可靠性设计心得

可靠性设计学习心得

随着科学技术的发展，对产品的要求不断提高，不仅要具有好的性能，更要具有高的可靠性水平。采用可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。所谓可靠性是指“产品在规定时间内，在规定的使用条件下，完成规定功能的能力或性质”。可靠性的概率度量称为可靠度。可靠性工程的诞生已近半个世纪的历史, 以电子产品可靠性设计为先导的可靠性工程迄今发展得比较成熟, 已形成一门独立的学科。相比之下, 机械产品的可靠性设计与研究则起步较晚。所谓机械可靠性，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能力。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可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%，可见设计决定了产品的固有质量特性(如：功能、性能、寿命、安全性和可靠性等)，赋予了产品“先天优劣”的本质特性。上世纪60年代, 对机械可靠性问题引起了广泛的重视并开始对其进行了系统研究。虽然国内外都投入了研究力量, 取得了一定的进展，但终因机械产品可靠性涉及的领域太多、可靠性研究的范围大、基础性数据缺乏等原因，机械可靠性设计在工程实际中应用得并不广泛。本文简要介绍了可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的较为成熟的可靠性技术和可靠性设计方法，并且结合当今可靠性工程学科的发展，指出了可靠性技术在机械领域中的发展和趋势。

常规设计中，经验性的成分较多，如基于安全系数的设计。 常规设计可通过下式体现：

S E l F f lim

][...),,,(σσμσ=≤=

计算中，F 、l 、E 、μ、slim 等各物理量均视为确定性变量，安全系数则是一个经验性很强的系数。

上式给出的结论是：若s≤[s]则安全；反之则不安全。

应该说，上述观点不够严谨。首先，设计中的许多物理量明是随机变量；基

于前一个观点，当s≤ [s]时，未必一定安全，可能因随机数的存在而仍有不安全的可能性。

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μσ= μ [σ]时，s≤[s]的概率为50%，即可靠度为50%，或失效的概率为50%，这是很不安全的。

显然有必要在设计之中引入概率的观点，这就是概率设计，也是可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，并给出满足强度条件（安全）的概率─可靠度。机械可靠性设计是常规设计方法的进一步发展和深化，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。

可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。机械可靠性设计与传统设计方法的主要不同点在于，传统设计是以计算安全系数为主要内容，以计算安全系数时用到的应力、强度等参数均取单值为前提的。而可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，即它们均呈一定的概率分状态。若按传统的安全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出现材料浪费、或可靠度不足等问题。

优化设计不再是过去那种凭借经验或直观判断来确定结构方案，也不是在满足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，从所有可行的设计方案中寻找出一种最优的设计方案。它是一种用理论计算代替经验计算，用精确计算代替近似计算，用最优设计代替一般的安全寿命可行性设计的方法。将优化设计方法与可靠性理论结

合，用于进行机械结构或零部件的设计，称为可靠性优化设计。其最终的设计方案即考虑了机械结构或零部件的可靠性要求，又是最优的设计结果。因此，可靠性优化设计方法非常适合于工程实际应用。

机械可靠性优化设计主要涉及三个方面（1）机械系统可靠性的最优分配：以机械系统的目标可靠度及其它条件为约束，最优地给各子系统分配系统的可靠度，使系统的某些指标，如成本、总费用等达到最优方案。（2）以可靠度最大为目标的机械可靠性优化设计：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可靠度。（3）以可靠度为约束条件的机械可靠性优化设计：在保证可靠性指标的前提下，使机械产品的设计指标达到最优。

可靠性优化设计的优点（1）在常规优化设计中，采用的是确定性的结构分析模型和方法，其模型和方法本身决定了它无法反映出作用荷载和结构参数等的随机性。而在可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安全余度或设防水平，所获得的最优解～般处于设计可行域的临界面上，且没有足够的安全概率上的保证，从工程的观点看，这些结果是不能被接受的。丽可靠性优化设计获得的是满足可靠性要求的最佳方案，或者使结构在满足其它要求条件下其可靠度达到最大值。（3）在常规优化设计中，结构的安全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，单元的功能满足并不能确保整个结构系统的功能得以满足。而在可靠性优化设计中，既可以单元的可靠性作为约束，亦可以结构系统的可靠性作为约束，自然可以获得满足系统功能要求的最佳设计方案。

可靠性是产品质量的一项重要指标。重要关键产品的可靠性问题比较突出，如航空航天产品；量大面广的产品，可靠性与经济性密切相关，如洗衣机等；高可靠性的产品，市场的竞争力强；可靠性工作周期长、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，可靠性理论不尽成熟，基础差、需发展。与其他产品相比机械产品的可靠性技术有以下特点：因设计安全系数较大而掩盖了矛盾，机械可靠性技术落后；机械产品的失效形式多，可靠性问题复杂；机械产品的实验周期长、耗资大、实验结果的可参考性差；机械系统的逻辑关系不清晰，串、并联关系容易混淆；

综上所述，要实现机械零件的可靠性设计，需要综合各个学科知识，同时需