趙啟焱 羅明生 黃 超

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

機(jī)械設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的過(guò)程是“設(shè)計(jì)——分析評(píng)價(jià)——再設(shè)計(jì)”的反復(fù)迭代、不斷優(yōu)化的過(guò)程，即第一步要依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)工作的任務(wù)要求，采用調(diào)查研究和搜集資料的工作，參考或比照相似的任務(wù)或者較為成熟已完成的的設(shè)計(jì)方案，憑借設(shè)計(jì)工作者的工作經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合想用的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，擬定一個(gè)初始的試用方案，并通過(guò)對(duì)方案的初步估算以確定有關(guān)參數(shù)，并評(píng)價(jià)方案的合理性和使用價(jià)值，當(dāng)某些結(jié)果與任務(wù)要求不相符合時(shí)，就需要修改試用方案或者重新設(shè)計(jì)一個(gè)新的試用方案，然后繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程;如此多次反復(fù)，直到獲得滿(mǎn)意的設(shè)計(jì)方案，整個(gè)設(shè)計(jì)活動(dòng)才算完成了初始的部分，之后還要根據(jù)制造出的產(chǎn)品和具體使用情況和用戶(hù)的反饋來(lái)繼續(xù)對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn)。顯然，這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是人工試湊分析的過(guò)程，這樣的設(shè)計(jì)工作帶有一定的盲目性，需要花費(fèi)較多的設(shè)計(jì)時(shí)間，增長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期，而且由于人工的時(shí)間和效率的限制，往往只能在很有限的幾個(gè)方案中進(jìn)行分析和選擇。在這種情況下，設(shè)計(jì)周期十分漫長(zhǎng)，極大地限制了設(shè)計(jì)活動(dòng)的效率;因此，實(shí)現(xiàn)某種程度的設(shè)計(jì)自動(dòng)化，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，就成為機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的迫切需要，正是在這樣的需求下產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，即機(jī)械設(shè)計(jì)CAD技術(shù)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要內(nèi)容之一;一般工程設(shè)計(jì)都有多種可行方案，而根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求從中選取最優(yōu)方案是設(shè)計(jì)工作的首要任務(wù)，但長(zhǎng)期以來(lái)，機(jī)械設(shè)計(jì)工作者一直沿用著經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比的設(shè)計(jì)方法，直至當(dāng)今這種方法仍舊占據(jù)著主要的地位。而機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)過(guò)程中存在著大量的計(jì)算，所以必須與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合。

而機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)則是可靠性工程的一個(gè)重要分支;制造的產(chǎn)品能否正常使用，其可靠度很大程度上取決于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，這也就是為何需要發(fā)展可靠性設(shè)計(jì);然而可靠性設(shè)計(jì)的目標(biāo)只限于確?；蝾A(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件下和規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，即確保產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn);除此之外無(wú)法保證設(shè)計(jì)方案具有最優(yōu)的參數(shù)和工作性能，最低的成本和最大的效益。因此，采用可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法，將可靠性設(shè)計(jì)理論與最優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來(lái)，才能達(dá)到可靠且最有的設(shè)計(jì)方案。這就形成了一種新的設(shè)計(jì)方法，即可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法。

可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容包括三個(gè)方面。(1)系統(tǒng)可靠性的最優(yōu)分配：以系統(tǒng)達(dá)到要求的可靠度為約束，將系統(tǒng)的可靠度以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的方法分配給子系統(tǒng)和零部件，使系統(tǒng)的成本費(fèi)用等指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。(2)以可靠度最大為目標(biāo)的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)：目標(biāo)函數(shù)是由產(chǎn)品的可靠度最大來(lái)建立，以產(chǎn)品的功能或經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)作為約束條件。(3)以可靠度為約束條件的可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)：以可靠度和某些設(shè)計(jì)指標(biāo)如功能參數(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等作為約束，以另一些指標(biāo)如成本、體積及質(zhì)量為目標(biāo)，建立可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型并求其最優(yōu)解。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的今天，基于機(jī)械CAD技術(shù)的機(jī)械可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)將是未來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展方向;機(jī)械CAD技術(shù)在可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要將體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

(1)標(biāo)準(zhǔn)化和信息集成化

在可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)中各種設(shè)備和參數(shù)必須遵從統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能使設(shè)計(jì)工作有序進(jìn)行，同時(shí)在可靠性設(shè)計(jì)中，各種可靠度的取得都是建立在龐大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的，所以只有將設(shè)計(jì)所需要的信息集成于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，才能更好的服務(wù)于設(shè)計(jì)工作。

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化

當(dāng)進(jìn)行大型的機(jī)械設(shè)計(jì)工作時(shí)，可能需要多部門(mén)的協(xié)同工作，那么計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)將滿(mǎn)足多用戶(hù)同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取使用，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)化可以極大的促進(jìn)各部門(mén)間的技術(shù)交流和數(shù)據(jù)交換。

(3)智能化

現(xiàn)有的CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中只能處理數(shù)值型的工作，包括計(jì)算、分析與繪圖。然而在設(shè)計(jì)活動(dòng)中存在另一類(lèi)符號(hào)推理型工作，包括方案構(gòu)思與擬定。作家方案選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、決策以及參數(shù)選擇等，這些工作大部分仍需要依靠工作人員來(lái)執(zhí)行。那么繼續(xù)深入研究機(jī)械設(shè)計(jì)型專(zhuān)家系統(tǒng)并盡快將其投入設(shè)計(jì)工作中去是現(xiàn)今的當(dāng)務(wù)之急。

現(xiàn)今的商業(yè)軟件如AutoCAD、AUSYS、Inventor等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)工作中的仿真分析等，然而就未來(lái)的需求來(lái)看，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。必須在此基礎(chǔ)上發(fā)展更智能的專(zhuān)家系統(tǒng)，才可以是設(shè)計(jì)活動(dòng)更加快速可靠。

(4)大型機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中涉及到大量繁復(fù)的迭代計(jì)算，同時(shí)對(duì)于復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)分析也需要強(qiáng)大的計(jì)算能力作為支撐，大型機(jī)的重要性不言而喻，在大型的、復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)工作中離不開(kāi)有著強(qiáng)大配置的大型機(jī)。

常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)中采用安全系數(shù)的方式來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性，因此往往使得產(chǎn)品的可靠度過(guò)大，造成一定程度的浪費(fèi)。而可靠性設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，使得可靠度的分配并不能達(dá)到最優(yōu)化。所以對(duì)某些設(shè)計(jì)問(wèn)題，僅采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法或可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，難以得到理想的設(shè)計(jì)結(jié)果，而可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法正可以將優(yōu)化技術(shù)與可靠性設(shè)計(jì)理論相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短以得到最合適的設(shè)計(jì)方案。而在應(yīng)用可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)中，離不開(kāi)機(jī)械CAD技術(shù)的支持，在設(shè)計(jì)活動(dòng)中，多部門(mén)工作的協(xié)同、數(shù)據(jù)的交互、信息的共享、復(fù)雜的計(jì)算分析等都需要計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為支撐。計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展也將使機(jī)械CAD技術(shù)的作用得到充分的發(fā)揮，使其更多更好的應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)的工作中。

［1］宋保維，王曉娟.系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與分析［M］.西安：西安工業(yè)大學(xué)出版社，2000：143-150.

［2］葉元烈.機(jī)械優(yōu)化理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2001：1-5.