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1、牢靠性设计学习心得随着科学技术的进展，对产品的要求不断提高，不仅要具有好的性能，更要 具有高的牢靠性水平。采纳牢靠性设计弥补了常规设计的不足，使得设计方案更 加贴近生产实际。所谓牢靠性是指“产品在规定时间内，在规定的使用条件下， 完成规定功能的力量或性质”。牢靠性的概率度量称为牢靠度。牢靠性工程的诞 生已近半个世纪的历史，以电子产品牢靠性设计为先导的牢靠性工程迄今进展 得比较成熟，已形成一门独立的学科。相比之下，机械产品的牢靠性设计与讨论 则起步较晚。所谓机械牢靠性，是指机械产品在规定的使用条件下、规定的时间 内完成规定功能的力量。由于工程材料特性的离散性以及测量、加工、制造和安 装误差等因素
2、的影响，使机械产品的系统参数具有固有的不确定性，因此考虑这 种固有随机性的牢靠性设计技术至关重要。据有关方面统计，产品设计对产品质 量的贡献率可达70%80%,可见设计打算了产品的固有质量特性（如：功能、性 能、寿命、平安性和牢靠性等），给予了产品“先天优劣”的本质特性。上世纪 60年月，对机械牢靠性问题引起了广泛的重视并开头对其进行了系统讨论。虽然 国内外都投入了讨论力气，取得了肯定的进展，但终因机械产品牢靠性涉及的领 域太多、牢靠性讨论的范围大、基础性数据缺乏等缘由，机械牢靠性设计在工程 实际中应用得并不广泛。本文简要介绍了牢靠性技术在机械领域中的应用，主要 介绍了一些在机械产品设计中应用
3、的较为成熟的牢靠性技术和牢靠性设计方法， 并且结合当今牢靠性工程学科的进展，指出了牢靠性技术在机械领域中的进展和 趋势。常规设计中，阅历性的成分较多，如基于平安系数的设计。常规设计可通过下式体现：计算中，F、1、E、口、slim等各物理量均视为确定性变量，平安系数则是 一个阅历性很强的系数。上式给出的结论是：若sWs则平安；反之则担心全。应当说，上述观点不够严谨。首先，设计中的很多物理量明是随机变量；基 于前一个观点，当sW s时，未必肯定平安，可能因随机数的存在而仍有担心 全的可能性。在常规设计中，代入的变量是随机变量的一个样本值或统计量，如均值。按 概率的观点，当以。=U 。时，sWs的概
4、率为50%,即牢靠度为50%,或 失效的概率为50%,这是很担心全的。明显有必要在设计之中引入概率的观点，这就是概率设计，也是牢靠性设计 的重要内容。概率设计就是要在原常规设计的计算中引入随机变量和概率运算， 并给出满意强度条件（平安）的概率一牢靠度。机械牢靠性设计是常规设计方法 的进一步进展和深化，它更为科学地计及了各设计变量之间的关系，是高等机械 设计重要的内容之一。牢靠性设计和优化设计作为现代的设计方法，在机械工程中得到了广泛的应 用，并取得良好的经济和社会效益。在机械设计中，结构或零部件具有足够的强度是 设计的重要指标之一。机械牢靠性设计与传统设计方法的主要不同点在于，传统设计是以计
5、算平安系数为主要内容，以计算平安系数时用到的应力、强度等参数均取单值为前提的。而 牢靠性设计则考虑了载荷、零部件的尺寸及材料性能等参数的多值性，即它们均呈肯定的概 率分状态。若按传统的平安系数法进行机械结构或零部件的设计，在有些场合下可能会消失 材料铺张、或牢靠度不足等问题。优化设计不再是过去那种凭借阅历或直观推断来确定结构方案，也不是在满 意所提出要求的前提下，先确定结构方案，再进行强度、刚度等的分析和校核， 然后进行修改以确定结构尺寸。它的设计方法是，借助于电子计算机，应用非线 性规划数学理论及数值计算方法，从全部可行的设计方案中查找出一种最优的设 计方案。它是一种用理论计算代替阅历计算，
6、用精确计算代替近似计算，用最优 设计代替一般的平安寿命可行性设计的方法。将优化设计方法与牢靠性理论结 合，用于进行机械结构或零部件的设计，称为牢靠性优化设计。其最终的设计方 案即考虑了机械结构或零部件的牢靠性要求，又是最优的设计结果。因此，牢靠 性优化设计方法特别适合于工程实际应用。机械牢靠性优化设计主要涉及三个方面（1）机械系统牢靠性的最优安排： 以机械系统的目标牢靠度及其它条件为约束，最优地给各子系统安排系统的牢靠 度，使系统的某些指标，如成本、总费用等达到最优方案。（2）以牢靠度最大为 目标的机械牢靠性优化设计：在保证机械产品的某些功能指标和经济指标的条件 下，使机械产品具有最大的牢靠度
7、。（3）以牢靠度为约束条件的机械牢靠性优化 设计：在保证牢靠性指标的前提下，使机械产品的设计指标达到最优。牢靠性优化设计的优点（1）在常规优化设计中，采纳的是确定性的结构分 析模型和方法，其模型和方法本身打算了它无法反映出作用荷载和结构参数等的 随机性。而在牢靠性优化设计中是以结构的概率分析为基础，因此能够考虑荷载 和参数的随机性。（2）常规的优化结果往往降低了结构的平安余度或设防水平， 所获得的最优解般处于设计可行域的临界面上，且没有足够的平安概率上的保 证，从工程的观点看，这些结果是不能被接受的。丽牢靠性优化设计获得的是满 意牢靠性要求的最佳方案，或者使结构在满意其它要求条件下其牢靠度达到
8、最大 值。（3）在常规优化设计中，结构的平安性只能通过对各单元的强度约束条件来 保证。但从系统的观点看，单元的功能满意并不能确保整个结构系统的功能得以 满意。而在牢靠性优化设计中，既可以单元的牢靠性作为约束，亦可以结构系统 的牢靠性作为约束，自然可以获得满意系统功能要求的最佳设计方案。牢靠性是产品质量的一项重要指标。重要关键产品的牢靠性问题比较突出， 如航空航天产品；量大面广的产品，牢靠性与经济性亲密相关，如洗衣机等；高 牢靠性的产品，市场的竞争力强；牢靠性工作周期长、耗资大，非几个人、某一 个部门可以做好的，需全行业通力协作、长期工作；目前，牢靠性理论不尽成熟, 基础差、需进展。与其他产品相
9、比机械产品的牢靠性技术有以下特点：因设计平 安系数较大而掩盖了冲突，机械牢靠性技术落后；机械产品的失效形式多，牢靠 性问题简单；机械产品的试验周期长、耗资大、试验结果的可参考性差；机械系 统的规律关系不清楚，串、并联关系简单混淆；综上所述，要实现机械零件的牢靠性设计，需要综合各个学科学问，同时需 要大量工作实践，尤其针对目前国内机械行业的详细状况而言，各种材料性能参 数的不确定性、标准零件的质量问题等因素，对机械设计师就提出了更高的要求。只有把宏观上的牢靠性统计、试验技术等问题与微观的材料失效机理及其老 化过程等问题讨论以及实际设计阅历等联合起来共同解决，才会更有助于推动机 械牢靠性技术的进展。