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机械设计的可靠性研究
摘 要：机械产品的可靠性优化设计主要是为了产品使用具有可靠的功能，其发展非常迅速，而且使用得十分广泛。本文即对机械设计的可靠性做了相关研究。
关键词：机械设计 灵敏度 方案期 可靠性
一、机械设计可靠性概述
机械设计的可靠性建立在传统设计之上，将与待设计对象相关的参数等要素进行一定的处理，使之转变成随机变量，参照设计原则构建概率数学模式，依据概率论、统计学理论和强度理论，计算出机械零件出现破坏的概率公式。然后参照公式明确该可靠性条件下的零件外观尺寸、使用寿命，在满足基本的运行使用要求的同时，获得理想的设计参数。这有效填补了常规设计中的缺陷，设计方案也更加真实。现阶段，可靠性设计被大范围地应用在飞机、汽车等关键产品以及机械零件结构设计中，它具有以下特点。
第一，人为应力以及强度均属于随机变量。在设计的过程依据不同标准的设计要求，合理选择相应的特征函数，除了要考虑均值，还应考虑离散性，通过概率统计方法计算。
第二，人为设计的机械产品不可避免地存在失效概率。在实际设计过程中应依据实际需求提前监控失效概率可靠性，全面考虑所有参数的随机性和分布规律，进而准确映射机械零件的实际工作状态。
第三，可靠性设计分析与普通的安全系数法相比，更加合理。通过这种设计方法可获得最理想的设计，而安全系数法较为保守。由此可知，机械零件结构设计的可靠性分析可获得较为理想的结构，并节省材料成本、缩减加工制作时间，为机械加工制造创造更多的经济效益。
二、机械工程产品的可靠性优化设计现状分析
2.1 可靠性优化设计的基本理论
20世纪60年代，机械优化设计获得了最广阔的发展。在这一时期，计算机技术和数学规划有机地结合起来，推动了机械优化设计向更高的层次发展。优化设计的方法被广泛应用于工程设计领域，并伴随着计算机技术的飞速发展和数学规划理念的不断成熟，发挥着越来越重要的作用，取得了令人瞩目的成果。具体来讲，所谓可靠性优化设计主要包含三个方面，即产品的质量、成本和可靠度。
可靠性优化设计从系统的、整体的角度对产品的可靠度进行分析，并对其性能进行约束与优化，在确保产品性能和质量的前提下，将产品的合理性和安全性有机结合，从而使得产品的可靠度实现最大化。通过可靠性优化设计，在满足产品可靠性的同时，还使得能源以及资源获得充分的利用，避免了能源和资源的不合理使用及浪费现象。采用可靠性优化设计所生产出来的产品，具有体积小、质量轻的特点，并使用节能材料，顺应当前可持续发展和保护环境的趋势。对机械产品进行优化设计的根本宗旨，即为了满足安全的需要或者为了实现特定的预期点，通过最优化的方式，对产品进行处理。在进行优化设计时，需要考虑多种因素给产品性能带来的影响，其中需要注意的两点即结构参数以及各种载荷的随机性。
2.2 近年来可靠性优化设计发展
近年来，高新科技不断融入机械设计领域，许多现代化的设计方法和设计理念应运而生，可靠性设计和优化设计也获得了飞速的发展。然而从设计的角度来看，可靠性设计和优化设计是设计的两个不同方面，而对于机械产品的设计来说，如果单纯地考虑其中的一方面是无法达到设计要求的。这就需要在实际的设计工作中，将两者相结合，从而发挥其潜在的巨大作用。可靠性设计不同于优化设计，可靠性设计是以产品的可靠性为设计宗旨的，因此设计的结果并非其工作性能或参数的最佳点。此外，优化设计有别于可靠性设计，优化设计并不考虑产品的可靠性，因此有可能导致事故，造成经济损失。另外，单纯的优化设计也无法保证产品在特定的时间和条件下达到预期的功能或目的。
机械产品的结构通常都比较复杂，所涉及到的设计参数也非常多，而单纯的可靠性设计并不十分适用于多个设计参数的系统设计。因此，在进行可靠性优化设计时，要分清设计的重点以及明确设计的步骤，在保证机械产品可靠性的前提下，实现产品工作性能和设计参数的最优化。只有这样，才能设计出既满足可靠性又符合最优化性能的机械产品，实现产品性能与成本的统一。
三、机械设计不同时期的可靠行设计
3.1 计划期的可靠性设计
计划期的工作依据是新型科研成果发布、市场需要程度与客户订货实际情况。设计工作人员要利用准确翔实的市场情报与技术指标，制定出可行性技术方案，对多种方案进行利弊比较，综合考虑到可靠性、适用性与经济性指标，完成合理的设计任务目标制定工作。
在这一时期，可靠性工作实际上就是产品可靠性展望。
此工作目的有两个，一是找出产品可能存在的薄弱环节，给接下来的技术设计时期提出纠正指导。二是寻找到值得改进的方向，使产品再度开发成为可能。可靠性展望若想完成指标的分配确定，需要根据产品自身的功能及客户的实际要求，完成相对应的指标数据值建立，比如说寿命、可靠程度、失效率等等。再按照特定的方法原则，逐步分配可靠指标。
3.2 方案期的可靠性设计
在这一时期，需要正确处理创新同借鉴的关系。第一要分析机械的功能，第二是由设计人员提出各种可行性方案，第三是把不同的方案进行技术分解，寻找到最佳的组合形式。在方案设计期，是对机械整体进行初始设计，在此阶段，机械设计工作人员一定要对准备解决的方案进行正确评价。可靠性评价及可靠性设计指的是同一体系内，根据工作原理图、拟定方案，进行抽象简化而得出来的设计体系。如果从可靠性指标来看，越复杂的机械系统，其可靠程度就会越低。若想保证系统可靠，就一定要增加并联系统，而这样做，当然会使产品成本上升。所以在这一阶段，可靠性方法的确定需要拟定系统初步的验算分析，继而确定系统整体事件，及整体同部分之间的关联。
3.3 技术期的可靠性设计
机械设计的技术期发展目标是形成总装配图以及各个部件的装配图，用草图的设计来确定各个零件的基本尺寸与外形，还包括每一部件间的相连方式，部件外形与尺寸等等。最后，需要确定零件的总装配图、分部件装配图、工作流程图。这一时期首先需要对机械设备进行动力与运动设计，在此基础上完成零部件的设计，并对重点部位及零部件进行工作性能校验，接下来设计分部装配草图以及总装配草图。所有草图完成之后，需要进行精确性核验。
正因为技术期是整个机械设计中最为重要的时期，所以，这个时期的可靠性工作就相对比较多。对于单个零件设计来说，这个阶段已经确定了其荷载，同时根据刚度、强度、稳定性的实际情况，来确定出零部件的设计尺寸范围，这样才能够保证零件的质量。
3.4 编制期的可靠性设计
上面的工作基本就是通过相关的数据和经验来进行机械设计，而这个阶段主要任务就是对机械产品采取一些方法进行实验，通过对实验结果的仔细分析，得出产品的性能。把机械设计的可靠性理论研究运用到实际的可靠性实践当中，能够更好地提高机械设计的可靠性，提高产品质量。但是在实际工作的过程中，我们需要对具体的实践操作进行指标确认，并把得出的数据编制到生产的技术文件当中，进而给可靠性生产提供支持。
3.5 保养期的可靠性设计
保养期是机械设计的最后一个阶段，做好机械的维护和保养能够延长机械的使用寿命。但这一阶段总容易所被忽略，一些大型的制造企业在生产过程中，这个阶段的费用往往会很高且十分复杂，这就需要我们了解机械设计可靠性在这个阶段的重点内容。例如，制定机械设计保养计划、维修计划以及确定机械产品的实际适应情况。机械设备在使用的过程中随着年限的增长会导致使用性逐渐下降，甚至会影响到正常工作。为了延长机械设备使用的年限，我们必须重视机械设计的保养期工作，为企业赢得更多的经济效益。
四、机械设计可靠性的发展方向
4.1 可靠性灵敏度设计
可靠性灵敏度设计建立在可靠性之上，有效映射不同设计参数对机械零件的实际影响程度，进而确定对机械零件灵敏度影响程度最大的随机变量，并重新分析和设计此参数。预估设计变量变差以及约束变差对产品效能指标的影响程度，调整对产品设计参数影响程度相对较大的设计参数，进而使产品失去对因素变差的灵敏性。这种设计以极限状态方程为基础，然后求解出设计参数相应的偏导数，获得灵敏度计算公式，从而明确每个设计参数的灵敏度，并以此为依据，不断修整设计，调整参数。
4.2 可靠性优化设计
可靠性优化设计也是建立在可靠性之上，这种设计模式不仅能够更好地满足产品投入使用过程中的可靠性，还能优化产品外观尺寸、加工成本以及安全性等参数，进而使产品预估效能更加接近实际效能。此种方法有效融合可靠性分析理论和规划方法，以可靠度为基础构建优化目标函数，调整机械零件的外形尺寸、成本等参数，实现最小化，然后以刚度、强度等设计要求充当约束条件，构建数学模式，参照数学模型合理选择具体的优化方法，最终求解最理想的设计变量。
4.3 可靠性试验
现阶段，可靠性理论趋于成熟，然而可靠性试验尚不健全。可靠性试验是一种考察、分析和评判产品可靠性的手段，旨在通过可靠性试验及时发现产品设计、原材料以及加工工艺存在的缺陷，进而进一步完善产品，提升成功率，降低维修养护成本，判断其是否满足可靠性定量要求。然而一旦具体的设计方案出现变更，则应重新开展试验分析，造成了不必要的资源浪费，因此，我们应充分利用高性能软件，缩减试验次数，节省成本。
五、结语
综上，在进行机械设计时，设计人员在满足机械可靠性的前提下，实现产品最优化的目标。充分发挥可靠性设计和优化设计的巨大潜力，达到产品最佳点以及最可靠点。可靠性优化设计具有先进性和实用性的特点，在机械设计领域的应用也越来越广泛，在提升产品质量的同时还带来了巨大的经济效益，其发展的前景十分广阔。
参考文献：
[1]莫文辉，黄其柏.机械可靠性的灵敏度[J].攀枝花学院学报，2006(02).
[2]张海田.谈机械可靠性的设计方法[J].今日科苑，2008(04).
[3]王新刚.机械零部件时变可靠性稳健优化设计若干问题的研究[D].东北大学，2009.
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