机械可靠性设计

机械可靠性设计发展及现状

概述

机械可靠性设计是指在机械产品的设计过程中，考虑到机械零件在使用过程中可能会产生的各种故障和失效，从而在设计阶段就采取一系列的措施，提高机械产品的可靠性和安全性。

随着制造技术的不断更新和产品创新的不断推进，机械可靠性设计也在不断发展和完善。下面将从机械可靠性设计的发展历程、现状及未来趋势三个方面进行介绍。

发展历程

20世纪70年代，随着可靠性工程理论的出现，机械可靠性设计逐渐从一个经验性的工作转变为一种科学化的工程方法。该方法不仅注重产品的质量，还强调对产品整个生命周期的控制和管理。这一时期，机械可靠性设计主要关注缺陷分析、可靠性试验和寿命预测等方面。

20世纪80年代，随着计算机技术的飞速发展，机械可靠性设计也开始利用计算机辅助设计软件进行优化设计和可靠性评估。同时，机械可靠性设计中开始引入专业的可靠性工具和方法，如贝叶斯分析、Monte Carlo模拟等。

21世纪，机械可靠性设计在计算机技术、制造技术、数据处理等多个方面都得到了广泛应用。通过大量的实验和仿真分析，机械可靠性设计为现代机械产品的研发提供了切实可行的方法。 现状

目前，机械可靠性设计在实际应用中已经得到了广泛的应用，被广泛应用于各行各业。例如，工业生产中的自动化机器人、物流设备、铁路运输设备等，都需要经过可靠性设计的考量，以提高产品的性能和稳定性。

同时，在民用领域，机械可靠性设计也被广泛应用于家电、汽车、医疗设备等领域。在家电领域，例如电视机、洗衣机、冰箱等，机械可靠性设计可以确保产品的使用寿命和稳定性。在汽车领域，机械可靠性设计可以确保汽车的安全性能，提高乘车的安全性和舒适性。

未来趋势

随着人类对机器的需求不断增加，机械可靠性设计也将面临更多的挑战和机遇。在未来的发展中，我们预见到有以下三大趋势：

多学科交叉

在未来的机械可靠性设计中，需要涉及多个学科领域的交叉，例如材料学、工程学、计算机科学等。只有通过多学科的交叉，才能够使机械产品达到最优化的设计。

理论广角２０１４年４月（下）　

机械设计的可靠性分析　

王亚磊陈嘉砷　（沈阳普利达机械设备制造有限公司，辽宁沈阳１１００００）　摘要：随着整个社会机械化程度的大幅度提高，机械设计成为了一个研究热点。可靠性是确保机械设计产品按照规定的标准进行设计．将不安全因素及时去除。　本文主要对机械设计不同阶段的可靠性问题进行分析，说明了一系列加强机械设计可靠性的具体措施。从而迭到实现产品最优化的目的。　关键词：机械设计；可靠性；分析　

机械设计的可靠性用来衡量产品的质　量是否符合标准，产品的性能是否满足要　

求。机械设计分为计划期、方案期、技术期、　编制期和保养期，在机械设计的各个时期都　

要进行可靠性的分析，而且在每一个时期都　

要从各个方面综合进行考虑。只要这样，才　

能真正做到提高机械设计产品的质量。　１机械设计不同阶段的可靠性分析　

１．１计划期可靠性分析　

计划期是整个机械设计的前期准备时　

期，在这一时期，工作人员根据市场的需求　

与顾客的订货信息，参考当前发布的相似产　

品的技术指标，从可靠性、实用性和经济性　

的角度出发进行产品设计。其中，通过对产　品进行可靠性分析，可以发现所设计产品可　

能存在的一些问题，为机械设计的技术设计　

期提供指导。另外，这一时期通过产品的可　

靠性分析也可以找到机械设计中需要改进　

的地方，以便对产品进行再度开发。　１．２方案期可靠性分析　

机械设计的方案期是通过对机械功能　

进行分析，借鉴各种可行性分案的优势，最　

终提出最佳的创新性的设计方案。在这一时　

期，一定要根据机械设计的工作原理图对设　

计方案进行可靠性评价。随着系统内部元件　

复杂度的增加，系统的可靠性会降低，因此，　

为了提高系统的可靠性，就要增加一定量的　

并联系统，但是这样也会造成产品运营成本　

的提升。故最终要通过一定的验算分析来确　

定最终的系统的整体与部分关系，在保证产　

品运营成本合理的条件下增加方案的可靠　性。　１．３技术期可靠性分析　

机械设计技术期是整个机械设计中最　

科学论坛　

ｌ■　Ｃｈｉｎｅ，ｓ￣ｉｅｎｅｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈａｏｌｏｇｙ　Ｒｅｖｉ　

简析机械的可靠性设计　

周广德　

（哈尔滨博实股份有限公司）　

［摘要］粗略介绍了有关机械可靠性的概念以及简单的分析方法　按照现代设计方法流程，通过故障树故障树分析、可靠性预测、参数设计、概率设计以及　可靠性的函数尺度等方法对可靠性设计做了简单分析。通过分析表明，对机械进行可靠性设计分析有助于提高机械产品的使用寿命，更好的对机械产品做整体把　握，从而提高经济效益。　［关键词］现代设计方法可靠性设计　机械产品　中图分类号：ＴＨ１１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—９１４Ｘ（２０１３）０９—００６８—０１　

前言　

可靠性是一门学科，它涉及的范围广泛，是一门综合了系统工程、管理工　

程、价值工程、人机工程、电子计算机技术、产品测试技术以及概率、统计、运筹、　

物理等多种学科成果的应用科学　

机械结构的可靠性仿真算法经过几十年的发展已经比较成熟，大致分为两　

大类：解析方法和抽样方法。解析方法通过寻找和优化设计验算点计算功能函　

数的可靠指标，进一步计算结构的失效概率，解析方法主要包括：一次二阶矩方　

法、二次二阶矩法、响应面法等；抽样方法通过随机变量的抽样计算结构的失效　概率，抽样方法主要包括：直接蒙特卡洛法、半径重要度抽样、自适应重要度抽　

样等。　在确定功能函数的基础上，多次调整不同的变量分布类型、变量的统计特　

性，选择不同的可靠度计算方法，可以使零件的可靠度得到提高，从而提高整个　

组件级、系统级的可靠度。对于同一系统进行不同情况的可靠度分析，可以得到　

系统可靠性的提升，满足设计的要求。　

下面是一些可靠性常用的分布　

１、指数分布；浴盒曲线对应的指数分布为Ｆ（１）＝卜ｅ－＿？ｔ；如何得到这一分　布？　

设产品在ｔ时间内总的失效率Ｆ（０，则：　在ｔ时刻产品的存活率Ｒ（ｔ）＝卜Ｆ（Ｏ；　

在ｔ时刻的失效为ｔ时间内的失效率的导数、即ｆ（ｔ）＝Ｆ’（ｔ）；　

1

基于鞍点估计的机械零部件可靠性灵敏度分析

摘 要

对机械结构来说，可靠性指标一般随材料特性、几何参数、工作环境等不确定性因素变化而减弱，所以结构的可靠度、灵敏度就显得尤为重要，对机械零部件可靠性灵敏度的分析也是亟不可待。

本文利用鞍点估计技术可以无限逼近非正态变量空间中线性极限状态函数概率分布的特点，能有效解决统计资料或实验数据较少而难以确定设计变量的分布规律的问题。将可靠性设计理论、灵敏度分析技术与鞍点逼近理论相结合，以前面可靠性数学模型为基础，系统地推导了基于鞍点估计的可靠性灵敏度公式，讨论了基于鞍点估计法的机械零部件可靠性灵敏度计算问题，为进一步分析机械零部件的可靠性稳健设计奠定了理论基础。

关键词：不确定性 鞍点 灵敏度 可靠性

第一章 绪论

1.1机械可靠性设计理论研究进展

很早以来人们就广泛采用“可靠性”这一概念来定性评价产品的质量问题，这只是靠人们的经验评定产品可靠还是不可靠，并没有一个量的标准来衡量；从基于概率论的随机可靠性到基于模糊理论的模糊可靠性再到非概率可靠性以及最近提出的结构系统概率-模糊-非概率混合可靠性，表明定量衡量产品质量问题的理论方法从产生到现在已有了长足的发展；对于复杂结构的复杂参数由单纯的概率非概率可靠性分析方法发展到可靠性灵敏度分析的各种分析方法，使得这一理论日续丰富和完善，并深入渗透到各个学科和领域。可靠性当今已成为产品效能的决定因素之一，作为一个与国民经济和国防科技密切相关的科学，未来的科技发展中也必将得到广泛的研究和应用。

20世纪初期把概率论及数理统计学应用于结构安全度分析，已标志着结构可靠性理论研究的初步开始。20世纪40年代以来，机械可靠性设计理论有了长足的发展，目前为止己2 经相当成熟，尤其是许多国家幵始研究在结构设计规范中的应用，使机械可靠性设计理论的应用进入一个新的时期。

1.2机械可靠性设计理论研究现状

在实际工程中，不确定因素的存在在所难免，可靠性分析与这些不确定性紧密相关。在过去的几十年中，概率论在各种工业系统的可靠性评估方面获得了巨大的成功，概率可靠性方法成为处理不确定性的最为普遍的方法。但随着科学技术的发展，人们逐渐认识到，除了随机性以外，在工程中还存在着另一类重要信息——模糊信息。所以传统的可靠性方法就是用概率论和模糊理论处理不确定性，但概率可靠性和模糊可靠性模型都需要用较多的数据去定义参数的概率分布或隶属函数，a计算量较大。近年来的有关研究[1]表明，概率可靠性对概率模型参数很敏感,概率数据的小误差可导致结构可靠性计算出现较大误差[2]，说明在没有足够的数据信息描述概率模型时，在主观的假设下概率可靠性计算的结果是不可靠的[3]。模糊性和随机性是不同的两类不确定性，其产牛机理和物理意义均有一定差异，在机械和结构系统的分析和设计中，由于各种因素的影响，常不可避免地同时存在随机的和模糊的不确定性[4]。此时，必须同时考虑随机性和模糊性。对此问题，常用的方法是依据Zadeh提出的模糊概率计算公式[5]，综合考虑功能状态变量的随机分布和模糊隶属情况，给出一确定的失效概率或可靠度值。Ben-Haim首先提出了不用概率定义即非概率的可靠性概念。对于不确定信息的描述，不采用随机变量，不用极限状态函数和概率密度函数，而采用凸集合模型描述，经过分析可得到输出（或响应）的变化范围，将此变化范围与要求的变化范围比较即可得到安全程度的度量指标。非概率可靠性提出后引起了很多人关注。郭书样等[6]基于区间分析，提出一种非概率可靠性度量指标，来衡量不确定参数为区间变量时系统的安全性，并将其用于结构优化，但对于其它凸模型情况，区间算术计算结果趋于保守。邱志平[7]等指出了Ben-Haim鲁棒可靠性准则即响应凸集合与失效凸集合为不相交关系的错误，提出了结构的安全与失效的关系应该对应于凸集合间的偏序关系，这仅仅是基于一种方式对不确定量进行的描述，而计算必须建立在先前的实验数据上，以至该模型也有一定的局限性.曹鸿钧[8]等在区间可靠性指标的基础上，提出一衡量超椭球模型与区间模型并存情况下的非概率可靠性指标由于非概率可靠性指标是用一个极小极大模型定义的，虽然可以采用增广设计变量的方法转化为常规极值问题，但以该指标为设计约束的优化问题求解时仍然十分困难。在结构的分析和设计中，需要合理地定量处理一些影响其性能的不确定性，虽然概率理论在不确定性的处理及可靠性分析方面得到了成功的应用，但不确定性并不等于随机性。不确定性的模拟3 既可以是概率的，也可以是非概率的，同一问题中可能同时含有概率变量和非概率变量。因此，非概率方法及其与概率方法的混合模型[9]的研究也有着重要的理论和实际意义。非概率可靠性并不是完全否认概率可靠性，它是概率可靠性有益的补充，很多研究都在试图将两种方法结合起来对系统性能进行评估。基于结构可靠性分析中的概率可靠性模型和非概率集合可靠性模型，王军等[10]等提出一种新的结构可靠性分析的概率-非概率混合模型，该模型首先将功能函数进行非概率可靠性分析，后将标准化区间变量空间所有区域的可靠度惊喜求和计算，从而给出结果的可靠度。为了有效地处理结构系统的混合可靠性问题，基于模糊随机可靠性模型及非概率集合可靠模型，尼早等[11]建立了结构概率—模糊-非概率混合可靠性模型，该混合可靠性模型为分析和设计决策提供更全面、更真实的有用信息。可靠性设计的精确性和先进性是建立在应力、强度、寿命等数据的真实性、精确性的基础上的，重视试验数据的收集和分析，对设计新产品时有很重大的参考价值。