機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性分析

尚進(jìn)軍

【摘要】可靠性設(shè)計(jì)也被稱為機(jī)械概率設(shè)計(jì)，被廣泛地應(yīng)用在機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，它建立在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)上。機(jī)械零件結(jié)構(gòu)因自身的獨(dú)特性，無法象常規(guī)電器元件借助實(shí)驗(yàn)獲取相應(yīng)可靠性數(shù)據(jù)。因此，為更好地滿足機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)用需求和規(guī)范性要求，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行可靠性分析。本文先對(duì)可靠性進(jìn)行概述，然后介紹了可靠性分析中的理論依據(jù)，最后探討了機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性分析中的相關(guān)問題，希望能為機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械零件；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；可靠性；分析

很久以來，人們便利用可靠性分析評(píng)判產(chǎn)品質(zhì)量，在初始評(píng)判階段，單純地依賴人們的工作經(jīng)驗(yàn)來評(píng)判產(chǎn)品是否可靠，此時(shí)并沒有規(guī)范化的衡量指標(biāo)。可靠性分析從以概率論為基礎(chǔ)的隨機(jī)可靠性過渡到以模糊理論為基礎(chǔ)的模糊可靠性，又過渡到非概率可靠性，直到今天的混合可靠性，現(xiàn)階段的可靠性主要包含結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、模糊以及非概率這三種理論，這表明可靠性發(fā)生了一定的轉(zhuǎn)變，并取得了進(jìn)步，對(duì)于結(jié)構(gòu)繁瑣的復(fù)雜參數(shù)而言，由最初的概率以及非概率可靠性分析到現(xiàn)在的可靠性靈敏度分析，將可靠性分析理論變得日益成熟，并被廣泛地應(yīng)用到不同領(lǐng)域中。目前，可靠性已經(jīng)成為影響產(chǎn)品效能的主要因素之一，它與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防科技緊密相連，具有寬泛的研究范圍和廣闊的應(yīng)用前景。

一、可靠性概述

機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性建立在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)之上，將與待設(shè)計(jì)對(duì)象相關(guān)的參數(shù)等要素進(jìn)行一定的處理，使之轉(zhuǎn)變成隨機(jī)變量，參照設(shè)計(jì)原則構(gòu)建概率數(shù)學(xué)模式，依據(jù)概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和強(qiáng)度理論，計(jì)算出機(jī)械零件出現(xiàn)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尺寸、使用壽命，在滿足基本的運(yùn)行使用要求的同時(shí)，還能獲得最理想的設(shè)計(jì)參數(shù)，這有效填補(bǔ)了常規(guī)設(shè)計(jì)中的缺陷，并使得設(shè)計(jì)方案更加真實(shí)、可行。現(xiàn)階段，可靠性設(shè)計(jì)被大范圍地應(yīng)用在飛機(jī)、汽車等關(guān)鍵產(chǎn)品以及機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，它具有以下特點(diǎn)：

1.人為應(yīng)力以及強(qiáng)度均屬于隨機(jī)變量，在設(shè)計(jì)的過程依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求，合理選擇相應(yīng)的特征函數(shù)，除了要考慮均值，還應(yīng)考慮離散性，通過概率統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算；

2.人為設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品不可避免地存在失效概率，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)依據(jù)實(shí)際需求提前監(jiān)控失效概率可靠性，全面考慮所有參數(shù)的隨機(jī)性和分布規(guī)律，進(jìn)而準(zhǔn)確映射機(jī)械零件的實(shí)際工作狀態(tài)；

3.可靠性設(shè)計(jì)分析與普通的安全系數(shù)法相比，更加合理，通過這種設(shè)計(jì)方法可獲得最理想的設(shè)計(jì)，而安全系數(shù)法較為保守。由此可知，機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性分析可獲得較為理想的結(jié)構(gòu)，并節(jié)省材料成本、縮減加工制作時(shí)間，為機(jī)械加工制造創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

二、可靠性分析理論

在機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，零件材料的極限應(yīng)力屬于隨機(jī)變量，且該隨機(jī)變量服從概率密度函數(shù)，而工作在機(jī)械零件危險(xiǎn)截面的工作應(yīng)力也屬于隨機(jī)變量，這兩個(gè)隨機(jī)變量有各自服從的概率密度函數(shù)，然后再借助強(qiáng)度應(yīng)力理論推算相應(yīng)的可靠性或者設(shè)計(jì)出該可靠性條件下的零件外形尺寸?？煽啃苑治鲋幸愿怕收摗⒔y(tǒng)計(jì)學(xué)等理論知識(shí)為基礎(chǔ)，主觀人為因素作用較小，全面綜合了外部環(huán)境變化，與實(shí)際生產(chǎn)更加接近，具有廣闊的應(yīng)用前景。

三、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性分析

在機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中，質(zhì)量提高、設(shè)計(jì)理論優(yōu)化、技術(shù)改進(jìn)、設(shè)計(jì)周期縮短等至關(guān)重要，以上內(nèi)容與可靠性緊密相連?？煽啃苑治鲐灤┯跈C(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程，這表明可靠性分析已經(jīng)步入實(shí)用階段。目前，機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性分析研究已經(jīng)成為機(jī)械制造中的主要研究題目，大量理論文獻(xiàn)有力地證實(shí)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性分析理論趨于成熟，未來將朝著以下方向發(fā)展。

（一）可靠性靈敏度設(shè)計(jì)

可靠性靈敏度設(shè)計(jì)建立在可靠性之上，有效映射不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)機(jī)械零件的實(shí)際影響程度，進(jìn)而確定對(duì)機(jī)械零件靈敏度影響程度最大的隨機(jī)變量，并重新分析和設(shè)計(jì)此參數(shù)。預(yù)估設(shè)計(jì)變量變差以及約束變差對(duì)產(chǎn)品效能指標(biāo)的影響程度，調(diào)整對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)影響程度相對(duì)較大的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而使產(chǎn)品失去對(duì)因素變差的靈敏性。這種設(shè)計(jì)以極限狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，然后求解出設(shè)計(jì)參數(shù)相應(yīng)的偏導(dǎo)數(shù)，獲得靈敏度計(jì)算公式，從而明確每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度，并以此為依據(jù)，不斷修整設(shè)計(jì)，調(diào)整參數(shù)。

（二）可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)也是建立在可靠性之上，這種設(shè)計(jì)模式不僅能夠更好地滿足產(chǎn)品投入使用過程中的可靠性，還能優(yōu)化產(chǎn)品外觀尺寸、加工成本以及安全性等參數(shù)，進(jìn)而使產(chǎn)品預(yù)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(guī)劃方法，以可靠度為基礎(chǔ)構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，調(diào)整機(jī)械零件的外形尺寸、成本等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最小化，然后以剛度、強(qiáng)度等設(shè)計(jì)要求充當(dāng)約束條件，構(gòu)建數(shù)學(xué)模式，參照數(shù)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(shè)計(jì)變量。

（三）可靠性試驗(yàn)

現(xiàn)階段，可靠性理論趨于成熟，然而可靠性試驗(yàn)尚不健全?？煽啃栽囼?yàn)是一種考察、分析和評(píng)判產(chǎn)品可靠性的手段，旨在通過可靠性試驗(yàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、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(yǎng)護(hù)成本，判斷其是否滿足可靠性定量要求。然而一旦具體的設(shè)計(jì)方案出現(xiàn)變更，則應(yīng)重新開展試驗(yàn)分析，造成了不必要的資源浪費(fèi)，因此，我們應(yīng)充分利用高性能軟件，縮減試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)省成本。

結(jié)語

可靠性是衡量產(chǎn)品效能的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，目前，可靠性貫穿于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)全過程，因此，可靠性分析是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的主要研究方向，對(duì)于機(jī)械工程而言，掌握越多的可靠性理論，便會(huì)較少地應(yīng)用主觀經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)更加合理，這也是機(jī)械工程中的根本目標(biāo)。機(jī)械零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性分析正處在發(fā)展階段，在具體的應(yīng)用過程中還存在一些細(xì)節(jié)問題，仍需要我們進(jìn)一步探索。

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