機(jī)械可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計的研究概論

崔芙銘 黃玉輝 劉杰

摘 要：近年來，隨著生活水平的日益提高，人們對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。同時，產(chǎn)品設(shè)計日益復(fù)雜化、多樣化、小批量化以及上市周期緊迫化的現(xiàn)狀也使得借助于現(xiàn)代設(shè)計方法中的多學(xué)科穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計成為質(zhì)量設(shè)計的新趨勢。可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械；可靠性穩(wěn)健設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計；可靠性設(shè)計；穩(wěn)健性設(shè)計

引言：有關(guān)可靠性的研究最早是用于電子產(chǎn)品的故障研究和分析。經(jīng)過多年的積累和發(fā)展，這一門學(xué)科在電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得了一定的發(fā)展水平和成果。然而，可靠性應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域卻僅僅是在近些年，因此，它在機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展水平和它在電子領(lǐng)域的發(fā)展水平相比，還有很大的差距。雖然如此，可靠性在機(jī)械領(lǐng)域仍發(fā)揮著巨大作用。隨著科技的進(jìn)步，機(jī)械系統(tǒng)越來越復(fù)雜，對于其自身的可靠性要求也越來越高。尤其在一些重要的場合，例如軍工企業(yè)和航空航天航海領(lǐng)域的要求十分嚴(yán)格。因此，研究機(jī)械產(chǎn)品的可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計就顯得尤為重要。

機(jī)械可靠性穩(wěn)健性研究的發(fā)展

關(guān)于可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計這一學(xué)科的研究由來已早。很早之前人們就開始廣泛采用“可靠性”這一概念來定性評價產(chǎn)品的質(zhì)量問題。然而，并沒有一個量的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。20世紀(jì)20年代，對于可靠性技術(shù)的研究就已經(jīng)開始，20世紀(jì)40年代，開始應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程設(shè)計之中。通過理論研究和實際生產(chǎn)實踐，全球的相關(guān)領(lǐng)域人士一致認(rèn)為，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)具有可靠性的決定性因素是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，而制造安裝和管理則是保證機(jī)械結(jié)構(gòu)具有可靠性的重要支撐。因此，為了保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全可靠性，提升工業(yè)的發(fā)展水平能力，并進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)業(yè)內(nèi)結(jié)構(gòu)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，對于概率設(shè)計理論的研究，可靠性技術(shù)的應(yīng)用就顯得十分重要。

對于機(jī)械可靠性穩(wěn)健性技術(shù)的研究，我國目前已經(jīng)取得了一定的成果。然而，我國機(jī)械產(chǎn)品的可靠性穩(wěn)健性設(shè)計水平與國際先進(jìn)水平相比還有相當(dāng)大的差距。這已經(jīng)成為制約我國機(jī)械工業(yè)迅速發(fā)展的瓶頸，造成企業(yè)開發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量的先天不足，使得“質(zhì)量第一、質(zhì)量取勝”的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略方針在機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中難以充分體現(xiàn)。機(jī)械可靠性穩(wěn)健性的研究活動主要集中在高校和專業(yè)性的研究機(jī)構(gòu)，有很多科技工程領(lǐng)域的研究人員參與到研究之中，并由不少的設(shè)計人員從事著實際設(shè)計實踐活動。經(jīng)過研究者的辛勤耕耘，已經(jīng)出現(xiàn)了頗具價值的專業(yè)著作、學(xué)術(shù)報告等等。這都將是發(fā)展機(jī)械可靠性穩(wěn)健性研究工作的有力資源。

可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計

可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計的方法有很多，例如Kronecker 代數(shù)、二階矩和四階矩技術(shù)、Edgeworth 級數(shù)、模糊概率計算、Monte Carlo 模擬法、矩方法和以矩方法為基礎(chǔ)的可靠性理論、響應(yīng)面法、支持向量機(jī)法、最大熵方法、隨機(jī)有限法和非概率分析方法等，疲勞強(qiáng)度設(shè)計等數(shù)學(xué)理論和方法。

方法雖然眾多，但是總結(jié)起來主要是數(shù)學(xué)模型法和物理原因法兩大類。這兩種方法各有特點(diǎn)，數(shù)學(xué)模型法是將可靠性視為時間范疇的量，或者將可靠性視為某些偶然因素發(fā)生的結(jié)果。

在過去數(shù)十年的發(fā)展中，我國的可靠性設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計都得到了長足發(fā)展。然而，這兩者的單獨(dú)發(fā)展都不可能使可靠性設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的潛能充分發(fā)揮出來。例如：在某一機(jī)械產(chǎn)品經(jīng)過了可靠性設(shè)計之后，它能保證自身的安全穩(wěn)定運(yùn)行，卻不能保證自身的運(yùn)行性能是處于最佳狀態(tài)的。相反，如果能使這一機(jī)械的運(yùn)行性能處于最佳狀態(tài)，卻不能保證它自身運(yùn)行的安全可靠，這是十分危險的。因此，機(jī)械的可靠性設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的相結(jié)合對于機(jī)械行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

機(jī)械產(chǎn)品的可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計是在可靠性設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計，靈敏度設(shè)計，穩(wěn)健性設(shè)計的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計中，正確運(yùn)用可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計可以保證機(jī)械產(chǎn)品在經(jīng)受各種因素的干擾下，都可以保證自身可靠性的穩(wěn)定。可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計使得機(jī)械產(chǎn)品對運(yùn)行時參數(shù)的改變變得不敏感。然而，在機(jī)械的實際運(yùn)行過程中，自身的穩(wěn)定性必然會發(fā)生變化，要消除這些變化的影響需要花費(fèi)的代價是十分大的。而僅僅要求降低這些變化的影響所需要花費(fèi)的代價與此相比卻是十分微小的。

Reliability and robust optimization design in foreign country

Mechanical components design is subjected to uncertainties in material and geometrical properties， loads and other variables. For reliability optimization design with uncertain parameters， based on the non-probabilistic reliability theory， robust design and optimal design method， the uncertain parameters of mechanical components are expressed by non-probabilistic interval variables， and a non-probabilistic measure and procedure for robust reliability computation is presented. Compared with the conventional probabilistic reliability optimization approach， the proposed method does not require a presumed probability distribution of the uncertain parameters and only the bounds or ranges of their variations are required. The optimal design for non-probabilistic robust reliability is formulated as a two level optimization problem， in which the first level minimizes the original robust optimal objective with the constraints of non-probabilistic reliability index， and the secondary level is used to identify the reliability index. The purpose of it is to get a tradeoff between the design objective and the robustness to uncertainties and satisfy the requirements for reliability. For instance， the robust reliability optimization of unidirectional wedge-typed overrunning clutch is proposed， and the results show that the proposed method is useful for mechanical components design and quality improvement

結(jié)束語

綜上所述，可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中具有十分重大的作用。當(dāng)機(jī)械產(chǎn)品完成了可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計之后，可以保證其安全可靠的工作在最佳狀態(tài)，這對于機(jī)械產(chǎn)品的成本，壽命，以及運(yùn)行狀態(tài)都是滿足大眾期望的。因此，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)實際情況在滿足機(jī)械可靠性的前提下，實現(xiàn)產(chǎn)品最優(yōu)化的目標(biāo)。充分發(fā)揮可靠性穩(wěn)健設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的巨大潛力，達(dá)到產(chǎn)品運(yùn)行或者使用最佳點(diǎn)以及最可靠點(diǎn)?？煽啃詢?yōu)化設(shè)計具有先進(jìn)性和實用性的特點(diǎn)，在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，在提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時還帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省了大量人力、物力、財力，可以提高設(shè)計水平，縮短設(shè)計周期和降低生產(chǎn)成本。同時，可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計還帶了巨大的社會效益，其發(fā)展前景十分廣闊。

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