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解析机械工程的可靠性优化设计
作者：刘治光
来源：《中国科技博览》2013年第24期
摘要：随着机械制造业的迅猛发展，机械工程在经济建设各领域中占有非常重要的地位。文章从可靠性的角度阐述了进行产品开发设计时所要注意的问题，将可靠性优化设计方案应用在机械工程的设计中。
关键词：新技术；可靠性；优化设计；机械工程
中图分类号：N945.17
在当今科学技术快速发展的当今社会，产品的更新换代速度也越来越快，人们也对产品的可靠性和质量给予了更多的关注，因此，有关产品可靠性的设计也普遍得到广泛应用和发展。设计产品是一个需要不断深化认识、逐步完善和改进的过程。所有产品都是必须要经过初试后才能投入市场，因为产品在初期完成时，其自身会存在许多工艺和设计方面的缺陷，也就相应地存在一些不可靠性。所以，生产商在生产产品的初期必须有计划地改进产品设计和工艺规程，才能从而提高产品的可靠性水平，把问题的故障消灭在萌芽状态。这样一来，可靠性设计研究就产生了，它有助于预期目标的达成。在对可靠性设计技术进行研究之前，必须对产品可靠性的概念有所了解。在可靠性设计中，必须要满足时间、花费、功能等条件，使得设计产品的可靠性达到要求。可靠性设计涉及的范围极其广泛，它不仅仅包含了传统的设计技术，还关联着计算机技术、质量控制技术、环境工程、系统工程等。它不但运用在在产品的设计过程中，还涉及到初产品到成品的各个工艺生产环节。它是一个集多方面科学技术于一身的现代化新兴技术。所以，在机械、电子、航天、军事等一些重要的领域，都需要应用可靠性设计技术。它的作用极为重要，应用也极其广泛。
1、可靠性发展
可靠性发展的阶段分为早期研究阶段、过程发展阶段和国际化阶段。早期研究阶段体现在二战中的英美军舰和战斗机等的军事方面，当重要的装备频频出现机械故障导致战争被动，为了减少战争中频发的机械故障，于是人们就开始重视机械设备的可靠性问题，也就开始进行对机械可靠性的研究和筹划。最早是英美德等国家在军事装备方面提出了相应的可靠性指标。在机械制造可靠性研究的早期阶段，人们已经取得一定的成效。在进入过程发展阶段时，对机械工程可靠性的研究已经进入了一个相对比较成熟的研究过程阶段。在这个阶段中，德国、日本、前苏联、美国一些制造业相对比较发达的国家开始对可靠性进行深入的研究，并且通过研究取得了很大的成功。这使得可靠性研究进入了新的发展阶段，保证了可靠性研究的未来发展方向。在这个过程发展的阶段，可靠性研究其跟多方面也都获得了很好的完善及发展。例如：研究的范围已经从原来的机械产品向电子产品过渡，且其理论研究不断深入，范围也在不断的扩大，为可靠性的设计技术进步与发展打下了良好的基础，研究已经由原来早期较为简单的产
可靠性与优化设计 【摘要】 改革开放为我国的机械工程制造业带来了良好的发展机遇，经过三多年的努力，机械工程制造业已经取得了很大的发展成果，成为国民经济中重要的支柱。在机械工程制造业当中，对其进行的可靠性优化设计具有非常重要的作用。本文就机械工程中的可靠性优化设计问题进行了探讨，以供参考。 【关键词】 机械工程;可靠性;优化设计 1、前言 当今社会，科学技术飞速发展，人们不仅对多功能产品有强烈的需求，也需要多功能产品可以实现其应具备的功能。产品的可靠性优化设计是以产品功能的可靠性使用为目的而应运而生的产物，从产生开始到现在，已经得到了迅速的发展与广泛地使用[1]。在进行机械工程的产品设计时，将可靠性理论与技术应用于其中，并根据需要与可能，将产品的可靠性使用作为优先考虑的设计准则；在满足时间、费用及性能的基础上，让设计出的机械工程产品符合可靠性的要求。可靠性的设计问题在涉及传统的设计技术的同时，也与价值工程、系统工程、环境工程及质量控制工程等有着密切的关系。因此，可靠性设计是多学科与多技术相互交叉融合的一种新兴技术。
2、机械工程产品的可靠性优化设计现状分析 由于我国的特殊历史原因，机械工程制造业与西方发达国家机械制造业相比，显得相对落后，尤其是在可靠性设计的研究方面更是显得滞后。直到二世纪八年代，我国在机械工程的可靠性研究才取得了一些初步的成效，在某些个别的行业还成立了专门从事可靠性优化设计研究的组织与团体，并为社会培养了大批的可靠性优化设计研究的技术人才，制定出了整套可靠性优化设计的规范标准[2]。从总体上来看，过去的可靠性优化设计研究比较偏重于理论，但在生产实践中，对于理论的应用则是比较少，就这一点而言，与制造业相对较为发达的国家相比较，存在着许多不足之处。 3、可靠性优化设计在机械工程中的应用 机械工程产品的可靠性优化设计在产品的生产与使用周期的各环节都起着重要作用。这些环节主要有产品的设计、制造、使用及售后维修等。以下就机械工程产品的设计、制造及使用三个环节展开讨论可靠性优化设计问题。 机械工程产品设计环节可靠性优化设计 机械工程产品的设计主要包括装配整体设计与零件组装设计。对机械产品进行可靠性优化设计时，可以将其当作一个整体，设计的方法主要有两种，第一种方法为：先大致了解机械的完整系统，并分析组成整体的零部件具有多大程度的可靠性，据此推断出整体具有多大程度的可靠性；这种方法即为预测整体设
可靠性设计的主要内容 1、研究产品的故障物理和故障模型 搜集、分析与掌握该类产品在使用过程中零件材料的老化、损伤和故障失效等（均为受许多复杂随机因素影响的随机过程）的有关数据及材料的初始性能（强度、冲击韧性等）对其平均值的偏离数据，揭示影响老化、损伤这一复杂物理化学过程最本质的因素，追寻故障的真正原因。研究以时间函数形式表达的材料老化、损伤的规律，从而较确切的估计产品在使用条件下的状态和寿命。用统计分析的方法使故障（失效）机理模型化，建立计算用的可靠度模型或故障模型，为可靠性设计奠定物理数学基础，故障模型的建立，往往以可靠性试验结果为依据。 2、确定产品的可靠性指标及其等级 选取何种可靠性指标取决于产品的类型、设计要求以及习惯和方便性等。而产品可靠性指标的等级或量值，则应依据设计要求或已有的试验，使用和修理的统计数据、设计经验、产品的重要程度、技术发展趋势及市场需求等来确定。例如，对于汽车，可选用可靠度、首次故障里程、平局故障间隔里程等作为可靠性指标，对于工程机械则常采用有效度。 3、合理分配产品的可靠性指标值
将确定的产品可靠性指标的量值合理分配给零部件，以确定每个零部件的可靠性指标值，后者与该零部件的功能、重要性、复杂程度、体积、重量、设计要求与经验、已有的可靠性数据及费用等有关，这些构成对可靠性指标值的约束条件。采用优化设计方法将产品（系统、设备）的可靠性指标值分配给各个零部件，以求得最大经济效益下的各零部件可靠性指标值最合理的匹配。 4、以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠性设计 即把规定的可靠性指标值直接设计到零件中去，使它们能够保证可靠性指标值的实现。
题目：机械零件的可靠性优化设计 课程名称：现代设计理论与方法 机械零件 自从出现机械，就有了相应的机械零件。随着机械工业的发展，新的设计理论和方法、新材料、新工艺的出现，机械零件进入了新的发展阶段。有限元法、断裂力学、弹性流体动压润滑、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计（CAD）、系统分析和设计方法学等理论，已逐渐用于机械零件的研究和设计。更好地实现多种学科的综合，实现宏观与微观相结合，探求新的原理和结构，更多地采用动态设计和精确设计，更有效地利用电子计算机，进一步发展设计理论和方法，是这一学科发展的重要趋向。 机械零件是指直接加工而不经过装配的机器组成单元。机械零件是机械产品或系统的基础，机械产品由若干零件和部件组成。按照零件的应用范围，可将零件分为通用零件和专用零件二类。通用的机械零件包括齿轮、弹簧、轴、滚动轴承、滑动轴承、联轴器、离合器等。 机械零件设计就是确定零件的材料、结构和尺寸参数，使零件满足有关设计和性能方面的要求。机械零件除一般要满足强度、刚度、寿命、稳定性、公差等级等方面的设计性能要求，还要满足材料成本、加工费用等方面的经济性要求。 机械零件优化设计概述 进行机械零件的设计，一般需要确定零件的计算载荷、计算准则及零件尺寸参数。零件计算载荷和计算准则的确定，应当依据机械产品的总体设计方案对零件的工作要求进行载荷等方面的详细分析，在此基础上建立零件的力学模型，考虑影响载荷的各项因素和必要的安全系数，确定零件的计算载荷;对零件工作过程可能出现的失效形式进行分析，确定零件设计或校核计算准则。零件材料和参数的确定，应当依据零件的工作性质和要求，选准适合于零件工作状况的材料;分析零件的应力或变形，根据有关计算准则，计算确定零件的主要尺寸参数，并进行参数的标准化。 所谓机械零件优化设计是将零件设计问题描述为数学优化模型，采用优化方法求解一组零件设计参数。机械零件设计中包含了许多优化问题，例如零件设计方案的优选问题、零件尺寸参数优化问题、零件设计性能优化问题等。国内机械设计领域技术人员针对齿轮、弹簧、滚动轴承、滑动轴承、联轴器、离合器等零件优化设计问题开展了大量的工作，解决了齿轮传动比优化分配、各种齿轮参数优化、各种齿轮减速器优化设计、各种齿轮传动的可靠性优化、齿轮传动和减速
第18卷第2期湖 北 工 学 院 学 报2003年4月Vol.18No.2 Journal of Hubei Polytechnic University Apr.2003 [收稿日期]2003-01-27 [作者简介]赵 刚(1976-),男,湖北武汉人,武汉科技大学讲师,工学硕士,研究方向:现代设计方法1 [文章编号]1003-4684(2003)04-0065-02 模糊可靠性优化理论 赵 刚 (武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉430063) [摘 要]模糊可靠性优化可以在设计过程中充分考虑工程的安全因素和过渡因素,从而得到一组关联的分析结果和优化方案,为工程设计的最终确定提供更广泛更可靠的选择.[关键词]模糊可靠性优化;模糊可靠性;模糊约束;水平截集;隶属度函数[中图分类号]N 945.17 [文献标识码]:A 1 具有模糊约束的单目标模糊优化 与常规优化设计一样,目标函数、约束条件和设计变量是模糊优化设计数学模型的三个基本要素.根据模糊目标函数与模糊约束函数的关系,模糊优化数学模型可分为对称和非对称两种类型.具有广义模糊约束的非对称模糊优化模型可表述为 X =(x 1,x 2,,,x n )T , min F (X ), s.t.g i (X ) 浅谈机械工程的可靠性优化设计 近年来，随着我国科技水平的不断提升，各行各业都得到了不同程度的发展。尤其是工业机械水平的提升，使得我国机械制造领域发生了巨大的变化。为了促进我国机械工程的进一步发展，获取更多的经济效益和社会效益，应当对机械工程的可靠性进行优化。文章从我国机械工程产品的可靠性优化设计现状入手，对于可靠性优化设计在机械工程中的具体应用进行了简要的分析与探讨，以供有关工作人员参考与借鉴。 标签：机械工程；可靠性；优化设计；探讨 引言 当前，随着我国社会经济的不断发展，人们的生活水平有了很大程度的提高。在科学技术快速发展的背景下，人们对于多功能机械产品的需求也有所增加。然而，从实际情况来看，现如今还存在一部分多功能机械产品的实际应用功能难以实现。因此，我国机械制造业的发展还有待于进一步提高。作为综合多学科与多技术的新兴设计技术之一，可靠性设计在机械工程的产品设计过程中已经得到了广泛的应用。文章对机械工程可靠性优化设计进行了相应的分析与探讨，以期通过可靠性优化设计方法，能够提高机械工程产品的质量。 1 机械工程产品的可靠性优化设计现状分析 随着社会的不断发展，科学技术的进步推动着产品的更新与换代。人们生活水平的逐渐提高，对于产品的多功能性与可靠性提出了更高的要求。在科技水平不断提高的背景下，现有生产过程中所产出的机械工程产品的结构呈现出复杂化的特点。不但各式各样的优秀工艺被应用到生产制造中，而且产品的更新速度也在不断的加快。产品的结构复杂化特点，对于机械工程的可靠性设计提出了更高的要求。具体来讲，可靠性主要是指在特定要求的状态下，产品能够实现特定功效的水平。在机械制造领域中，生产单位要想生产出符合客户需求的产品，首先应当展开细致的规划设计，对于产品设计过程中潜在的问题要进行严格的控制，从而有效提升其稳定性，实现预期的目标。 然而，从我国机械制造业的发展历程来看，相较于一些发达国家而言，我国机械制造业的起步较晚，仍然存在着一定的差距。在此背景下，与机械制造相关的可靠性分析工作同样进展的比较缓慢。自二十世纪八十年代以后，我国在机械制造方面有了一定程度的突破，并成立了专门的研究机构。从总体上来看，对于机械工程可靠性优化设计研究的重点主要在于理论方面。然而，从实践的角度出发可以发现，在机械工程生产过程中运用理论来解决实际问题的现象比较少见。因此，侧重于理论层面的机械工程可靠性优化设计与研究，是存在很大的局限性的，对于我国机械工程可靠性优化设计构成了比较严重的制约。 2 可靠性研究的发展过程 可靠性设计与分析作业 学号：071130123 姓名：向正平一、指数分布的概率密度函数、分布函数、可靠度函数曲线 （1）程序语言 t=(0:0.01:20); Array m=[0.3,0.6,0.9]; linecolor=['r','b','y']; for i=1:length(m); f=m(i)*exp(-m(i)*t); F=1-exp(-m(i)*t); R=exp(-m(i)*t); color=linecolor(i); subplot(3,1,1); title('指数函数概率密度函数曲线'); plot(t,f,color); hold on subplot(3,1,2); title('指数函数分布函数函数曲线'); plot(t,F,color); hold on subplot(3,1,3); title('指数指数分布可靠度函数曲线 plot(t,R,color); hold on end （3）指数分布的分析 在可靠性理论中，指数分布是最基本、最常用的分布，适合于失效率为常数 的情况。指数分布不但在电子元器件偶然失效期普遍使用，而且在复杂系统和整 机方面以及机械技术的可靠性领域也得到使用。 有图像可以看出失效率函数密度f(t)随着时间的增加不断下降，而失效率随 着时间的增加在不断的上升，可靠度也在随着时间的增加不断地下降，从图线的 颜色可以看出，随着m的增加失效率密度函数下降越快，而可靠度的随m的增加 而不断的增加，则失效率随m的增加减小越快。 在工程运用中，如果某零件符合指数分布，那么可以适当增加m的值，使零 件的可靠度会提升，增加可靠性。 二、正态分布的概率密度函数、分布函数、可靠性函数、失效率函数曲线 （1）程序语言 t=-10:0.01:10; m=[3,6,9]; n=[1,2,3]; linecolor=['r','b','y']; 脆断体（高、低周疲劳）的剩余寿命计 算 课程名称：机械结构强度与可靠性设计 专业：机械设计及理论 年级：2013级 完成时间：2014-05-02 文章是对脆断体（高周疲劳和低周疲劳）的剩余寿命计算的一个综述。对 于机械零件的寿命计算，尤其是对于断裂件（含裂纹体）的剩余寿命计算，正确估算裂纹体的剩余疲劳寿命估算，能够有效的保证重要零件的合理检修要求，能够很好的创造好经济条件。一般对于高周疲劳，无裂纹寿命N 1是主要的，它占了总寿命N （N=N 1+N c ）中的主要部分，而裂纹扩展寿命N c 短，因此高周疲劳中往往只按初始裂纹尺寸来估算N e 值。但对于低周疲劳中总寿命中N c 占主要部分，N 1 很小。与疲劳裂纹扩展速度相关的物理量有应力强度因子幅值ΔK I 和其他量。疲劳裂纹的扩展速度：疲劳条件下的亚临界裂纹扩展速率是决定零部件疲劳破坏寿命的特性指标之一。 剩余寿命的时间是指初始裂纹a 0到临界裂纹尺寸a c 的时间。零件在变应力作用下，初始裂纹a 0会缓慢产生亚临界扩展，当它达到临界裂纹尺寸a c 时，就会发生失稳破坏。裂纹体在变应力作用下的裂纹扩展速率与应力场裂纹尺寸和材料特性的关系。ΔK I —控制疲劳裂纹扩展速度的主要力学参量，试验指出控制盘疲劳裂纹扩展速度的主要力学参量是应力强度因子幅值ΔK I 。da/dN 与ΔK I 的关系曲线表明了材料在无害环境中疲劳裂纹的扩展速度与应力强度因子幅值的关系。 ① 区间I ： da/dN=0处，有ΔKth ，称为界限应力强度因子幅值。 当ΔK I ≤ΔKth 时，裂纹不扩展，稳定状态 当ΔK I ≥ΔKth 时，裂纹开始扩展，ΔKth 是判断构件是否会发生裂纹亚临界扩 实现机械工程的可靠性优化设计参考文本 In The Actual Work Production Management, In Order To Ensure The Smooth Progress Of The Process, And Consider The Relationship Between Each Link, The Specific Requirements Of Each Link To Achieve Risk Control And Planning 某某管理中心 XX年XX月 实现机械工程的可靠性优化设计参考文 本 使用指引：此安全管理资料应用在实际工作生产管理中为了保障过程顺利推进，同时考虑各个环节之间的关系，每个环节实现的具体要求而进行的风险控制与规划，并将危害降低到最小，文档经过下载可进行自定义修改，请根据实际需求进行调整与使用。 自改革开放之后，中国的工程机械行业得到了前所未 有的发展，经过30多年的不懈努力，机械工程制造业取得 了巨大的发展成果，在国民经济中占有很大的比重。在机 械工程行业里面，对其可靠性进行优化设计是十分必要 的。在本文中，深入探讨了工程机械可靠性优化设计中的 问题，以便参考。 现代社会，科学技术的发展已不可同日而语，人们不 仅对多功能产品的强烈需求，还希望多功能产品的各项能 力非常突出。以提高产品的功能可靠性为目的，促使了产 品产品的可靠性优化设计应运而生，从其概念的产生到如 今，得到了迅速发展和广泛使用。在开展工程机械产品的 设计时，需要把可靠性理论和技术融合起来，并依据具体的要求，可以优先考虑产品的可靠性;在延误开发时间，增加成本和性能的前提下，使工程机械产品的设计尽量满足可靠性的要求。由于可靠性设计是一个跨多学科，多技术的新兴技术，所以可靠性的设计涉及诸多问题。 1.机械工程设计的可靠性常用方法 1.1.鲁棒设计方法 这种设计方法主要是降低产品的敏感性。使产品的性能不会因为制造期间在变异或是使用环境的变化而变得不稳定，并且让产品在额定的使用期限内，不会因为产品的结构发生变化，参数变动，系统老化等问题而影响到工作的设计方法。该方法是基于统计分析为基础由日本的机械设计师田口玄一提出的，它根据产品的可用性对用户造成多大的经济损失来判断设计的可靠，这是它的基本原理，其中的损失通常是可靠的用户流失的可用性正比于产品的 4．6 可靠性设计的基本概念与方法 一、结构可靠性设计概念 1．可靠性含义 可靠性是指一个产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力；而一个工业产品(包括像飞机这样的航空飞行器产品)由于内部元件中固有的不确定因素以及产品构成的复杂程度使得对所执行规定功能的完成情况及其产品的失效时间(寿命)往往具有很大的随机性，因此，可靠性的度量就具有明显的随机特征。一个产品在规定条件下和规定时间内规定功能的概率就称为该产品的可靠度。作为飞机结构的可靠性问题，从定义上讲可以理解为：“结构在规定的使用载荷／环境作用下及规定的时间内，为防止各种失效或有碍正常工作功能的损伤，应保持其必要的强刚度、抗疲劳断裂以及耐久性能力。”可靠度则应是这种能力的概率度量，当然具体的内容是相当广泛的。例如，结构元件或结构系统的静强度可靠性是指结构元件或结构系统的强度大于工作应力的概率，结构安全寿命的可靠性是指结构的裂纹形成寿命小于使用寿命的概率；结构的损伤容限可靠性则一方面指结构剩余强度大于工作应力的概率，另一方面指结构在规定的未修使用期间内，裂纹扩展小于裂纹容限的概率．可靠性的概率度量除可靠度外，还可有其他的度量方法或指标，如结构的失效概率F(c)，指结构在‘时刻之前破坏的概率；失效率^(()．指在‘时刻以前未发生破坏的条件下，在‘时刻的条件破坏概率密度；平均无故障时间MTTF(MeanTimeToFailure)，指从开始使用到发生故障的工作时间的期望值。除此而外，还有可靠性指标、可靠寿命、中位寿命，对可修复结构还有维修度与有效度等许多可靠性度量方法。 2．.结构可靠性设计的基本过程与特点 设计一个具有规定可靠性水平的结构产品，其内容是相当丰富的，应当贯穿于产品的预研、分析、设计、制造、装配试验、使用和管理等整个过程和各个方面。从研究及学科划分上可大致分为三个方面。 (1)可靠性数学。主要研究可靠性的定量描述方法。概率论、数理统计，随机过程等是它的重要基础。 (2)可靠性物理。研究元件、系统失效的机理，物理成固和物理模型。不同研究对象的失效机理不同，因此不同学科领域内可靠性物理研究的方法和理论基础也不同． (3)可靠性工程。它包含了产品的可靠性分析、预测与评估、可靠性设计、可靠性管理、可靠性生产、可靠性维修、可靠性试验、可靠性数据的收集处理和交换等．从产品的设计到产品退役的整个过程中，每一步骤都可包含于可靠性工程之中。 由此我们可以看出，结构可靠性设计仅是可靠性工程的其中一个环节，当然也是重要的环节，从内容上讲，它包括了结构可靠性分析、结构可靠性设计和结构可靠性试验三大部分。结构可靠性分析的过程大致分为三个阶段。 一是搜集与结构有关的随机变量的观测或试验资料，并对这些资料用概率统计的方法进行分析，确定其分布概率及有关统计量，以作为可靠度和失效概率计算的依据。 机械工程的可靠性优化设计探讨 自从进入到新的发展时期之后，我们大力发展机械制造业，获取了非常显著的成就。作为国家经济的关键构成要素，机械项目的可靠性设计开始被人们广泛关注。文章具体分析了该设计的特征以及要注意的要点和存在的缺陷等等。 标签：机械工程；可靠性；优化设计 1 产品可靠性设计的现状和研究背景 1.1 产品可靠性设计的现状 因为受到过去的很多问题的干扰，我们国家的机械制造行业发展得不是很好，尤其是比对西方国家来看，差距更是明显。与之相关的可靠性分析工作更是发展得非常缓慢。一直到1980年之后，我们国家才在這方面有了一定的突破，而且还成立了专门研究机构，培养了许多优秀的工作者。不过从总的层面上来看，此类研究过分地看重理论层面的内容，没有注重发展实践，和西方国家比对来看还是有着很多的差异。 1.2 产品可靠性设计的研究背景 由于社会不断发展，科技一直进步，此时产品更新的速度也在加快。在这种背景之下，人们可以随意地选择多种类型的产品，而且此时人们更加地关注它们的可靠性特点，因此就出现了可靠性设计这个理念。由于科技发展速度不断加快，此时生产出的产品的结构也开始朝着复杂化发展。工作者们开始将各种优秀的工艺运用到生产工作之中，此时得到的产品也更加复杂，它们的更新速度也较之于以往加快了很多。当我们开展设计工作的时候，要积极深化，不断完善。当我们制造出一类商品以后，并不是直接的投入市场，先要接受试验，当测试性能等达标之后才可以将其投放市场。之所以要对其试验，是因为许多产品本身并不是很可靠，有一些设计或是工艺等层面的问题。所以，作为生产单位在生产产品的时候，先要展开细致的规划设计，将潜在的问题控制住，进而提升其稳定性，实现预期目的。因此在这种背景之下，可靠性设计工作就开始被人们所熟知。具体来讲，可靠性指的是产品在要求的状态之下，实现特定功效的水平。我们可将特定零件看成是测试对象，也可以将某个系统或是装备等当成是测试对象。在具体的开展设计工作的时候，在符合功效以及时限等的规定的背景之下，确保产品的稳定性符合人们的要求，这即是可靠性设计。它牵扯的范围非常广，不但涵盖传统技术，还涵盖环境工程以及电脑等等。 2 可靠性的发展过程 人类最初开始分析可靠性工艺已经是七十年之前的事情了。通过分析它的发展历程我们可以将其分成三个时期。第一，初期探索时期：在二战中，英美等国家的很多重要武器在作战的时候经常发生机械问题，这就会影响作战，从那时开 改进的全局优化算法求解概率约束空间内最大可靠性问题（A Modified Efficient Global Optimization Algorithm for Maximal Reliability in a Probabilistic Constrained Space 2009） 论文指出，大部分研究者假设可靠性水平是由过去的经验或者其他的设计注意事项得出，而没有研究约束空间，因此很可能会得到不准确的目标可靠性水平，它将会得出没有价值的结果。作者利用改进的全局优化算法，研究了概率约束空间的最大可靠性。通过反复地构建和完善Kriging 模型，该算法能够在非连续可行域以很大的可靠水平得出全局最优解。提出了一种加密取样规则，以迫使添加的样本在边界上，通过Monte Carlo 模拟从而提高概率约束估计的准确性，这种极限状态的加密取样规则结合现有的加密取样规则形成了一种启发式方法，该方法能够有效地改善Kriging 模型。对于功能昂贵或可行域不连续的优化设计问题，比如可靠性优化问题，提出的方法在求解方面好于现有的梯度方法或直接搜索方法。应用该方法求解了一些例子。 一种基于罚函数的算法求解可靠性优化设计（An accurate penalty-based approach for reliability-based design optimization 2009） 论文指出，大部分可靠性优化设计方法问题可以分为以下两种：一种和可靠性分析有关，另一种和优化有关。传统方法将可靠性分析作为内循环，将优化作为外循环。然而传统方法计算量太大，这推动着最近的研究集中在，将内外循环合成为一个确定性的优化问题。作者提出了一种新的计算方法，该方法能够按顺序执行这两个循环。首先求解一个确定性优化问题，以大致确定模糊设计变量的平均值；在确定变量的平均值之后，开始执行可靠性分析；随着惩罚因子添加到每个极限状态函数以提高迭代求解的性能，一个新的确定性优化问题被重新建立。在其它关于此课题的研究中，使极限状态函数线性化，这将使结果有很大的误差。 可靠性和维修性设计 Prepared on 22 November 2020 第六章可靠性和维修性设计 可靠性和维修性是产品的固有属性，它们由设计所决定。 “产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的。” 第一节可靠性设计 一、可靠性设计的内容或程序 1.可靠性设计：“赋予产品可靠性为目的进行的设计”或 “用最少的费用设计出所要求的可靠性， 并使其得以保持的一系列程序” 2.可靠性设计的两种情况 ◇根据给定的可靠性目标值进行设计 如对可靠性有特殊要求的新产品的设计开发， 要求在设计阶段能定量地预测和评估产品的可靠性。 典型的设计程序如下图所示。 ◇在原型基础上的改进设计 保留设计部分：根据原型产品使用数据和经验反馈， 针对薄弱环节应用可靠性设计方法加以改进提高， 达到可靠性增长的目的。 功能扩充部分：应重点进行可靠性的分析和预测， 以保证达到要求的可靠性指标。 二、可靠性设计方法 1.概率设计方法 应力-强度干涉模型 和FMECA 三、可靠性设计准则 1.简单化和标准化：减少零部件发生失效的概率。 ◇减少零部件的规格和数量 ◇简化结构 ◇采用成熟或标准化的零部件或元器件 2.零部件或元器件的选择和控制 ◇供应商的控制 ◇使用有良好使用纪录或试验数据的零部件或元器件 ◇零部件或元器件的进厂检验 ◇储存环境控制 2.冗余设计：工作储备或非工作储备系统 如重要系统的备用电源、汽车的备用轮胎及两个前灯等。 ◇在较低层次而非较高层次上使用硬件冗余 ◇采用冗余技术时，应注意避免诸冗余硬件的共因失效 如诸冗余硬件共用一个电源或同一通信通道。 ◇采用的元器件可靠性不高时，应优先考虑应用冗余技术 ◇构成冗余所必需的差错比较检测器、切换装置或开关应是高可靠性的3.降额设计：使零部件或元器件的工作应力小于额定应力或 提高零部件或元器件承载能力的安全裕度， 以降低零部件或元器件的失效概率。 4.失效安全设计：当系统的一部分发生失效时， 依靠系统的自身结构而确保系统安全的设计。 如压力表的防暴塞等。 实现机械工程的可靠性 优化设计 集团企业公司编码：（LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289- 实现机械工程的可靠性优化设计自改革开放之后，中国的工程机械行业得到了前所未有的发展，经过30多年的不懈努力，机械工程制造业取得了巨大的发展成果，在国民经济中占有很大的比重。在机械工程行业里面，对其可靠性进行优化设计是十分必要的。在本文中，深入探讨了工程机械可靠性优化设计中的问题，以便参考。 现代社会，科学技术的发展已不可同日而语，人们不仅对多功能产品的强烈需求，还希望多功能产品的各项能力非常突出。以提高产品的功能可靠性为目的，促使了产品产品的可靠性优化设计应运而生，从其概念的产生到如今，得到了迅速发展和广泛使用。在开展工程机械产品的设计时，需要把可靠性理论和技术融合起来，并依据具体的要求，可以优先考虑产品的可靠性;在延误开发时间，增加成本和性能的前提下，使工程机械产品的设计尽量满足可靠性的要求。由于可靠性设计是一个跨多学科，多技术的新兴技术，所以可靠性的设计涉及诸多问题。 1.机械工程设计的可靠性常用方法 1.1.鲁棒设计方法 这种设计方法主要是降低产品的敏感性。使产品的性能不会因为制造期间在变异或是使用环境的变化而变得不稳定，并且让产品在额定的使用期限内，不会因为产品的结构发生变化，参数变动，系统老化等问题而影响到工作的设计方法。该方法是基于统计分析为基础由日本的机械设计师田口玄一提出的，它根据产品的可用性对用户造成多大的经济损失来判断设计的可靠，这是它的基本原理，其中的损失通常是可靠的用户流失的可用性正比于产品的功能和目标，简单而言就是损失越多说明偏差越大，从侧面反映出产品的质量不过关，减小偏差则是提高产品质量的有效办法，大多是通过严格控制材料和生产工艺，以达到最大限度地减少错误的目的。然而，这种方法的缺点同样十分明显，经费相对昂贵以及技术太过复杂，难以完成。经过人们不断的摸索和实验，提高自身的抗干扰能力已成为此方法的主要途径，此方法的途径也非常的多，它是将很多的办法融合起来。良好的机械强度会比较高增强产品的可靠性。 1.2.降额设计 这个方法是当产品工作时其零件所受的应力都在其额定范围之内，为了达到降低应力的目的可以使零部件的所承受的应力降低或是提高零部件的质量。根据大量的工程实践表明，机械故障率非常低的产品其机械零件都是在低于其设定的工作压力之下进行工作的，而可靠性也随之升高。为了找到最好的降额办法，就需要不断的进行反复的实验。这是就 模糊 3.1概述 一般工程设计问题都存在多种可能设计方案。人们在进行设计工作时，对各种可能方案进行分析比较，最后选取其中最为满意的方案(或者说优化的方案)，这就是优化问题。它是人们在长期生产实践和理论研究中一直不断探索的一个课题。 但由于事物差异之间的中介过渡过程所带来的事物普遍存在的模糊性，由于研究对象的复杂化必然要涉及种种模糊因素。这些都必然使优化设计涉及种种模糊因素。而可靠性优化方法对这些模糊因素缺乏有效的处理手段，人为地将这些模糊量作非此即彼的二值假设，忽视了中间过渡过程的客观存在，在优化空间中产生盲区，导致寻优过程中遗漏更切合实际的最优解，有时甚至陷入困境。 如何反映优化设计中客观存在的模糊性，这正是模糊优化所要解决的问题。 3.2模糊可靠性优化设计理论 3.2.1数学模型 普通优化问题一般表述为: m in ().. ()01,2,...()0 1,2,...i j F x s t g x i m h x j k ≥=== （3－1） 上式中的不等式约束()0i g x ≥，等式约束()0j h x =都满足{0，1}二值定律 即: （ 3－2 ） 这是分明集中建立的优化模型，称之为普通优化问题。 一般模糊优化设计的数学模型及分类: 模糊优化设计包括建立数学模型和应用计算机优化程序求解这样两个方面的内容。如何从实际问题中抽象出正确的数学模型，是工程模糊优化设计的关键之一，也是工程设计人员进行模糊优化设计的首要任务。 与常规优化设计一样，目标函数、约束条件和设计变量是模糊优化设计数学模型的三要素: （一）目标函数： 目标函数是衡量设计方案优劣的某一个指标或某几个指标。寻找优化设计方案的目的，就是追求重量最轻，造价、维修费用最小，或可靠性最高或其他性能指标最优。由于方案的“优”与“劣”本身就是一个模糊概念，没有明确的界限和标准，特别是多目标优化问题，往往只能得到满意解。因此，一般的说，目标函数是模糊的，记为()f x （二）约束条件： 设计中并非所有方案都是可行的，可行方案必须满足设计规范和标准中所规定的条件或其他条件。这些条件，大致上可分为三类: 机械产品可靠性设计综述 一、可靠性设计的基本概念 可靠性设计的定义： 定义1：对系统和结构进行可靠性分析和预测，采用简化系统和结构、余度设计和可维修设计等措施以提高系统和结构可靠度的设计。 定义2：为了满足产品的可靠性要求而进行的设计。 可靠性设计即根据可靠性理论与方法确定产品零部件以及整机的结构方案和有关参数的过程。设计水平是保证产品可靠性的基础。 可靠性设计是产品的一个重要的性能特征，产品质量的主要指标之一，是随产品所使用时间的延续而在不断变化的。可靠性设计的任务就是确定产品质量指标的变化规律，并在其基础上确定如何以最少的费用以保证产品应有的工作寿命和可靠度，建立最优的设计方案，实现所要求的产品可靠性水平。 可靠性问题的研究是因处理电子产品不可靠问题于第二次世界大战期间发展起来的。可靠性设计用在机械方面的研究始于20世纪60年代，首先应用于军事和航天等工业部门，随后逐渐扩展到民用工业。 可靠性设计的一个重要内容是可靠性预测，即利用所得的资料预报一个零件、部件或系统实际可能达到的可性，预报这些零部件或系统在规定的条件下和在规定时间内完成规定功能的概率。在产品设计的初期阶段，及时完成可靠性预测工作，可以了解产品各零部件之间可靠性的相互关系，找出提高产品可靠性的有效途径。 二、可靠性设计的基本原理 （1）选择设计方案时尽量不采用还不成熟的新系统和零件，尽量采用已有经验并已标准化的零部件和成熟的技术。 （2）结构简化，零件数削减。如日本横河记录仪表10年中无件数削减30%，大大提高了可靠性。 （3）考虑功能零件的可接近性，采用模块结构等以利于可维修性。 （4）设置故障监测和诊断装置，保证零件部设计裕度（安全系数/降额）。 （5）必要时采用功能并联、冗余技术。如日本的液压挖掘机等，采用双泵、双发动机的冗余设计。 （6）失效安全设计（Failure Safe），系统某一部分即使发生故障，但使其限制在一定范围内，不致影响整个系统的功能。 （7）安全寿命设计（Safe Life），保证使用中不发生破坏而充分安全的设计。例如对一些重要的安全性零件如汽车刹车，转向机构等要保证在极限条件下不能发生变形、破坏。 （8）加强连接部分的设计分析，例如选定合理的连接、止推方式。考虑防振，防冲击，对连接条件的确认。 （9）可靠性确认试验，在没有现成数据和可用的经验时，这是唯一的手段。尤其机械零部件的可靠性预测精度还很低。主要通过试验确认。 三、可靠性设计的基本方法 为了使设计时能充分地预测和预防故障，把更多的失效经验设计到产品中，因而必须邦助设计人员掌握充分的故障情报资料和设计依据。采取以下措施： 第六章系统设计 6.1 概述 一、系统设计的原则 系统性 灵活性 可靠性 经济性 二、系统设计的主要内容 1、系统总体结构设计 系统总体结构设计包括两方面的内容： 系统网络设计是在此基础上作进一步的详细设计，设计出计算机网络的拓扑结构和计算机资源配置图。系统化分为若干个子系统的工作，在系统分析阶段已经基本完成，但不够详细。 系统模块化结构设计工作是在系统分析阶段对子系统划分的基础上，再进一步地换分，将它逐层的分解成多个大小是党、功能单一、具有一定独立性的模块，以便程序设计工作的进行。 2、代码设计 代码设计就是通过设计合适的代码形式，使其作为数据的一个组成部分，用以代表客观存在的实体、实物和属性，以保证它的唯一性便于计算机处理。 3、数据库（文件）设计 根据系统分析得到的数据关系集和数据字典，再结合系统处理流程图，就可以确定出数据文件的结构和进行数据库设计。 4 、输入/ 输出设计 输入/输出设计主要是对以纪录为单位的各种输入输出报表格式的描述，另外，对人机对话各式的设计和输入输出装置的考虑也在这一步完成。 5 、处理流程设计 处理流程设计是通过系统处理流程图的形式，将系统对数据处理过程和数据在系统存储介质间的转换情况详细地描述出来。在设计中，它要与系统模块化结构设计结合起来，以模块化结构设计为参考。一般来说，每一个功能模块都应设计一个处理流程。 6、程序流程设计 程序流程设计是根据模块的功能和系统处理流程的要求，设计出程序模框图，为程序员进行程序设计提供依据。在这一步中，也可以使用判定表或者程序结构模块突来代替程序框图。 7 、系统设计文档 系统设计文档包括三部分内容： 系统标准化设计：是指各类数据编码要符合标准化要求，对数据库（文件）命名、功能模块命名也要标准化。另外，为了保证系统安全可靠运行，还要对数据进行保密设计，对系统进行可靠性设计。 描述系统设计结果：是指系统设计说明书，程序设计说明书，系统测试说明书以及各种图表等，要将他们汇集成册，交有关人员和部门审核批准。 拟定系统实施方案：是在系统设计结果得到有关人员和部门认可之后，拟定系统实施计划，详细地确定出实施阶段的工作内容、时间和具体要求。 三、系统设计的步骤 1、系统总体设计，其中包括： 系统总体布局方案的确定 软件系统总体结构设计 数据存储的总体设计 计算机和网络系统方案的选择 2、详细设计，其中包括： 代码设计 数据库设计 龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/6461185.html, 机械工程的可靠性优化设计分析 作者：刘峰王庆鑫赵秉祝 来源：《装饰装修天地》2020年第01期 摘; ; 要：随着我国经济技术的快速发展，人们对机械工程提出了更高的要求，机械工程产品应用广泛，对产品可靠性有较高要求，需要从多角度出发，对产品可靠性进行优化设计。首先对机械工程产品可靠性设计现状进行分析，探讨机械工程产品可靠性设计存在的不足。在此基础上，研究机械工程产品可靠性优化设计要点，提出几点具体的优化方法，以期促进其产品质量水平的提升。 关键词：机械工程;产品可靠性;优化设计 1; 引言 我国机械工程制造业发展较快，产品质量水平不断提升，已经进入良性发展期。但是在机械工程产品设计中，由于未能处理好产品功能扩展与可靠性要求的关系，导致产品可靠性存在不足，容易对产品使用安全造成一定影响。针对这种问题，应在提升产品可靠性设计重视度的基础上，采取有效的优化措施，为产品可靠性提供保障。 2; 机械工程可靠性优化的现状 我国机械工程制造业发展的起步较晚，在上世纪80年代时，才在产品可靠性设计方面取得一定突破。随着国内机械工程产品可靠性研究组织机构的相继成立，加快了我国产品可靠性设计的标准化进程，对于推动机械工程制造业发展做出了重要贡献。但客观而言，我国机械工程产品可靠性研究仍落后与西方发达国家，现有研究成果也偏重于理论，在实际生产领域的应用较少。从机械工程实践情况来看，由于缺少产品可靠性的优化设计经验，难以根据机械工程产品的实际用途、功能性能特点，对产品可靠性作出有效优化。或因产品可靠性优化设计周期较长，影响了实际工程进程。再加上成本等方面的客观限制条件，导致部分产品可靠性不足，容易影响机械工程产品的运行安全性和稳定性。针对这种状况，必须提高对机械工程产品可靠性设计的重视，同时应明确机械工程产品可靠性设计优化应贯穿于工程实践的全过程中，与产品制造、安装、使用及维修紧密结合起来，不断积累经验，提高机械工程产品可靠性设计水平。 3; 机械工程的可靠性优化设计原理 3.1; 机械可靠性定量设计方法 第六章：机电一体化系统的现代设计方法 一、教学建议 ●通过文字教材了解机电一体化系统的现代设计方法； ●流媒体课件中介绍了各种常用的机电一体化系统的现代设计方法； ●科学技术的发展和对产品要求的不断提高，使得设计新理论、新方法、新技术不断涌现。建议同学们在学习本知识点的过程中，应结合生产实际，熟悉各种现代设计方法。 ●在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有什么疑惑，也可以在课程论坛寻找帮助。 二、教学要求：了解机电一体化系统的现代设计方法 1．可靠性设计 可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。通常用“概率”表示“能力”来实现可靠性指标的量化。可靠性评价的指标体系主要包括五个方面：可靠性、维修性、有效性、耐久性和安全性。 （1）机电一体化系统的可靠性设计 现代机械系统可靠性设计包括缩短传动链，减少元件数；必要时增设备用元件或系统；简化结构；增加过载保护装置、自动停机装置；设置监控系统；合理规定维修期。 （2）控制系统可靠性设计 控制系统可靠性设计包括： ●采用自动控制使产品具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能； ●通过元器件的合理选择提高可靠性； ●对功率接口采用降额设计提高可靠性； ●采用监视定时器提高可靠性； ●采取抗干扰措施提高可靠性。 （3）软件的可靠性技术 软件的可靠性技术，大致包含利用软件提高系统可靠性和提高软件可靠性两方面的内容。 2．优化设计 优化设计可明确定量优化的目标，科学地建立优化数学模型，在计算机上完成寻优，这样就能从本质上提高设计水平，缩短设计周期，有利于产品的更新和提高市场竞争能力。机电一体化系统优化设计需要以数学规划为核心，以计算机为工具，向着多变量、多目标、高效率和高精度的方向发展，使之成为机电产品的开发、创新的强有力的现代设计手段。 优化设计的一般步骤为：建立数学模型、选择合适的优化算法及程序、通过计算机进行优化设计，得出最优化设计方案、对优化得出的方案进行评价决策。 3．反求设计 反求设计是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员的设计经验、知识和创新思维，对已有的产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理、零部件的设计参数、材 实现机械工程的可靠性优化设 计(最新版) Security technology is an industry that uses security technology to provide security services to society. Systematic design, service and management. ( 安全管理 ) 单位：______________________ 姓名：______________________ 日期：______________________ 编号：AQ-SN-0217 实现机械工程的可靠性优化设计(最新版) 自改革开放之后，中国的工程机械行业得到了前所未有的发展，经过30多年的不懈努力，机械工程制造业取得了巨大的发展成果，在国民经济中占有很大的比重。在机械工程行业里面，对其可靠性进行优化设计是十分必要的。在本文中，深入探讨了工程机械可靠性优化设计中的问题，以便参考。 现代社会，科学技术的发展已不可同日而语，人们不仅对多功能产品的强烈需求，还希望多功能产品的各项能力非常突出。以提高产品的功能可靠性为目的，促使了产品产品的可靠性优化设计应运而生，从其概念的产生到如今，得到了迅速发展和广泛使用。在开展工程机械产品的设计时，需要把可靠性理论和技术融合起来，并依据具体的要求，可以优先考虑产品的可靠性;在延误开发时间，增加成本和性能的前提下，使工程机械产品的设计尽量满足可靠性 的要求。由于可靠性设计是一个跨多学科，多技术的新兴技术，所以可靠性的设计涉及诸多问题。 1.机械工程设计的可靠性常用方法 1.1.鲁棒设计方法 这种设计方法主要是降低产品的敏感性。使产品的性能不会因为制造期间在变异或是使用环境的变化而变得不稳定，并且让产品在额定的使用期限内，不会因为产品的结构发生变化，参数变动，系统老化等问题而影响到工作的设计方法。该方法是基于统计分析为基础由日本的机械设计师田口玄一提出的，它根据产品的可用性对用户造成多大的经济损失来判断设计的可靠，这是它的基本原理，其中的损失通常是可靠的用户流失的可用性正比于产品的功能和目标，简单而言就是损失越多说明偏差越大，从侧面反映出产品的质量不过关，减小偏差则是提高产品质量的有效办法，大多是通过严格控制材料和生产工艺，以达到最大限度地减少错误的目的。然而，这种方法的缺点同样十分明显，经费相对昂贵以及技术太过复杂，难以完成。经过人们不断的摸索和实验，提高自身的抗干扰能力已浅谈机械工程的可靠性优化设计
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