机械可靠性设计的内涵与递进(2)

　　可靠性优化设计，一般包含三方面的内容：质量、成本、可靠度，把产品的总体可靠度作为性能约束的优化，将会产生与合理安全性相协调的平衡设计，也就是在给定结构布局和给定产品质量或成本之下，使产品有最大的可靠度。

　　近30 年来，在机械设计领域中，出现了不少现代设计方法及相应的科学，现在可靠性设计和优化设计在理论上和方法上都达到了一定的水平，但是无论单方面进行可靠性设计还是优化设计，都不可能发挥可靠性设计与优化设计的巨大潜力。一方面是因为可靠性设计有时并不等于优化设计，例如机械产品在经过可靠性设计后，并不能保证它的工作性能或参数就一定处于最佳状态；另一方面是因为优化设计并不一定包含可靠性设计，例如机械产品在没有考虑可靠性的状态下进行优化设计后，并不能保证它在规定的条件下和规定的时间内，完成规定的功能，甚至发生故障和事故，造成损失。另外，由于机械产品有众多的设计参数，要同时确定多个设计参数，单纯的可靠性设计方法就显得无能为力了。所以应该进行可靠性优化设计的研究。可见要使机械产品既保证具有可靠性要求，又保证具有最佳的工作性能和参数，必须将可靠性设计和优化设计有机地结合起来，开展可靠性优化设计研究，给出机械产品靠性优化设计方法[109-139]，只有这样才能发挥可靠性设计与优化设计的巨大潜力，才能发挥两种设计方法的特长，才能达到产品的最佳可靠性要求，使其具有更先进、更实用的设计特点，以便最好地达到预先确定的目标，即在设计中既保证的机械产品的经济效益又保证运行中的安全可靠。

　　4.可靠性灵敏度设计

　　在机械产品优化设计、系统模型修改、结构参数识别、系统动力控制、工程近似分析和估计变化趋势中，灵敏度分析与重分析和再设计已成为多功能的设计工具。实际工程的设计方案，一般都要进行测试试验分析，如果方案有所变化，就必须重新进行一次测试试验分析，这就需要花费大量的人力、物力和财力。以前进行设计与修改，都是凭借经验进行的，有一定的盲目性。复杂机械产品结构系统的物理参数和几何参数很多，进行一次设计和修改，总是希望了解哪些参数对产品特性影响较大，即研究机械产品特性对这些参数的敏感程度，估计参数变化的效果，指出产品随参数变化的改变量，进行灵敏度分析与重分析和再设计，使机械产品的特性为最佳。这样就可以优化产品性能，延长使用寿命，降低工作成本。所以灵敏度分析是机械产品优化设计的基础，而重分析和再设计则是机械产品优化设计的重要手段，也是灵敏度分析的目的之一。灵敏度分析最初在对控制系统数学模型的参数变化的效果估价中得到肯定，以后才进入到大型结构系统的优化设计中来。现在灵敏度分析已在生理学、热动力学、物理化学以及气动弹性力学等众多领域中得到了应用，用以估价分析模型中的参数变化的效果，并寻找出对参数变化敏感的系统。为了实现最佳的机械产品设计、控制和最优的系统运行控制，并能充分发挥设计者的经验和判断能力，实现一种有效的人机交互辅助设计和控制，灵敏度、重分析和再设计的引入更有重要性和迫切性。几十年来，在灵敏度分析方面已有了大量的成果，给出了特征值问题、静态和动态响应以及机械产品参数优化设计等方面的灵敏度分析的许多方法，如直接法、伴随变量法、有限差分法、Green 函数法和FAST 法等[140-142]。

　　在进行机械产品的可靠性分析时，由于各因素对产品失效的影响程度不同，因此关于机械产品的可靠性灵敏度的研究具有重要意义。机械产品的可靠性灵敏度设计，是在可靠性基础上进行灵敏度设计，得到一个用以确定设计参数的改变对产品可靠性影响的评价，可以充分反映各设计参数对机械产品失效影响的不同程度，即敏感性。

    机械可靠性设计的内涵与递进机械产品可靠性灵敏度设计在可靠性设计和修改、可靠性优化设计、可靠性维护等方面均有重要的应用。事实上，若某因素对产品失效有较大的影响，则在设计制造过程中就要严格加以控制，使其变化较小以保证产品有足够的安全可靠性；反之，如果某因素的变异性对产品可靠性的影响不显著，则在进行可靠性设计时，就可以把它当作确定量值处理以降低分析的复杂程度。对反映这种不确定性的产品可靠性灵敏度进行分析研究，给出一种用以确定设计参数的改变对产品可靠性影响的可靠性灵敏度的计算方法[143-188]是十分必要和重要的，从而为工程设计、制造、使用和评估提供了合理和必要的可靠性依据。

　　5.可靠性稳健设计

　　产品质量是企业赢得用户的关键因素。任何一种产品，它的总体质量一般可分为用户质量(外部质量)和技术质量(内部质量)。前者是指用户所能感受到、见到、触到或听到的体现产品优劣的一些质量特性；后者是指产品在优良的设计和制造质量下达到理想功能的稳健性。稳健设计作为一种低成本和高质量的设计思想和方法[189-192]，对产品性能、质量和成本综合考虑，选择出最佳设计，不仅可以提高产品的质量，而且可以降低成本。在机械产品设计中，正确地应用稳健设计的理论与方法可以使产品在制造和使用中，或是在规定的寿命期间内当设计因素发生微小变化时都能保证产品质量的稳定。

　　稳健设计方法起源于20 世纪70 年代末和80 年代初日本学者田口博士创立的三次设计法(系统设计、参数设计、容差设计)，但近些年来，随着计算机技术、优化技术和CAD 技术的发展，又给稳健设计方法中注入了许多新的内容，逐渐形成现今的稳健设计方法，并在学术界和工程界引起重视与兴趣。现有的稳健设计方法大体上分为两类：一类是以经验或半经验设计为基础的传统的稳健设计方法，主要有田口方法、响应面法和广义模型法等[193]；另一类是以工程模型为基础与优化技术相结合的工程稳健优化设计方法，主要有容差多面体法、灵敏度法、变差传递法和随机模型法等[194]。有关国内外稳健设计领域的研究状况详见综述文献[195-200]。

　　机械产品稳健设计的一种有效实用的途径是通过极小化灵敏度来实现稳健设计，在设计阶段通过灵敏度分析，使产品的质量对不确定因素的敏感性最小，使产品具有稳健性。这种方法的优点是能设计出允许更大容差的产品而同时具有较低的成本，是使所设计的产品具有对设计参数变化的不敏感性(即具有稳健性)，它的基本思想是当设计参数发生微小的变差时，在制造或使用中都能保证产品质量的稳健性，以便为企业带来最大的效益，对社会产生最小的损失。

　　机械产品的可靠性稳健设计是在可靠性设计、优化设计、灵敏度设计和稳健设计的基础上进行可靠性稳健设计，把可靠性灵敏度溶入优化设计模型之中，将可靠性稳健设计归结为满足可靠性要求的多目标优化设计问题。在机械产品的设计中，正确地应用可靠性稳健设计的方法[201-227]，可以使产品在经受各种因素的干扰下，都能保持其可靠性的稳定，以使产品的可靠性对设计参数的变化不敏感，提高产品的安全可靠性和鲁棒稳健性。

　　机械产品的可靠性必然会受到一些因素影响，要么尽可能消除这些因素，要么尽量减低这些因素的影响。在实际工程中，实现消除这些影响因素往往很难，即使能够消除也需要花费很大的代价，可见这不是首选的方法；而减低这些因素的影响却是相对容易和代价低的方法，也就是使机械产品可靠性对这些因素的变化不十分敏感，即稳健。

　　结论

　　现在可靠性设计技术越来越受到各行各业的重视，同样可靠性设计技术也应该是我国机械工程学科与行业迅速发展和十分重要的研究方向之一，这种研究可以帮助工程设计人员合理地建立产品的安全容限和控制随机参数对产品安全的影响，使产品的预测工作性能与实际工作性能更加符合，得到既有足够的安全可靠性，又有适当经济性的优化产品。我国在机械可靠性设计领域所取得的相关研究成果吸取了其他学科可靠性工程的优秀研究成果，如：数学力学[228-229]，土木建筑[230-231]等。应用这些研究成果对机械产品进行可靠性设计，可以节省大量的人力、物力和-财力，可以提高设计水平，缩短设计周期，对合理安排试验项目，验证可靠性设计的合理性，指出产品的薄弱环节有着重要的作用，可以节省材料，加强质量，减少能耗，降低成本，有显著的经济效益和社会效益。我们团队应用所提出的广义随机有限元法和广义随机摄动法等方法[232-234]，结合现代数学力学理论，给出了机械产品的可靠性设计、动态可靠性设计、可靠性优化设计、可靠性灵敏度设计和可靠性稳健设计方法，并研制出了机械可靠性设计的实用软件库，可以为机械行业提供可靠性分析与设计的技术服务[235-237]。

参考文献

[1] 闻邦椿, 张义民, 鄂中凯, 等. 机械设计手册[M]. 第5版. 北京：机械工业出版社, 2010.

[2] 徐灏. 机械强度的可靠性设计[M]. 北京：机械工业出版社, 1984.

[3] 高镇同. 疲劳应用统计学[M]. 北京：国防工业出版社,1986.

[4] 杨为民, 盛一兴. 系统可靠性数字仿真[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 1990.

[5] 何国伟. 可靠性设计[M]. 北京：机械工业出版社, 1993.

[6] 何水清, 王善. 结构可靠性分析与设计[M]. 北京：国防工业出版社, 1993.

[7] 刘维信. 机械可靠性设计[M]. 北京：清华大学出版社,1996.

[8] 张义民. 汽车零部件可靠性设计[M]. 北京：北京理工大学出版社, 2000.

[9] 黄洪钟. 机械模糊可靠性原理与方法[M]. 大连：大连理工大学出版社, 2002.

[10] 孙志礼, 陈良玉. 实用机械可靠性设计理论与方法[M].北京：科学出版社, 2003.

[11] 宋笔锋, 冯蕴雯, 刘晓东, 等. 飞行器可靠性工程[M].西安：西北工业大学出版社, 2006.

[12] 赵永翔. 低周疲劳短裂纹行为和可靠性分析[M]. 成都：西南交通大学出版社, 2006.

[13] 谢里阳, 何雪浤, 李佳. 机电系统可靠性与安全性设计[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社, 2006.

[14] 阎楚良, 杨方飞. 机械数字化设计新技术[M]. 北京：机械工业出版, 2007.

[15] 尚德广, 王德俊. 多轴疲劳强度[M]. 北京：科学出版社,2007.

[16] FREUENTHAL A M. The safety of structures[J]. ASCE Trans., 1947, 112：125-129.

[17] ANG A H S, TANG W H. Probability concepts in engineering planning and design, Vol. 1, basic

principles[M]. New York：John Wiley & Sons, Inc., 1975.

[18] ANG A H S, TANG W H. Probability concepts in engineering planning and design, Vol. 2, decision, risk,and reliability[M]. New York：John Wiley & Sons, Inc.,1984.

[19] HAUGEN E B. Probabilistic mechanical design[M]. New York：John Wiley & Sons, Inc., 1980.

[20] PRIESTLEY M B. Spectral analysis and time series[M]. New York：Academic, 1981.