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機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性研究
摘 要：機(jī)械產(chǎn)品的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性做了相關(guān)研究。
關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì) 靈敏度 方案期 可靠性
一、機(jī)械設(shè)計(jì)可靠性概述
機(jī)械設(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，獲得理想的設(shè)計(jì)參數(shù)。這有效填補(bǔ)了常規(guī)設(shè)計(jì)中的缺陷，設(shè)計(jì)方案也更加真實(shí)�，F(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)。
第一，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。
第二，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)。
第三，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、縮減加工制作時間，為機(jī)械加工制造創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。
二、機(jī)械工程產(chǎn)品的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析
2.1 可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論
20世紀(jì)60年代，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得了最廣闊的發(fā)展。在這一時期，計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃有機(jī)地結(jié)合起來，推動了機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)向更高的層次發(fā)展。優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)學(xué)規(guī)劃理念的不斷成熟，發(fā)揮著越來越重要的作用，取得了令人矚目的成果。具體來講，所謂可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包含三個方面，即產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和可靠度。
可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)從系統(tǒng)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(jī)結(jié)合，從而使得產(chǎn)品的可靠度實(shí)現(xiàn)最大化。通過可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足產(chǎn)品可靠性的同時，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(fèi)現(xiàn)象。采用可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)所生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，并使用節(jié)能材料，順應(yīng)當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境的趨勢。對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的根本宗旨，即為了滿足安全的需要或者為了實(shí)現(xiàn)特定的預(yù)期點(diǎn)，通過最優(yōu)化的方式，對產(chǎn)品進(jìn)行處理。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時，需要考慮多種因素給產(chǎn)品性能帶來的影響，其中需要注意的兩點(diǎn)即結(jié)構(gòu)參數(shù)以及各種載荷的隨機(jī)性。
2.2 近年來可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展
近年來，高新科技不斷融入機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，許多現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念應(yīng)運(yùn)而生，可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)也獲得了飛速的發(fā)展。然而從設(shè)計(jì)的角度來看，可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的兩個不同方面，而對于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)來說，如果單純地考慮其中的一方面是無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。這就需要在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，將兩者相結(jié)合，從而發(fā)揮其潛在的巨大作用�？煽啃栽O(shè)計(jì)不同于優(yōu)化設(shè)計(jì)，可靠性設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品的可靠性為設(shè)計(jì)宗旨的，因此設(shè)計(jì)的結(jié)果并非其工作性能或參數(shù)的最佳點(diǎn)。此外，優(yōu)化設(shè)計(jì)有別于可靠性設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)并不考慮產(chǎn)品的可靠性，因此有可能導(dǎo)致事故，造成經(jīng)濟(jì)損失。另外，單純的優(yōu)化設(shè)計(jì)也無法保證產(chǎn)品在特定的時間和條件下達(dá)到預(yù)期的功能或目的。
機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)通常都比較復(fù)雜，所涉及到的設(shè)計(jì)參數(shù)也非常多，而單純的可靠性設(shè)計(jì)并不十分適用于多個設(shè)計(jì)參數(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，在進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)時，要分清設(shè)計(jì)的重點(diǎn)以及明確設(shè)計(jì)的步驟，在保證機(jī)械產(chǎn)品可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工作性能和設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)化。只有這樣，才能設(shè)計(jì)出既滿足可靠性又符合最優(yōu)化性能的機(jī)械產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能與成本的統(tǒng)一。
三、機(jī)械設(shè)計(jì)不同時期的可靠行設(shè)計(jì)
3.1 計(jì)劃期的可靠性設(shè)計(jì)
計(jì)劃期的工作依據(jù)是新型科研成果發(fā)布、市場需要程度與客戶訂貨實(shí)際情況。設(shè)計(jì)工作人員要利用準(zhǔn)確翔實(shí)的市場情報(bào)與技術(shù)指標(biāo)，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(jì)性指標(biāo)，完成合理的設(shè)計(jì)任務(wù)目標(biāo)制定工作。
在這一時期，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，一是找出產(chǎn)品可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，給接下來的技術(shù)設(shè)計(jì)時期提出糾正指導(dǎo)。二是尋找到值得改進(jìn)的方向，使產(chǎn)品再度開發(fā)成為可能�？煽啃哉雇粝胪瓿芍笜�(biāo)的分配確定，需要根據(jù)產(chǎn)品自身的功能及客戶的實(shí)際要求，完成相對應(yīng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)值建立，比如說壽命、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(biāo)。
3.2 方案期的可靠性設(shè)計(jì)
在這一時期，需要正確處理創(chuàng)新同借鑒的關(guān)系。第一要分析機(jī)械的功能，第二是由設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)期，是對機(jī)械整體進(jìn)行初始設(shè)計(jì)，在此階段，機(jī)械設(shè)計(jì)工作人員一定要對準(zhǔn)備解決的方案進(jìn)行正確評價�？煽啃栽u價及可靠性設(shè)計(jì)指的是同一體系內(nèi)，根據(jù)工作原理圖、擬定方案，進(jìn)行抽象簡化而得出來的設(shè)計(jì)體系。如果從可靠性指標(biāo)來看，越復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，其可靠程度就會越低。若想保證系統(tǒng)可靠，就一定要增加并聯(lián)系統(tǒng)，而這樣做，當(dāng)然會使產(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(tǒng)初步的驗(yàn)算分析，繼而確定系統(tǒng)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(shè)計(jì)
機(jī)械設(shè)計(jì)的技術(shù)期發(fā)展目標(biāo)是形成總裝配圖以及各個部件的裝配圖，用草圖的設(shè)計(jì)來確定各個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。這一時期首先需要對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行動力與運(yùn)動設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上完成零部件的設(shè)計(jì)，并對重點(diǎn)部位及零部件進(jìn)行工作性能校驗(yàn)，接下來設(shè)計(jì)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(yàn)。
正因?yàn)榧夹g(shù)期是整個機(jī)械設(shè)計(jì)中最為重要的時期，所以，這個時期的可靠性工作就相對比較多。對于單個零件設(shè)計(jì)來說，這個階段已經(jīng)確定了其荷載，同時根據(jù)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性的實(shí)際情況，來確定出零部件的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
上面的工作基本就是通過相關(guān)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，而這個階段主要任務(wù)就是對機(jī)械產(chǎn)品采取一些方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仔細(xì)分析，得出產(chǎn)品的性能。把機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性理論研究運(yùn)用到實(shí)際的可靠性實(shí)踐當(dāng)中，能夠更好地提高機(jī)械設(shè)計(jì)的可靠性，提高產(chǎn)品質(zhì)量。但是在實(shí)際工作的過程中，我們需要對具體的實(shí)踐操作進(jìn)行指標(biāo)確認(rèn)，并把得出的數(shù)據(jù)編制到生產(chǎn)的技術(shù)文件當(dāng)中，進(jìn)而給可靠性生產(chǎn)提供支持。
3.5 保養(yǎng)期的可靠性設(shè)計(jì)
保養(yǎng)期是機(jī)械設(shè)計(jì)的最后一個階段，做好機(jī)械的維護(hù)和保養(yǎng)能夠延長機(jī)械的使用壽命。但這一階段總?cè)菀姿缓雎裕恍┐笮偷闹圃炱髽I(yè)在生產(chǎn)過程中，這個階段的費(fèi)用往往會很高且十分復(fù)雜，這就需要我們了解機(jī)械設(shè)計(jì)可靠性在這個階段的重點(diǎn)內(nèi)容。例如，制定機(jī)械設(shè)計(jì)保養(yǎng)計(jì)劃、維修計(jì)劃以及確定機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)際適應(yīng)情況。機(jī)械設(shè)備在使用的過程中隨著年限的增長會導(dǎo)致使用性逐漸下降，甚至?xí)绊懙秸９ぷ鳌榱搜娱L機(jī)械設(shè)備使用的年限，我們必須重視機(jī)械設(shè)計(jì)的保養(yǎng)期工作，為企業(yè)贏得更多的經(jīng)濟(jì)效益。
四、機(jī)械設(shè)計(jì)可靠性的發(fā)展方向
4.1 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)對機(jī)械零件的實(shí)際影響程度，進(jìn)而確定對機(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產(chǎn)品效能指標(biāo)的影響程度，調(diào)整對產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)影響程度相對較大的設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而使產(chǎn)品失去對因素變差的靈敏性。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)。
4.2 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。
4.3 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、分析和評判產(chǎn)品可靠性的手段，旨在通過可靠性試驗(yàn)及時發(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。
五、結(jié)語
綜上，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員在滿足機(jī)械可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最優(yōu)化的目標(biāo)。充分發(fā)揮可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的巨大潛力，達(dá)到產(chǎn)品最佳點(diǎn)以及最可靠點(diǎn)。可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)具有先進(jìn)性和實(shí)用性的特點(diǎn)，在機(jī)械設(shè)計(jì)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，其發(fā)展的前景十分廣闊。
參考文獻(xiàn)：
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