机械零件可靠性设计的研究与展望

1、    机械零件可靠性设计的研究与展望    刘晓洁陈自兵摘要：本文介绍了机械零部件可靠性设计的概念，简述了几种可靠性设计的主要方法。总结了目前机械可靠性设计中存在的几个困难，提出了可靠性优化设计并做了简单的介绍。最后对机械可靠性的发展趋势做了简单的展望。关键词：可靠性设计；优化设计；发展趋势；展望0.引言当前，我们进行机械零部件进行设计时通常都是用传统的设计方法。这种传统的零部件的设计方法可统称为安全系数法，在设计前首先选定一个安全系数，对许用值（比如强度、寿命等）进行放大，如果选却的安全系数太小，可能会使得零部件的强度不够，但是选定的过大又会引起结构

2、重量增加增加制造和运行成本。同时，安全系数的选定并没有进行充分的理论分析，主观随意陛较大。如果采用可靠性设计则可以避免和解决这些问题。1.可靠性的定义和特征（一）可靠性的定义产品在特定条件下和规定时间内完成所需功能的能力，称为可靠性。通常所说的可靠性是指狭义可靠性。如果在使用产品时，对其对按照规定进行维护和修理，在此运行条件下执行任务总是处于良好的运行状态，这就指的是广义可靠性了。（二）可靠性的特征量产品在规定的条件下和规定的时间内完成所需功能的概率，称为可靠度。通常用r（t）来表示，r（t）=p（t>t）。其取值范围为o<r（t）< p>失效概率是指与可靠度对立的事件

3、，称为是不可靠度或失效概率f（t），f（t）=p（tt）。可知r（t）+f（t）+12.可靠性设计的主要方法可靠性设计理论的理论基础来源于故障物理学，同时要进行可靠性试验并统计故障数据，对数据进行分析后建立能进行有效计算的力学模型。这些方法主要包括应力一强度干涉模型法、等效正态分布法、随机摄动法和二阶矩法等。3.可靠性优化设计可靠性设计对于大多数的机械零部件设计是有效的，但是如果机械零部件的设计参数较多、结构系统复杂的零部件，传统的可靠性设计方法就有相当的局限性了，这就需要寻求新的设计方法机械零部件可靠性优化设计。运用这种方法对机械零部件进行设计时要注意以下几个问题。（一）优化准则。机械零部件

4、可靠性优化设计的准则是：根据不同的设计要求，选取不同的特征函数作为目标函数。（二）设计变量机械零部件设计常用的变量：零部件尺寸（定形尺寸、定位尺寸、总体尺寸）、材料的力学性能（强度、塑性、韧性等）、物理特性（密度、熔点、导电性）、化学特征（抗氧化、耐高温、耐腐蚀）等，这些设计参数都是相互独立的，在对其进行优化设计的过程中需反复进行优化并最终确定一个合适的值。同时，在确定设计变量时，还需要充分考虑各个参数的随机性以及分布规律，使的选取的这些参数更够真实的反映出零部件真实的工作状况。（三）约束条件约束条件主要从两个方面进行，一是限制零部件的结构参数，二是限制零部件某项性能，具体选择可根据具体情况参

5、考常规优化设计确定。4.可靠性设计的难点和发展方向（一）可靠性设计的难点目前，虽然对机械零部件可靠性设计的研究和应用都取得了一定的成果，但仍旧存在一些难点，主要有以下几点：（1）机械产品承受的载荷往往具有多样性、复杂性、随机性以及不确定性，这使得参数的选取有一定的困难，增加了设计的困难性。（2）机械产品在结构和功能上并不是严格的串联或并联关系。因此，要精确统计某一零部件的故障率难度较大。（3）机械产品设计不能简单地采用标准化零件的设计方式进行，需要对其进行单独设计。（4）通常情况下，机械产品产生故障原因是多方面的、不确定的。比如疲劳破坏、摩擦磨损、化学腐蚀、高温蠕变以及老化等，由于这些因素都是

6、具有耗损性的，因此难以采用定量的方法对参数进行定义和描述。（5）机械产品发生耗损具有较大的随机性，如果对故障物理的研究与认识不够深入，那么建立可靠性优化设计计算的模型是很困难的。（6）可靠性优化设计的产品试验周期较长，花费也高，使得数据结果的应用受到一定的限制。（二）可靠性设计的发展方向（1）无故障涉及和耐久陛设计机械产品的可靠性设计研究的对象是产品的故障率。对不同的故障模式下损伤破坏发生的规律以及不可修产品与可修产品的差异进行研究，再根据研究的结果选取相应的设计方法。针对偶发性的故障，可对其进行无故障性设计，针对渐发性的故障可对其进行耐久性设计。因此，无故障性设计和耐久性设计将是今后可靠性设

7、计发展的一个重要方向。（2）定性设计与定量设计相结合在针对某个机械产品进行设计时，可根据具体情况采用定性设计和定量设计相结合的方法。综合运用各种设计方法，不能仅仅拘泥于某一种设计方法。（3）传统设计方法与可靠性设计相结合传统的安全系数法虽然有种种局限性，但其使用时间长，且直观、简单、设计工作量小，在很多情况是可以保证机械零部件的可靠性的。并且目前机械产品的可靠性设计的推广和使用都存在一定的困难，因此还不能完全摒弃安全系数设计法。现阶段我们可以借鉴可靠性设计的理念，对传统的安全系数法进行完善和改进。（4）加强可靠性设计数据的分析研究要保证可靠性设计精确性和先进性是建立在应力、强度、寿命等设计参数的真实性和精确性之上的，而通常情况下能准确获取这些数据是较为困难的，而且目前这些数据也比较缺乏。因此，要