產(chǎn)品可靠性展望。
此工作目的有兩個(gè)，一是找出產(chǎn)品可能存在的薄弱環(huán)節，給接下來(lái)的技術(shù)設計時(shí)期提出糾正指導。二是尋找到值得改進(jìn)的方向，使產(chǎn)品再度開(kāi)發(fā)成為可能�？煽啃哉雇粝胪瓿芍笜说姆峙浯_定，需要根據產(chǎn)品自身的功能及客戶(hù)的實(shí)際要求，完成相對應的指標數據值建立，比如說(shuō)壽命、可靠程度、失效率等等。再按照特定的方法原則，逐步分配可靠指標。
3.2 方案期的可靠性設計
在這一時(shí)期，需要正確處理創(chuàng )新同借鑒的關(guān)系。第一要分析機械的功能，第二是由設計人員提出各種可行性方案，第三是把不同的方案進(jìn)行技術(shù)分解，尋找到最佳的組合形式。在方案設計期，是對機械整體進(jìn)行初始設計，在此階段，機械設計工作人員一定要對準備解決的方案進(jìn)行正確評價(jià)�？煽啃栽u價(jià)及可靠性設計指的是同一體系內，根據工作原理圖、擬定方案，進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化而得出來(lái)的設計體系。如果從可靠性指標來(lái)看，越復雜的機械系統，其可靠程度就會(huì )越低。若想保證系統可靠，就一定要增加并聯(lián)系統，而這樣做，當然會(huì )使產(chǎn)品成本上升。所以在這一階段，可靠性方法的確定需要擬定系統初步的驗算分析，繼而確定系統整體事件，及整體同部分之間的關(guān)聯(lián)。
3.3 技術(shù)期的可靠性設計
機械設計的技術(shù)期發(fā)展目標是形成總裝配圖以及各個(gè)部件的裝配圖，用草圖的設計來(lái)確定各個(gè)零件的基本尺寸與外形，還包括每一部件間的相連方式，部件外形與尺寸等等。最后，需要確定零件的總裝配圖、分部件裝配圖、工作流程圖。這一時(shí)期首先需要對機械設備進(jìn)行動(dòng)力與運動(dòng)設計，在此基礎上完成零部件的設計，并對重點(diǎn)部位及零部件進(jìn)行工作性能校驗，接下來(lái)設計分部裝配草圖以及總裝配草圖。所有草圖完成之后，需要進(jìn)行精確性核驗。
正因為技術(shù)期是整個(gè)機械設計中最為重要的時(shí)期，所以，這個(gè)時(shí)期的可靠性工作就相對比較多。對于單個(gè)零件設計來(lái)說(shuō)，這個(gè)階段已經(jīng)確定了其荷載，同時(shí)根據剛度、強度、穩定性的實(shí)際情況，來(lái)確定出零部件的設計尺寸范圍，這樣才能夠保證零件的質(zhì)量。
3.4 編制期的可靠性設計
上面的工作基本就是通過(guò)相關(guān)的數據和經(jīng)驗來(lái)進(jìn)行機械設計，而這個(gè)階段主要任務(wù)就是對機械產(chǎn)品采取一些方法進(jìn)行實(shí)驗，通過(guò)對實(shí)驗結果的仔細分析，得出產(chǎn)品的性能。把機械設計的可靠性理論研究運用到實(shí)際的可靠性實(shí)踐當中，能夠更好地提高機械設計的可靠性，提高產(chǎn)品質(zhì)量。但是在實(shí)際工作的過(guò)程中，我們需要對具體的實(shí)踐操作進(jìn)行指標確認，并把得出的數據編制到生產(chǎn)的技術(shù)文件當中，進(jìn)而給可靠性生產(chǎn)提供支持。
3.5 保養期的可靠性設計
保養期是機械設計的最后一個(gè)階段，做好機械的維護和保養能夠延長(cháng)機械的使用壽命。但這一階段總容易所被忽略，一些大型的制造企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中，這個(gè)階段的費用往往會(huì )很高且十分復雜，這就需要我們了解機械設計可靠性在這個(gè)階段的重點(diǎn)內容。例如，制定機械設計保養計劃、維修計劃以及確定機械產(chǎn)品的實(shí)際適應情況。機械設備在使用的過(guò)程中隨著(zhù)年限的增長(cháng)會(huì )導致使用性逐漸下降，甚至會(huì )影響到正常工作。為了延長(cháng)機械設備使用的年限，我們必須重視機械設計的保養期工作，為企業(yè)贏(yíng)得更多的經(jīng)濟效益。
四、機械設計可靠性的發(fā)展方向
4.1 可靠性靈敏度設計
可靠性靈敏度設計建立在可靠性之上，有效映射不同設計參數對機械零件的實(shí)際影響程度，進(jìn)而確定對機械零件靈敏度影響程度最大的隨機變量，并重新分析和設計此參數。預估設計變量變差以及約束變差對產(chǎn)品效能指標的影響程度，調整對產(chǎn)品設計參數影響程度相對較大的設計參數，進(jìn)而使產(chǎn)品失去對因素變差的靈敏性。這種設計以極限狀態(tài)方程為基礎，然后求解出設計參數相應的偏導數，獲得靈敏度計算公式，從而明確每個(gè)設計參數的靈敏度，并以此為依據，不斷修整設計，調整參數。
4.2 可靠性?xún)?yōu)化設計
可靠性?xún)?yōu)化設計也是建立在可靠性之上，這種設計模式不僅能夠更好地滿(mǎn)足產(chǎn)品投入使用過(guò)程中的可靠性，還能優(yōu)化產(chǎn)品外觀(guān)尺寸、加工成本以及安全性等參數，進(jìn)而使產(chǎn)品預估效能更加接近實(shí)際效能。此種方法有效融合可靠性分析理論和規劃方法，以可靠度為基礎構建優(yōu)化目標函數，調整機械零件的外形尺寸、成本等參數，實(shí)現最小化，然后以剛度、強度等設計要求充當約束條件，構建數學(xué)模式，參照數學(xué)模型合理選擇具體的優(yōu)化方法，最終求解最理想的設計變量。
4.3 可靠性試驗
現階段，可靠性理論趨于成熟，然而可靠性試驗尚不健全�？煽啃栽囼炇且环N考察、分析和評判產(chǎn)品可靠性的手段，旨在通過(guò)可靠性試驗及時(shí)發(fā)現產(chǎn)品設計、原材料以及加工工藝存在的缺陷，進(jìn)而進(jìn)一步完善產(chǎn)品，提升成功率，降低維修養護成本，判斷其是否滿(mǎn)足可靠性定量要求。然而一旦具體的設計方案出現變更，則應重新開(kāi)展試驗分析，造成了不必要的資源浪費，因此，我們應充分利用高性能軟件，縮減試驗次數，節省成本。
五、結語(yǔ)
綜上，在進(jìn)行機械設計時(shí)，設計人員在滿(mǎn)足機械可靠性的前提下，實(shí)現產(chǎn)品最優(yōu)化的目標。充分發(fā)揮可靠性設計和優(yōu)化設計的巨大潛力，達到產(chǎn)品最佳點(diǎn)以及最可靠點(diǎn)�？煽啃�?xún)?yōu)化設計具有先進(jìn)性和實(shí)用性的特點(diǎn)，在機械設計領(lǐng)域的應用也越來(lái)越廣泛，在提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)還帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟效益，其發(fā)展的前景十分廣闊。
參考文獻：
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