趙蓉

摘要：機械零部件可靠性設計是分析參數(shù)對零部件可靠性的影響，估測規(guī)定工況條件下的狀態(tài)，通過機械零部件可靠性設計可以避免傳統(tǒng)設計保守性，降低零部件失效頻率，具有顯著的經(jīng)濟社會效益。是衡量產品質量的重要指標，科技的發(fā)展，不斷提高機械產品可靠性，必須從設計上解決產品的可靠性問題。機械零部件設計要與時俱進，把握零部件質量保證與可靠性優(yōu)化設計方法。本文介紹了機械零部件可靠性設計方法，對機械零部件設計方法進行了評述，為機械行業(yè)提供可靠性設計技術方法參考。

關鍵詞：機械設計;零部件;可靠性;優(yōu)化設計

0? 引言

GJB451-90標準闡述的可靠性是產品在規(guī)定使用條件下，完成規(guī)定功能的性質，機械產品可靠性與設計、運輸、使用等各環(huán)節(jié)密切相關，設計是保證產品可靠性的重要環(huán)節(jié)，機械產品可靠性與零部件結構形式、選用的材料、制造工藝等有關。設計決定產品的可靠性水平，機械產品可靠性由其重要零部件決定，機械零部件可靠性設計尤為重要。機械零部件由于自身材料性能，使用時間變化及各種因素影響，其可靠性隨著使用時間增加逐漸減弱，可靠性減弱是動態(tài)的過程，結構的可靠性應考慮時間因素，機械零部件可靠性靈敏度設計應隨時間變化，可靠性分析在可靠性設計、維護等方面具有重要的作用。機械產品穩(wěn)健設計是關于產品質量成本的工程設計方法，使產品具有對設計參數(shù)變化不敏感，其思想是設計參數(shù)發(fā)生微小變差，使用中能保證產品設計的穩(wěn)健性?？煽啃栽O計監(jiān)理在靈敏度分析基礎上，可靠性與時間有關，穩(wěn)健設計是動態(tài)設計過程。本文對機械設計零部件的可靠性分析及優(yōu)化設計方法進行了研究，探討機械零部件優(yōu)化設計的科學方法。建立機械動態(tài)可靠性穩(wěn)健設計動態(tài)多目標模型基礎上，提出基于灰色關聯(lián)分析多粒子群協(xié)同動態(tài)多目標優(yōu)化算法，解決動態(tài)可靠性設計多目標模型求解難題。

1? 機械零部件可靠性概述

可靠性設計是以形成產品可靠性為目標的設計技術，將外荷載、零部件尺寸等設計參數(shù)視為隨機性變量，應用數(shù)理統(tǒng)計，力學理論，得出避免零部件出現(xiàn)破壞的共識，形成符合實際的零部件設計?？刂剖У陌l(fā)生率在可接受范圍。改良設計作用體現(xiàn)在分析計算數(shù)據(jù)，使設計者對零部件有清晰的了解[1]。

機械發(fā)展的可靠性是其重要基礎，機械產品可靠性不強，則產品質量出現(xiàn)很大的問題，機械產品失效主要原因是耗損型失效，如設備出現(xiàn)老化現(xiàn)象，及強度退化等為損耗型失效。機械產品銷量隨著時間不斷變化，但變化非恒定值，符合特征分布的形式有多種，如對數(shù)正態(tài)分布等。機械產品每個零部件有很多重要的設想模式，機械產品由零部件組成，零部件大多為非標準零件，導致失效統(tǒng)計值分散。如電子產品難以進行失效率的統(tǒng)計。可靠性分析需要對失效模式相關性進行考慮。

機械產品可靠性工作特點是統(tǒng)計，根據(jù)以往工程經(jīng)驗為基礎制定可靠性準則，結合系列失效模式分析產品可靠性設計準則，得出分析結果為部門進行產品研發(fā)設計使用。進行保險設計使要注意失效模式的分析，防止出現(xiàn)失效的可能。需要根據(jù)可靠的關鍵件進行概率設計工作。產品研發(fā)中必須重視其可靠性試驗，可以在現(xiàn)場進行實驗收集失效信息，保證機械產品可靠。機械產品可靠性分析包括失效模式確定，與計算失效模式發(fā)生率。可靠度計算是可靠性分析的目的，失效模式確定的功能函數(shù)建立是可靠度計算的基礎。

2? 機械零部件可靠性設計的發(fā)展

傳統(tǒng)機械零部件設計中采用載荷等數(shù)取其平均值，未考慮設計的分散性，為保證可靠性對計算荷載等乘以安全系數(shù)，不能保證可靠性的天宮。隨著機械破壞機理認識的深化，及改良統(tǒng)計論在機械零部件的應力方面的應用等，為機械零部件可靠性設計提供了理論基礎。

機械零部件可靠性設計不同于傳統(tǒng)設計方法，采用可靠度指標保證其可靠性，對失效的可能性認識較為合理。國內外很多學者積極投入到機械零部件可靠性的設計中研究中[2]。隨機有限元法最初與蒙特卡羅法結合，80年代，Handa等運用Taylor級數(shù)展開方法，提出隨機有限元法，在考慮隨機變量的波動性時，提出攝動隨機有限元法。應用于復雜結構的應力分析中，Shinozuka將紐曼開展法與蒙特卡洛法結合，提出紐曼開展蒙特卡洛隨機有限元法[3]。

目前對機械零件可靠性設計研究仍存在一些難點，主要包括機械產品結構功能非嚴格串聯(lián)關系，需精確統(tǒng)計零部件故障率難度較大，機械產品承受荷載具有多樣性，使得參數(shù)選取具有一定困難?？煽啃詢?yōu)化設計產品試驗周期較長，數(shù)據(jù)結果應用受到限制?？煽啃栽O計未來發(fā)展向定性與定量結合，傳統(tǒng)設計方法與可靠性設計結合，無故障涉及與耐久性設計方向發(fā)展。

3? 機械零部件可靠性設計的研究

工程設計是探索性創(chuàng)造過程，是按既定目標進行分析評價優(yōu)化的過程。要定義系列設計參與如荷載、強度等許多工程事物描述，機械原理方案設計及結構造型擬定，參數(shù)選擇等需要工程技術人員憑借經(jīng)驗推斷決策。機械系統(tǒng)分析設計需建立可供分析設計的數(shù)學模型，要對復雜機械系統(tǒng)簡化，簡化后的數(shù)學模型與實際機械系統(tǒng)相比存在誤差。

工程實際中遇到的不確定性包括不固定性、不可靠性、不完全性等。機械設計中通常用確定結構參數(shù)數(shù)學模型計算分析，實際工程中通常存在材料性能參數(shù)，計算模型，結構部件接頭相關誤差等。誤差與不確定性結合使結構相應產生較大偏差。設計變量帶有不確定性，工程分析設計中按其來源分為物理性、統(tǒng)計性與模型不確定性。工程實際中不確定性劃分隨機性、模糊性、未知性。不確定性特點為表現(xiàn)具有兩面性，某些事物表現(xiàn)具有單一不確定性，確定性與不確定性兩重性。由于科技的發(fā)展，使得交叉學科趨勢加強，要求解決復雜的技術問題，解決相關的經(jīng)濟資源等多方面的問題，模糊數(shù)學等非精確數(shù)學方法可以處理非確定性問題。

可靠性的概念由來已久，人們是社會活動中經(jīng)常遇到事物可靠性的評論，是同事物是否達到預期功能，當前可靠性技術成為重要的系統(tǒng)工程。最初起源于軍用電子裝備工業(yè)，1957年美國國防部電子設備顧問委員會發(fā)表可靠性報告，系統(tǒng)闡述可靠性理論基礎，可靠性從軍用到民用，航空航天等領域逐步發(fā)展。機械可靠性是可靠性分析學科的重要部分，可靠性的研究源于40年代，1971年A.M.Freudenthal教授提出構件強度可靠性設計應力干涉模型，此后在結構可靠性研究等方面處于領先地位。由于影響機械設備因素眾多，機械產品批量較少，機械可靠性在60年代未全面展開。可靠性技術引入比電子系統(tǒng)晚20年，主要原因是機械零部件通用性較差，機械系統(tǒng)承受應力狀態(tài)復雜，機械產品可靠性試驗難以進行。

4? 機械零部件可靠性設計方法

機械零部件可靠性設計需要與時俱進，機械零部件可靠性設計基于傳統(tǒng)設計方法，機械產品具有不同的功能結構，可靠性設計方法選擇需要因地制宜。

權衡設計是對可靠性等要素綜合衡量后制定最佳方案[4]，考慮零部件在壽命周期可能遇到的環(huán)境影響因素，包括運輸?shù)呐鲎?，設備保養(yǎng)合理程度等，通過因素分析，在零部件生產用料上優(yōu)化，保證零部件及機械設備的可靠性。機械設備運作是整體運作，實現(xiàn)整體功能大于部分功能，首先要優(yōu)化零部件可靠性，機械設備零部件需要優(yōu)先選用標準件，選用前要對零部件進行分析驗證，以成熟的經(jīng)驗驗證方案[5]。

機械零部件使用中受到外界條件影響，強度逐漸退化，必須引入時間概念用隨機過程描述強度變化歷程。文獻運用隨機過程原理建立合資啊與強度變化動態(tài)可靠模型，采用隨機攝動法進行零部件動態(tài)可靠性指標計算。

簡化設計是滿足特定條件下設計合理簡化，結構過于復雜容易出現(xiàn)故障，無法進行可靠性優(yōu)化。是避開故障的有效方式。簡化非依靠少部分超負荷承載大部分功能，零部件簡化需從整體把握，余度設計從整體下手，通過對完成規(guī)定功能設置重復結構等[6]，機械設備整體系統(tǒng)保存規(guī)定的功能。

5? 機械零部件可靠性分析

機械優(yōu)化設計分析主要以機械零部件原有可靠性為首要條件，根據(jù)其所需工作方式，及現(xiàn)場工作環(huán)境等多方面工況對機械零部件結構優(yōu)化，使其使用性能滿足使用條件，達到理想使用效果。使機械在規(guī)定環(huán)境中發(fā)揮強大的作用。

環(huán)境變化時需對群離子重新設置初始值，由于材料強度隨時間推移呈現(xiàn)下降趨勢，最近時間段得到最優(yōu)解為接近下一時間段最優(yōu)解，在全局極值附近選取50%粒子為初始值，為更好搜索全局最優(yōu)解，剩下50%粒子隨機產生。最優(yōu)設計尺寸在部件服務初期穩(wěn)定，中后期零部件強度隨時間減弱，保證部件可靠性指標要求，說明可靠性隨時間推移遞增趨勢，可依據(jù)服役期間要求通過模型選擇最佳設計尺寸。

對機械可靠性優(yōu)化中，要利用部分數(shù)學知識進行數(shù)學模型構建[7]，了解零部件的強度等性能，使其成為約束的條件，計算中利用函數(shù)知識對模型進行計算，通過計算分析得出結果作為設計依據(jù)優(yōu)化機械設計可靠性。

靈敏度設計是機械可靠性的重要基礎，是可靠性中重要的部分，進行可靠性靈敏度設定首先根據(jù)其機械零部件找出反應強烈的影響因素，根據(jù)因素造成的工作效果進行評估[8]，對靈敏度參數(shù)進行調整?？梢越档蛯α悴考`敏參數(shù)響應，可靠性靈敏度設計中需利用相關數(shù)據(jù)計算敏感參數(shù)值，為靈敏度提供準確的參考條件，使其靈敏度降低對靠性影響[9]。

實驗分析是機械零件可靠性的最后工作，進行可靠性設計后需進行系列的實驗工作，才能保證工作中不出現(xiàn)各種問題。可以通過實驗得出機械零部件工作狀態(tài)下的運行數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)反映問題進行改進。檢驗機械是否合理，實驗分析中得出數(shù)據(jù)可提高機械零部件生產質量，延長機械的使用壽命。實驗中如遇到一些故障，需進行仔細分析研究，根據(jù)研究結果制定有針對性的解決措施，杜絕工作中出現(xiàn)類似現(xiàn)象[10]。機械零部件設計方案出現(xiàn)變更時，需進行重新試驗，為降低試驗成本，可以利用計算機軟件進行模擬實驗，測試出機械零部件的使用效果。

參考文獻：

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[9]王新剛.機械零部件時變可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設計若干問題的研究[D].東北大學，2009.

[10]于繁華，劉仁云，張義民，張曉麗，孫秋成.機械零部件動態(tài)可靠性穩(wěn)健優(yōu)化設計的群智能算法[J].吉林大學學報（工學版），2017，47（06）：1903-1908.