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機械設計的可靠性研究
摘 要：機械產品的可靠性優化設計主要是為了產品使用具有可靠的功能，其發展非常迅速，而且使用得十分廣泛。本文即對機械設計的可靠性做了相關研究。
關鍵詞：機械設計 靈敏度 方案期 可靠性
一、機械設計可靠性概述
機械設計的可靠性建立在傳統設計之上，將與待設計對象相關的參數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學模式，依據概率論、統計學理論和強度理論，計算出機械零件出現破壞的概率公式。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，獲得理想的設計參數。這有效填補了常規設計中的缺陷，設計方案也更加真實。現階段，可靠性設計被大范圍地應用在飛機、汽車等關鍵產品以及機械零件結構設計中，它具有以下特點。
第一，人為應力以及強度均屬于隨機變量。在設計的過程依據不同標準的設計要求，合理選擇相應的特征函數，除了要考慮均值，還應考慮離散性，通過概率統計方法計算。
第二，人為設計的機械產品不可避免地存在失效概率。在實際設計過程中應依據實際需求提前監控失效概率可靠性，全面考慮所有參數的隨機性和分布規律，進而準確映射機械零件的實際工作狀態。
第三，可靠性設計分析與普通的安全系數法相比，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，并節省材料成本、縮減加工制作時間，為機械加工制造創造更多的經濟效益。
二、機械工程產品的可靠性優化設計現狀分析
2.1 可靠性優化設計的基本理論
20世紀60年代，機械優化設計獲得了最廣闊的發展。在這一時期，計算機技術和數學規劃有機地結合起來，推動了機械優化設計向更高的層次發展。優化設計的方法被廣泛應用于工程設計領域，并伴隨著計算機技術的飛速發展和數學規劃理念的不斷成熟，發揮著越來越重要的作用，取得了令人矚目的成果。具體來講，所謂可靠性優化設計主要包含三個方面，即產品的質量、成本和可靠度。
可靠性優化設計從系統的、整體的角度對產品的可靠度進行分析，并對其性能進行約束與優化，在確保產品性能和質量的前提下，將產品的合理性和安全性有機結合，從而使得產品的可靠度實現最大化。通過可靠性優化設計，在滿足產品可靠性的同時，還使得能源以及資源獲得充分的利用，避免了能源和資源的不合理使用及浪費現象。采用可靠性優化設計所生產出來的產品，具有體積小、質量輕的特點，并使用節能材料，順應當前可持續發展和保護環境的趨勢。對機械產品進行優化設計的根本宗旨，即為了滿足安全的需要或者為了實現特定的預期點，通過最優化的方式，對產品進行處理。在進行優化設計時，需要考慮多種因素給產品性能帶來的影響，其中需要注意的兩點即結構參數以及各種載荷的隨機性。
2.2 近年來可靠性優化設計發展
近年來，高新科技不斷融入機械設計領域，許多現代化的設計方法和設計理念應運而生，可靠性設計和優化設計也獲得了飛速的發展。然而從設計的角度來看，可靠性設計和優化設計是設計的兩個不同方面，而對于機械產品的設計來說，如果單純地考慮其中的一方面是無法達到設計要求的。這就需要在實際的設計工作中，將兩者相結合，從而發揮其潛在的巨大作用。可靠性設計不同于優化設計，可靠性設計是以產品的可靠性為設計宗旨的，因此設計的結果并非其工作性能或參數的最佳點。此外，優化設計有別于可靠性設計，優化設計并不考慮產品的可靠性，因此有可能導致事故，造成經濟損失。另外，單純的優化設計也無法保證產品在特定的時間和條件下達到預期的功能或目的。
機械產品的結構通常都比較復雜，所涉及到的設計參數也非常多，而單純的可靠性設計并不十分適用于多個設計參數的系統設計。因此，在進行可靠性優化設計時，要分清設計的重點以及明確設計的步驟，在保證機械產品可靠性的前提下，實現產品工作性能和設計參數的最優化。只有這樣，才能設計出既滿足可靠性又符合最優化性能的機械產品，實現產品性能與成本的統一。
三、機械設計不同時期的可靠行設計
3.1 計劃期的可靠性設計
計劃期的工作依據是新型科研成果發布、市場需要程度與客戶訂貨實際情況。設計工作人員要利用準確翔實的市場情報與技術指標，制定出可行性技術方案，對多種方案進行利弊比較，綜合考慮到可靠性、適用性與經濟性指標，完成合理的設計任務目標制定工作。
在這一時期，可靠性工作實際上就是產品可靠性展望。
此工作目的有兩個，一是找出產品可能存在的薄弱環節，給接下來的技術設計時期提出糾正指導。二是尋找到值得改進的方向，使產品再度開發成為可能。可靠性展望若想完成指標的分配確定，需要根據產品自身的功能及客戶的實際要求，完成相對應的指標數據值建立，比如說壽命、可靠程度、失效率等等。再按照特定的方法原則，逐步分配可靠指標。
3.2 方案期的可靠性設計
在這一時期，需要正確處理創新同借鑒的關系。第一要分析機械的功能，第二是由設計人員提出各種可行性方案，第三是把不同的方案進行技術分解，尋找到最佳的組合形式。在方案設計期，是對機械整體進行初始設計，在此階段，機械設計工作人員一定要對準備解決的方案進行正確評價。可靠性評價及可靠性設計指的是同一體系內，根據工作原理圖、擬定方案，進行抽象簡化而得出來的設計體系。如果從可靠性指標來看，越復雜的機械系統，其可靠程度就會越低。若想保證系統可靠，就一定要增加并聯系統，而這樣做，當然會使產品成本上升。所以在這一階段，可靠性方法的確定需要擬定系統初步的驗算分析，繼而確定系統整體事件，及整體同部分之間的關聯。
3.3 技術期的可靠性設計
機械設計的技術期發展目標是形成總裝配圖以及各個部件的裝配圖，用草圖的設計來確定各個零件的基本尺寸與外形，還包括每一部件間的相連方式，部件外形與尺寸等等。最后，需要確定零件的總裝配圖、分部件裝配圖、工作流程圖。這一時期首先需要對機械設備進行動力與運動設計，在此基礎上完成零部件的設計，并對重點部位及零部件進行工作性能校驗，接下來設計分部裝配草圖以及總裝配草圖。所有草圖完成之后，需要進行精確性核驗。
正因為技術期是整個機械設計中最為重要的時期，所以，這個時期的可靠性工作就相對比較多。對于單個零件設計來說，這個階段已經確定了其荷載，同時根據剛度、強度、穩定性的實際情況，來確定出零部件的設計尺寸范圍，這樣才能夠保證零件的質量。
3.4 編制期的可靠性設計
上面的工作基本就是通過相關的數據和經驗來進行機械設計，而這個階段主要任務就是對機械產品采取一些方法進行實驗，通過對實驗結果的仔細分析，得出產品的性能。把機械設計的可靠性理論研究運用到實際的可靠性實踐當中，能夠更好地提高機械設計的可靠性，提高產品質量。但是在實際工作的過程中，我們需要對具體的實踐操作進行指標確認，并把得出的數據編制到生產的技術文件當中，進而給可靠性生產提供支持。
3.5 保養期的可靠性設計
保養期是機械設計的最后一個階段，做好機械的維護和保養能夠延長機械的使用壽命。但這一階段總容易所被忽略，一些大型的制造企業在生產過程中，這個階段的費用往往會很高且十分復雜，這就需要我們了解機械設計可靠性在這個階段的重點內容。例如，制定機械設計保養計劃、維修計劃以及確定機械產品的實際適應情況。機械設備在使用的過程中隨著年限的增長會導致使用性逐漸下降，甚至會影響到正常工作。為了延長機械設備使用的年限，我們必須重視機械設計的保養期工作，為企業贏得更多的經濟效益。
四、機械設計可靠性的發展方向
4.1 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。預估設計變量變差以及約束變差對產品效能指標的影響程度，調整對產品設計參數影響程度相對較大的設計參數，進而使產品失去對因素變差的靈敏性。這種設計以極限狀態方程為基礎，然后求解出設計參數相應的偏導數，獲得靈敏度計算公式，從而明確每個設計參數的靈敏度，并以此為依據，不斷修整設計，調整參數。
4.2 可靠性優化設計
可靠性優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品投入使用過程中的可靠性，還能優化產品外觀尺寸、加工成本以及安全性等參數，進而使產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劃方法，以可靠度為基礎構建優化目標函數，調整機械零件的外形尺寸、成本等參數，實現最小化，然后以剛度、強度等設計要求充當約束條件，構建數學模式，參照數學模型合理選擇具體的優化方法，最終求解最理想的設計變量。
4.3 可靠性試驗
現階段，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、分析和評判產品可靠性的手段，旨在通過可靠性試驗及時發現產品設計、原材料以及加工工藝存在的缺陷，進而進一步完善產品，提升成功率，降低維修養護成本，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，節省成本。
五、結語
綜上，在進行機械設計時，設計人員在滿足機械可靠性的前提下，實現產品最優化的目標。充分發揮可靠性設計和優化設計的巨大潛力，達到產品最佳點以及最可靠點。可靠性優化設計具有先進性和實用性的特點，在機械設計領域的應用也越來越廣泛，在提升產品質量的同時還帶來了巨大的經濟效益，其發展的前景十分廣闊。
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