崔芙銘 黃玉輝 劉杰

摘 要：近年來(lái)，隨著生活水平的日益提高，人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。同時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)日益復(fù)雜化、多樣化、小批量化以及上市周期緊迫化的現(xiàn)狀也使得借助于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的多學(xué)科穩(wěn)健性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)成為質(zhì)量設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)?？煽啃允钱a(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械；可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；可靠性設(shè)計(jì)；穩(wěn)健性設(shè)計(jì)

引言：有關(guān)可靠性的研究最早是用于電子產(chǎn)品的故障研究和分析。經(jīng)過(guò)多年的積累和發(fā)展，這一門(mén)學(xué)科在電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得了一定的發(fā)展水平和成果。然而，可靠性應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域卻僅僅是在近些年，因此，它在機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展水平和它在電子領(lǐng)域的發(fā)展水平相比，還有很大的差距。雖然如此，可靠性在機(jī)械領(lǐng)域仍發(fā)揮著巨大作用。隨著科技的進(jìn)步，機(jī)械系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)于其自身的可靠性要求也越來(lái)越高。尤其在一些重要的場(chǎng)合，例如軍工企業(yè)和航空航天航海領(lǐng)域的要求十分嚴(yán)格。因此，研究機(jī)械產(chǎn)品的可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

機(jī)械可靠性穩(wěn)健性研究的發(fā)展

關(guān)于可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)這一學(xué)科的研究由來(lái)已早。很早之前人們就開(kāi)始廣泛采用“可靠性”這一概念來(lái)定性評(píng)價(jià)產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題。然而，并沒(méi)有一個(gè)量的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量。20世紀(jì)20年代，對(duì)于可靠性技術(shù)的研究就已經(jīng)開(kāi)始，20世紀(jì)40年代，開(kāi)始應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)之中。通過(guò)理論研究和實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐，全球的相關(guān)領(lǐng)域人士一致認(rèn)為，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)具有可靠性的決定性因素是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而制造安裝和管理則是保證機(jī)械結(jié)構(gòu)具有可靠性的重要支撐。因此，為了保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全可靠性，提升工業(yè)的發(fā)展水平能力，并進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)業(yè)內(nèi)結(jié)構(gòu)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于概率設(shè)計(jì)理論的研究，可靠性技術(shù)的應(yīng)用就顯得十分重要。

對(duì)于機(jī)械可靠性穩(wěn)健性技術(shù)的研究，我國(guó)目前已經(jīng)取得了一定的成果。然而，我國(guó)機(jī)械產(chǎn)品的可靠性穩(wěn)健性設(shè)計(jì)水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有相當(dāng)大的差距。這已經(jīng)成為制約我國(guó)機(jī)械工業(yè)迅速發(fā)展的瓶頸，造成企業(yè)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量的先天不足，使得“質(zhì)量第一、質(zhì)量取勝”的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略方針在機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中難以充分體現(xiàn)。機(jī)械可靠性穩(wěn)健性的研究活動(dòng)主要集中在高校和專(zhuān)業(yè)性的研究機(jī)構(gòu)，有很多科技工程領(lǐng)域的研究人員參與到研究之中，并由不少的設(shè)計(jì)人員從事著實(shí)際設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)。經(jīng)過(guò)研究者的辛勤耕耘，已經(jīng)出現(xiàn)了頗具價(jià)值的專(zhuān)業(yè)著作、學(xué)術(shù)報(bào)告等等。這都將是發(fā)展機(jī)械可靠性穩(wěn)健性研究工作的有力資源。

可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)

可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法有很多，例如Kronecker 代數(shù)、二階矩和四階矩技術(shù)、Edgeworth 級(jí)數(shù)、模糊概率計(jì)算、Monte Carlo 模擬法、矩方法和以矩方法為基礎(chǔ)的可靠性理論、響應(yīng)面法、支持向量機(jī)法、最大熵方法、隨機(jī)有限法和非概率分析方法等，疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)等數(shù)學(xué)理論和方法。

方法雖然眾多，但是總結(jié)起來(lái)主要是數(shù)學(xué)模型法和物理原因法兩大類(lèi)。這兩種方法各有特點(diǎn)，數(shù)學(xué)模型法是將可靠性視為時(shí)間范疇的量，或者將可靠性視為某些偶然因素發(fā)生的結(jié)果。

在過(guò)去數(shù)十年的發(fā)展中，我國(guó)的可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)都得到了長(zhǎng)足發(fā)展。然而，這兩者的單獨(dú)發(fā)展都不可能使可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的潛能充分發(fā)揮出來(lái)。例如：在某一機(jī)械產(chǎn)品經(jīng)過(guò)了可靠性設(shè)計(jì)之后，它能保證自身的安全穩(wěn)定運(yùn)行，卻不能保證自身的運(yùn)行性能是處于最佳狀態(tài)的。相反，如果能使這一機(jī)械的運(yùn)行性能處于最佳狀態(tài)，卻不能保證它自身運(yùn)行的安全可靠，這是十分危險(xiǎn)的。因此，機(jī)械的可靠性設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的相結(jié)合對(duì)于機(jī)械行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

機(jī)械產(chǎn)品的可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)是在可靠性設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，靈敏度設(shè)計(jì)，穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，正確運(yùn)用可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)可以保證機(jī)械產(chǎn)品在經(jīng)受各種因素的干擾下，都可以保證自身可靠性的穩(wěn)定。可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)使得機(jī)械產(chǎn)品對(duì)運(yùn)行時(shí)參數(shù)的改變變得不敏感。然而，在機(jī)械的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，自身的穩(wěn)定性必然會(huì)發(fā)生變化，要消除這些變化的影響需要花費(fèi)的代價(jià)是十分大的。而僅僅要求降低這些變化的影響所需要花費(fèi)的代價(jià)與此相比卻是十分微小的。

Reliability and robust optimization design in foreign country

Mechanical components design is subjected to uncertainties in material and geometrical properties， loads and other variables. For reliability optimization design with uncertain parameters， based on the non-probabilistic reliability theory， robust design and optimal design method， the uncertain parameters of mechanical components are expressed by non-probabilistic interval variables， and a non-probabilistic measure and procedure for robust reliability computation is presented. Compared with the conventional probabilistic reliability optimization approach， the proposed method does not require a presumed probability distribution of the uncertain parameters and only the bounds or ranges of their variations are required. The optimal design for non-probabilistic robust reliability is formulated as a two level optimization problem， in which the first level minimizes the original robust optimal objective with the constraints of non-probabilistic reliability index， and the secondary level is used to identify the reliability index. The purpose of it is to get a tradeoff between the design objective and the robustness to uncertainties and satisfy the requirements for reliability. For instance， the robust reliability optimization of unidirectional wedge-typed overrunning clutch is proposed， and the results show that the proposed method is useful for mechanical components design and quality improvement

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中具有十分重大的作用。當(dāng)機(jī)械產(chǎn)品完成了可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，可以保證其安全可靠的工作在最佳狀態(tài)，這對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的成本，壽命，以及運(yùn)行狀態(tài)都是滿(mǎn)足大眾期望的。因此，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在滿(mǎn)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)揮可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的巨大潛力，達(dá)到產(chǎn)品運(yùn)行或者使用最佳點(diǎn)以及最可靠點(diǎn)?？煽啃?xún)?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(lái)越廣泛，在提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)還帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)省了大量人力、物力、財(cái)力，可以提高設(shè)計(jì)水平，縮短設(shè)計(jì)周期和降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)還帶了巨大的社會(huì)效益，其發(fā)展前景十分廣闊。

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