郭泰

摘 要：工程設(shè)計幾乎覆蓋所有的人類活動領(lǐng)域，工程設(shè)計是工業(yè)文明的核心。其根據(jù)工程建設(shè)的需求，利用科學(xué)技術(shù)和實踐方法，對工程建設(shè)過程中需要的資源、勞動力、科學(xué)技術(shù)等進行全面的分析，創(chuàng)建合理的工程計劃。本文首先介紹了機械可靠性的設(shè)計方法和發(fā)展階段，以及在工程設(shè)計的過程中機械可靠性的兩種代表性應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：工程設(shè)計；機械可靠性；應(yīng)用方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.194

在當(dāng)今社會，人們對于各類產(chǎn)品的質(zhì)量有著極高的要求，要想使產(chǎn)品獲得用戶認可度，就必須要提升產(chǎn)品的可靠性。機械可靠性是指機械產(chǎn)品在規(guī)定的條件和時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。在重要產(chǎn)品和日用類機械產(chǎn)品方面，機械可靠性更是備受關(guān)注，衡量產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)之一就是產(chǎn)品的可靠性，只有可靠性高的產(chǎn)品，才能在競爭激烈的市場環(huán)境中占據(jù)一席之地。

1 機械可靠性的設(shè)計方法

研究機械可靠性基于其隨機變量——應(yīng)力和強度，運用概率和統(tǒng)計的方法定性、定量的分析產(chǎn)品的可靠性和失效率，需要綜合考慮整體情況，選擇相應(yīng)的可靠性指標(biāo)。

強度因為受材料的力學(xué)性能、加工環(huán)節(jié)的波動和加工精度等因素的影響，也是一個具有一定離散性且服從一定分布規(guī)律的隨機變量。所以，研究機械概率可靠性設(shè)計等同于研究機械結(jié)構(gòu)的可靠性問題。機械可靠性由結(jié)構(gòu)可靠性和機構(gòu)可靠性構(gòu)成。定量可靠性設(shè)計就是掌握機械零件的強度和應(yīng)力分布、各種設(shè)計參數(shù)的隨機性。機械可靠性的常用有效的方法是定性可靠性設(shè)計，在結(jié)構(gòu)可靠性和機構(gòu)可靠性中通常也采用這種方法。而定量可靠性設(shè)計目前仍然缺乏強度和應(yīng)力的分布的具體數(shù)據(jù)，還有許多其余要考慮的因素，所以這種方法并不能廣泛應(yīng)用，但是可以根據(jù)可靠性指標(biāo)制造出符合要求的機械零件，所以一般在設(shè)計重要的零件時會采用定量可靠性設(shè)計。

2 關(guān)于機械可靠性的研究

在上個世紀(jì)四十年代，第二次世界大戰(zhàn)期間，因為對于武器與各類機械產(chǎn)品的大量運用，飛機、軍火武器等設(shè)備的可靠性研究必不可少。而在二十世紀(jì)五十年代，美國因為軍事上的需要，同樣對可靠性展開了深入的研究，與此同時，蘇聯(lián)和日本也不甘落后，對可靠性問題進行了全面的研究。從上個世紀(jì)六十年代開始，世界各國都漸漸注意到機械可靠性的發(fā)展前景廣大，紛紛投入研究，取得了許多成就。機械可靠性研究的內(nèi)容廣泛，涉及許多方面，與人類生活息息相關(guān)。機械的可靠性不僅體現(xiàn)在日常生活中，例如洗衣機、電視機等家用電器，還包括一些高端科技領(lǐng)域，例如航空航天飛機等。現(xiàn)在在國外，機械可靠性被應(yīng)用在許多領(lǐng)域，比如軸承和齒輪、人造衛(wèi)星、土木工程核電站、宇宙飛船、飛機、艦船、汽車、壓力容器等產(chǎn)品。[1]

我國在機械可靠性的研究方面相對起步較晚，因為人們生產(chǎn)和生活方面的迫切需要，直到上個世紀(jì)八十年代才有了初步的發(fā)展，各個行業(yè)都開始研究可靠性，也開始將可靠性研究編入教材，作為教育的其中一個環(huán)節(jié)。雖然我國進步很快，取得了較大的進展，但是因為起步晚，直接導(dǎo)致了我們國家的工業(yè)文明與西方發(fā)達國家的工業(yè)發(fā)展有著較大的差距。所以，我們需要明確差異所在，積極地發(fā)展和創(chuàng)新，逐漸縮小國與國之間存在的差距。

3 工程設(shè)計中機械可靠性應(yīng)用方法

在工程設(shè)計的過程中，有較多的機械可靠性的應(yīng)用方法，例如應(yīng)力——強度干涉理論、一次二階矩法、蒙特卡洛法、等效威布爾分布法、統(tǒng)計模擬試驗法等，我們在此舉例說明其中的兩種方法：

3.1 應(yīng)力——強度干涉理論（模型）

若應(yīng)力s和強度r均為隨機變量，則z=r-s也為隨機變量。若產(chǎn)品可靠，滿足z=r-s≧0，即產(chǎn)品可靠度為R=P（z≧0）=P（r-s≧0）。

在設(shè)計機械零部件時，要在一定的可靠度下保證其危險斷面上的最小強度不低于最大的應(yīng)力，否則，零件將由于未滿足可靠度要求而導(dǎo)致失效。由應(yīng)力強度干涉模型的理論知機械可靠度：[2]

R（t）= fs （s）[fr （r）dr]ds （1）

或

R=P（r>s）= f（s）g（r）drds （2）或

R=P（s

在（1）式中， fs（s）——隨機應(yīng)力S的概率密度函數(shù)；

fr（r）——隨機強度R的概率密度函數(shù)。

由（1）可知，要想求出可靠度，就必須要知道代表隨機應(yīng)力S和代表隨機強度R的概率密度函數(shù)。然而在實際操作的過程中，無法準(zhǔn)確的獲取概率分布的情況，就算獲取了概率分布，直接解出積分也是非常困難的。所以，根據(jù)工程設(shè)計的要求，應(yīng)該采用一些簡易的、方便計算的概率密度函數(shù)求解可靠度，或是利用隨機變量特征函數(shù)值（均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等）求解可靠度。

3.2 蒙特卡洛技術(shù)

Monte carlo技術(shù)是一種隨機抽樣技術(shù)，也稱為隨機模擬技術(shù)。其方法為設(shè)：y=g（x1，x2，...xn），其中x1，x2，...xn是基本的隨機變量，f（x1），f（x2），...f（xn）分別為x1，x2，...xn的概率密度函數(shù)。按分布f（x1），f（x2），...f（xn）隨機抽取一組x1，x2，...xn，計算：yj=g（x1，x2，...xn），其中j=1～m，檢驗y的分布，估計分布的參數(shù)。

蒙特卡洛法是一種純概率分析法，很少采用假設(shè)的分析方法，也無需求函數(shù)分布，所以精確度比較高。當(dāng)進行多次模擬后，精確度會更高。在采用蒙特卡洛方法的時候，需要注意隨機變量的基本分布，產(chǎn)生隨機性好的隨機變量，合理地估計抽樣容量。

4 結(jié)語

通過對工程設(shè)計中機械可靠性應(yīng)用方法的研究，我們應(yīng)該認識到在實際操作的過程中，因為每一種方法的特點都不盡相同，所以要結(jié)合現(xiàn)實情況應(yīng)用不同的研究方法，以正確的科學(xué)技術(shù)作指導(dǎo)，使產(chǎn)品具有較高的可靠度，提高在未來的國際市場中的競爭力。

參考文獻：

[1]張祖明，田懷祥.論機械可靠性設(shè)計工作的發(fā)展途徑[J].機械設(shè)計與制造，1991（02）：10-14.

[2]封士彩，林聚華，張新民.工程設(shè)計中機械可靠性應(yīng)用方法的研究[J].煤礦機械，2002（10）：27-30.