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【摘要】可靠性設計也被稱為機械概率設計，被廣泛地應用在機械零件結構設計過程中，它建立在傳統(tǒng)的機械設計分析的基礎上。機械零件結構因自身的獨特性，無法象常規(guī)電器元件借助實驗獲取相應可靠性數(shù)據(jù)。因此，為更好地滿足機械零件結構設計的實用需求和規(guī)范性要求，應對其進行可靠性分析。本文先對可靠性進行概述，然后介紹了可靠性分析中的理論依據(jù)，最后探討了機械零件結構設計的可靠性分析中的相關問題，希望能為機械零件結構設計提供一定的參考。

【關鍵詞】機械零件；結構設計；可靠性；分析

很久以來，人們便利用可靠性分析評判產(chǎn)品質量，在初始評判階段，單純地依賴人們的工作經(jīng)驗來評判產(chǎn)品是否可靠，此時并沒有規(guī)范化的衡量指標?？煽啃苑治鰪囊愿怕收摓榛A的隨機可靠性過渡到以模糊理論為基礎的模糊可靠性，又過渡到非概率可靠性，直到今天的混合可靠性，現(xiàn)階段的可靠性主要包含結構系統(tǒng)、模糊以及非概率這三種理論，這表明可靠性發(fā)生了一定的轉變，并取得了進步，對于結構繁瑣的復雜參數(shù)而言，由最初的概率以及非概率可靠性分析到現(xiàn)在的可靠性靈敏度分析，將可靠性分析理論變得日益成熟，并被廣泛地應用到不同領域中。目前，可靠性已經(jīng)成為影響產(chǎn)品效能的主要因素之一，它與國民經(jīng)濟發(fā)展和國防科技緊密相連，具有寬泛的研究范圍和廣闊的應用前景。

一、可靠性概述

機械零件結構設計的可靠性建立在傳統(tǒng)設計之上，將與待設計對象相關的參數(shù)等要素進行一定的處理，使之轉變成隨機變量，參照設計原則構建概率數(shù)學模式，依據(jù)概率論、統(tǒng)計學理論和強度理論，計算出機械零件出現(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，在滿足基本的運行使用要求的同時，還能獲得最理想的設計參數(shù)，這有效填補了常規(guī)設計中的缺陷，并使得設計方案更加真實、可行?，F(xiàn)階段，可靠性設計被大范圍地應用在飛機、汽車等關鍵產(chǎn)品以及機械零件結構設計中，它具有以下特點：

1.人為應力以及強度均屬于隨機變量，在設計的過程依據(jù)不同標準的設計要求，合理選擇相應的特征函數(shù)，除了要考慮均值，還應考慮離散性，通過概率統(tǒng)計方法計算；

2.人為設計的機械產(chǎn)品不可避免地存在失效概率，在實際設計過程中應依據(jù)實際需求提前監(jiān)控失效概率可靠性，全面考慮所有參數(shù)的隨機性和分布規(guī)律，進而準確映射機械零件的實際工作狀態(tài)；

3.可靠性設計分析與普通的安全系數(shù)法相比，更加合理，通過這種設計方法可獲得最理想的設計，而安全系數(shù)法較為保守。由此可知，機械零件結構設計的可靠性分析可獲得較為理想的結構，并節(jié)省材料成本、縮減加工制作時間，為機械加工制造創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。

二、可靠性分析理論

在機械零件結構設計過程中，零件材料的極限應力屬于隨機變量，且該隨機變量服從概率密度函數(shù)，而工作在機械零件危險截面的工作應力也屬于隨機變量，這兩個隨機變量有各自服從的概率密度函數(shù)，然后再借助強度應力理論推算相應的可靠性或者設計出該可靠性條件下的零件外形尺寸?？煽啃苑治鲋幸愿怕收?、統(tǒng)計學等理論知識為基礎，主觀人為因素作用較小，全面綜合了外部環(huán)境變化，與實際生產(chǎn)更加接近，具有廣闊的應用前景。

三、機械結構設計的可靠性分析

在機械產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程中，質量提高、設計理論優(yōu)化、技術改進、設計周期縮短等至關重要，以上內(nèi)容與可靠性緊密相連。可靠性分析貫穿于機械產(chǎn)品設計全過程，這表明可靠性分析已經(jīng)步入實用階段。目前，機械零件結構設計的可靠性分析研究已經(jīng)成為機械制造中的主要研究題目，大量理論文獻有力地證實機械零件結構設計的可靠性分析理論趨于成熟，未來將朝著以下方向發(fā)展。

（一）可靠性靈敏度設計

可靠性靈敏度設計建立在可靠性之上，有效映射不同設計參數(shù)對機械零件的實際影響程度，進而確定對機械零件靈敏度影響程度最大的隨機變量，并重新分析和設計此參數(shù)。預估設計變量變差以及約束變差對產(chǎn)品效能指標的影響程度，調(diào)整對產(chǎn)品設計參數(shù)影響程度相對較大的設計參數(shù)，進而使產(chǎn)品失去對因素變差的靈敏性。這種設計以極限狀態(tài)方程為基礎，然后求解出設計參數(shù)相應的偏導數(shù)，獲得靈敏度計算公式，從而明確每個設計參數(shù)的靈敏度，并以此為依據(jù)，不斷修整設計，調(diào)整參數(shù)。

（二）可靠性優(yōu)化設計

可靠性優(yōu)化設計也是建立在可靠性之上，這種設計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)，進而使產(chǎn)品預估效能更加接近實際效能。此種方法有效融合可靠性分析理論和規(guī)劃方法，以可靠度為基礎構建優(yōu)化目標函數(shù)，調(diào)整機械零件的外形尺寸、成本等參數(shù)，實現(xiàn)最小化，然后以剛度、強度等設計要求充當約束條件，構建數(shù)學模式，參照數(shù)學模型合理選擇具體的優(yōu)化方法，最終求解最理想的設計變量。

（三）可靠性試驗

現(xiàn)階段，可靠性理論趨于成熟，然而可靠性試驗尚不健全。可靠性試驗是一種考察、分析和評判產(chǎn)品可靠性的手段，旨在通過可靠性試驗及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計、原材料以及加工工藝存在的缺陷，進而進一步完善產(chǎn)品，提升成功率，降低維修養(yǎng)護成本，判斷其是否滿足可靠性定量要求。然而一旦具體的設計方案出現(xiàn)變更，則應重新開展試驗分析，造成了不必要的資源浪費，因此，我們應充分利用高性能軟件，縮減試驗次數(shù)，節(jié)省成本。

結語

可靠性是衡量產(chǎn)品效能的動態(tài)指標，目前，可靠性貫穿于現(xiàn)代機械設計全過程，因此，可靠性分析是機械工業(yè)發(fā)展的主要研究方向，對于機械工程而言，掌握越多的可靠性理論，便會較少地應用主觀經(jīng)驗，產(chǎn)品機械結構設計也會更加合理，這也是機械工程中的根本目標。機械零件結構設計的可靠性分析正處在發(fā)展階段，在具體的應用過程中還存在一些細節(jié)問題，仍需要我們進一步探索。

參考文獻

[1]卓紅艷，劉志強，金曉等.基于機械結構產(chǎn)品的可靠性設計分析[J].工業(yè)控制計算機，2013，26（3）：124-125.

[2]張義民.機械可靠性設計的內(nèi)涵與遞進[J].機械工程學報，2010，46（14）：167-188.

[3]鄧宇.關于機械可靠性設計的內(nèi)涵分析[J].電子世界，2014，（16）：448-448.

[4]陳昌富，杜翠翠，張根寶等.基于雙參數(shù)法剛性抗滑樁嵌固深度可靠性設計[J].湖南大學學報（自然科學版），2014，41（2）：40-46.