【文章內(nèi)容簡介】 日趨復雜，使用場所更加廣泛，產(chǎn)品的性能和可靠性問題也就越來越突出。機械可靠性設計的基本任務是在故障物理學研究的基礎上，結(jié)合可靠性試驗以及故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，提供實際計算的數(shù)學力學模型和方法及實踐?？萍佳芯咳藛T和工程設計人員積極投入到可靠性工程的研究與實踐之中，取得了可喜的成果。張義民[1]結(jié)合現(xiàn)代數(shù)學力學理論，系統(tǒng)地闡明機械可靠性設計、機械動態(tài)可靠性設計、機械可靠性優(yōu)化設計、機械可靠性靈敏度設計、機械可靠性穩(wěn)健設計等可靠性設計理論與方法內(nèi)涵與遞進。陳靜等[2]闡述了機械產(chǎn)品優(yōu)化設計及可靠性的相關理論，介紹了可靠性優(yōu)化設計的應用及發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了機械行業(yè)相關的軟件應用情況。喻天翔等[3]對當前機械可靠性的特點和爭議進行介紹，從Bayesian理論、FMECA和疲勞可靠性試驗三個方面總結(jié)了機械可靠性試驗技術相關的重要理論問題及其發(fā)展，并闡述了可靠性增長試驗、加速試驗和微機械可靠性試驗技術的國內(nèi)外發(fā)展，總結(jié)了機械可靠性試驗技術研究存在的問題及其發(fā)展趨勢?？煽啃栽O計 可靠性設計傳統(tǒng)的機械設計方法認為零件的強度和應力都是單值，只要計算出的安全系數(shù)大于規(guī)定的安全系數(shù)，就認為零件是安全的，因而設計過程中忽略了各設計參數(shù)的隨機性?？煽啃栽O計將零件的應力和強度作為隨機變量，認為應力受到各種環(huán)境因素(溫度、腐蝕、粒子輻射等)的影響，具有一定的分布規(guī)律；強度受材料的性能、工藝環(huán)節(jié)的波動和加工精度等的影響，也是具有一定的分布規(guī)律?？煽啃栽O計認為所設計的任一機械存在著一定的失效可能性，設計時根據(jù)需要預先控制的失效概率或可靠度，考慮各參數(shù)的隨機性及分布規(guī)律，以反映出零部件的實際工作狀況。產(chǎn)品的可靠性表示產(chǎn)品在規(guī)定使用條件和使用期限內(nèi)，保持其正常技術性能完成規(guī)定功能的能力。可靠性設計的一個目標是計算可靠度，可靠度是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。其表達式為：R=242。g(X)0fx(X)dX式中fx(X)為基本隨機參數(shù)向量X=(X1,X2,Xn)T的聯(lián)合概率密度；g(X)為狀態(tài)函數(shù)，可表示零件的不同狀態(tài)：g(X)0為安全狀態(tài)，g(X)現(xiàn)代生產(chǎn)的經(jīng)驗表明，在設計、制造和使用產(chǎn)品的三個階段中，設計決定了產(chǎn)品的可靠性水平，即產(chǎn)品的固有可靠性，而制造和使用是保證產(chǎn)品可機械可靠性分析與設計的方法很多，總體上可以歸納成兩類，即數(shù)學模型法與物理原因法。數(shù)學模型法是指可靠性遵從由某種試驗數(shù)據(jù)獲得的概率統(tǒng)計規(guī)律，而物理原因法是指考慮失效的物理原因的方法。 動態(tài)可靠性設計經(jīng)典的可靠性設計理論不能考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力學行為，為了彌補這種缺失必須開展動態(tài)可靠性的研究。動態(tài)可靠性是指產(chǎn)品在運動或振動狀況下的可靠性，“動態(tài)”強調(diào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所包含的動態(tài)特性(如：振動頻率、輸出響應、能量傳遞等)，由于機械產(chǎn)品的特性及參數(shù)(如：強度、應力、物理變量、幾何尺寸等)具有固有的隨機性，同時機械產(chǎn)品運行是也是典型的動態(tài)過程，載荷、工況、應力等運行環(huán)境及參數(shù)也都是隨時間變化的量，因而必須將其處理為隨機過程。不考慮動態(tài)特性將難以得到產(chǎn)品準確的失效數(shù)據(jù)和可靠性信息，這必然使可靠性的研究從靜態(tài)可靠性向動態(tài)可靠性轉(zhuǎn)變。另外，多數(shù)機械產(chǎn)品的特性數(shù)值隨時間而逐漸變化，如：因疲勞、磨損、腐蝕等造成的機械強度降低等，使產(chǎn)品的可靠性表現(xiàn)出了漸變的特征?？梢妼C械動力學與機械可靠性有機地結(jié)合起來，研究動態(tài)可靠性設計的基礎理論與方法具有重要意義?？煽啃詢?yōu)化設計機械優(yōu)化設計是隨著電子計算機的廣泛使用而迅速發(fā)展起來的一門學科，在現(xiàn)代機械設計中占有重要的地位。機械產(chǎn)品優(yōu)化設計的目的是以最少的材料，最低的造價，最簡單的工藝，實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)靠性指標的實現(xiàn)?？煽啃栽囼灁?shù)據(jù)是可靠性設計的基礎，但是試驗不能提高產(chǎn)品的可靠性，只有設計才能決定產(chǎn)品的固有可靠性。機械產(chǎn)品與可靠性的關系框圖見圖1。的最優(yōu)性能，包括強度、剛度、穩(wěn)定性等目標。當然設計時既要考慮各種載荷的隨機性，又要考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)的隨機性，以及二者對產(chǎn)品性能的影響。機械優(yōu)化設計追求最合理的利用材料的性能，使各個部件或零件的幾何參數(shù)得到最好的協(xié)調(diào)，使設計者從眾多的設計方案中獲得較為完善的或最為合適的最優(yōu)設計方案。優(yōu)化設計數(shù)學模型的3個要素是目標函數(shù)、約束條件和設計變量。雖然目前可靠性設計和優(yōu)化設計在理論和方法上都達到了一定的水平，但是無論單方面進行可靠性設計還是優(yōu)化設計，都不可能發(fā)揮可靠性設計與優(yōu)化設計的巨大潛力。一方面是因為可靠性設計有時并不等于優(yōu)化設計，例如機械產(chǎn)品在經(jīng)過可靠性設計后，并不能保證它的工作性能或參數(shù)就一定處于最佳狀態(tài)；另一方面是因為優(yōu)化設計并不一定包含可靠性設計，例如機械產(chǎn)品在沒有考慮可靠性的狀態(tài)下進行優(yōu)化設計后，并不能保證它在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定的功能，甚至發(fā)生故障和事故，造成損失。另外，由于機械產(chǎn)品有眾多的設計參數(shù)，要同時確定多個設計參數(shù)，單純的可靠性設計方法就顯得無能為力了。所以應該進行可靠性優(yōu)化設計的研究，使機械產(chǎn)品既保證具有可靠性要求，又保證具有最佳的工作性能和參數(shù)?？煽啃詢?yōu)化設計方法是在常規(guī)優(yōu)化設計方法的基礎上，結(jié)合可靠性設計理論發(fā)展起來的一種有效的優(yōu)化設計方法。它將可靠性分析理論與數(shù)學規(guī)劃方法有機地結(jié)合在一起，也就是說在優(yōu)化設計中將設計參數(shù)作為隨機變量，以產(chǎn)品的可靠度作為目標函數(shù)或約束條件，運用最優(yōu)化方法得到在概率意義下的最佳設計的一種數(shù)值計算方法。由于它彌補了單一可靠性設計或優(yōu)化設計的不足，使設計不僅符合工況運行要求，而且得出最優(yōu)的設計參數(shù)，因而更具有工程實用價值?？煽啃詢?yōu)化設計，一般包含三方面的內(nèi)容：質(zhì)量、成本、可靠度，把產(chǎn)品的總體可靠度作為性能約束的優(yōu)化，將會產(chǎn)生與合理安全性相協(xié)調(diào)的平衡設計，也就是在給定結(jié)構(gòu)布局和給定產(chǎn)品質(zhì)量或成本之下，使產(chǎn)品有最大的可靠度。相對于常規(guī)的優(yōu)化設計，可靠性優(yōu)化設計的特點在于將可靠性設計引入優(yōu)化設計當中。將可靠性設計理論與優(yōu)化技術結(jié)合起來通常有兩種方法：（1）要求結(jié)構(gòu)或零部件在滿足一定性能的條件下，使其可靠度達到最大。（2）在結(jié)構(gòu)或零部件達到最佳性能指標時，要求它的工作可靠度不低于某一規(guī)定水平。機械可靠性試驗技術可靠性試驗是對產(chǎn)品的可靠性進行調(diào)查、分析和評價的一種手段。其目的是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設計、材料和工藝方面的各種缺陷，為改善產(chǎn)品的戰(zhàn)備完好性，提高任務成功率，減少維修費用及保障費用提供信息，確認是否符合可靠性定量要求?？煽啃栽囼灴煞譃楣こ淘囼灪徒y(tǒng)計試驗兩大類，工程試驗的目的在于暴露產(chǎn)品的可靠性缺陷，并采取糾正措施加以排除。這種試驗由承制方進行，以研制樣機為受試產(chǎn)品，包括環(huán)境應力篩選試驗及可靠性增長試驗。環(huán)境應力篩選是施加環(huán)境應力到產(chǎn)品，以發(fā)現(xiàn)和排除不良零件、元器件、工藝缺陷等潛在缺陷為目的試驗方法?？煽啃栽鲩L試驗是為了暴露產(chǎn)品的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，并證明改進措施能防止可靠性薄弱環(huán)節(jié)再現(xiàn)而進行的一系列可靠性試驗方法。結(jié)論可靠性優(yōu)化設計是在常規(guī)優(yōu)化設計的基礎上，結(jié)合可靠性設計理論發(fā)展起來的一種有效的優(yōu)化設計方法。本文在總結(jié)現(xiàn)有文獻的基礎上對機械可靠性優(yōu)化設計進行綜述，系統(tǒng)闡述了機械可靠性、可靠性設計、可靠性優(yōu)化設計及可靠性試驗的理論及方法。人機工程學隨著時代的進步、科技的發(fā)展，人機工程學的理論 研究日益成熟，但如今人機工程學理論在實際設計生 產(chǎn)過程中的應用還是以個案的改進為主。此外，產(chǎn)品 造型一直是設計中一個十分棘手的向題，造型設計實 踐中常常走入為了變化而變化的設計誤區(qū)，造成形態(tài) 蒼白而缺乏內(nèi)涵的設計局面，這些狀況體現(xiàn)了設計者 缺乏對產(chǎn)品設計本質(zhì)的認識與思考；對于產(chǎn)品而言，究 其根本，產(chǎn)品是工具，它是為人服務，產(chǎn)品的價值體現(xiàn) 在產(chǎn)品與人的結(jié)合關系以及所帶來的效用上，因此人 與產(chǎn)品的關系及針對兩者之間關系的認知研究才是產(chǎn) 品造型設計中人機工程知識應用研究的核心。1 人機工程學知識 人機工程學 是一門技術科學、人體科學以及社會科學相交叉的綜合性新興邊緣學科，它與產(chǎn)品造型設計關系密切，是產(chǎn)品設計工作者和社會科學工作者共同研究的課題。目前國內(nèi)外對人機工程學的解釋有多種，但在 研究對象、手段及目的方面是基本一致的：即主要研 究如何根據(jù)人的生理、心理特點及要求來設計、布置機器設備、儀表（包括勞動工具）等，設計、安排工作場所及工作環(huán)境，使人的勞動更合理，使機器設備、儀表、工具等便于操作，從而達到改善勞動條件、減少能量消耗、減輕疲勞、降低事故發(fā)生率和提高工作效率的目的。簡而言之，人機工程學就是研究人與機器設 備之間的相互關系及其合理配合，使之更適合人的生理、心理特點，進而使勞動環(huán)境更安全舒適，使人機系 統(tǒng)的工作效率達到最佳化的一門學科[1]。 造型設計中人機工程學知識研究的內(nèi)容 在當今的產(chǎn)品造型設計與開發(fā)中，產(chǎn)品的宜人性、創(chuàng)新性、適用性等因素越來越受到設計方與使用。人機工程學知識在產(chǎn)品設計過程中的應用地位也得到提高。其一，人機工程知識的研究是使產(chǎn)品功能得到最佳發(fā)揮的基礎條件，如果沒有人、機之間的科學配套，產(chǎn)品的合理使用無從談起，產(chǎn)品的造型語言也不能體現(xiàn)產(chǎn)品所具備的使用細節(jié)；其二，人機工程知識的研究探索實踐了關于人的科學，其中對人的活動、生產(chǎn)、生活的研究已經(jīng)成為新產(chǎn)品 開發(fā)的重要推動力。在產(chǎn)品造型設計過程中的人機 系統(tǒng)設計主要研究內(nèi)容有4個方面。1）人與產(chǎn)品造型的關系因素研究。人作為設計的主體對象是產(chǎn)品設計中人機研究的重點，也是人機研究的基礎；人的自然屬性（如人體形態(tài)特征參數(shù)、人的感知特性、人的反應特性以及人在操作產(chǎn)品過程中 的心理特征等）與人的社會屬性（如人的社會行為、價 值觀念、人文環(huán)境、社會背景文化等）都是影響人與產(chǎn)品造型的重要關系因素。2）人機的系統(tǒng)關系因素研究。人機的系統(tǒng)關系優(yōu)化是為了創(chuàng)造最優(yōu)的人機配合，優(yōu)化的尺度關系、舒適的環(huán)境關系、可辨識的界面關系都是充分發(fā)揮人、機各自的特點，相互配合、協(xié)調(diào)工作的重要因素，兩者之間的系統(tǒng)設計問題也是人和產(chǎn)品有機交流的 重要前提。3）產(chǎn)品的人機環(huán)境因素研究。產(chǎn)品的造型設計 要符合產(chǎn)品的使用環(huán)境，產(chǎn)品的內(nèi)部環(huán)境也要對人的 健康與效率負責，重視細節(jié)的微觀內(nèi)部環(huán)境與重視系統(tǒng)關系的宏觀外部環(huán)境構(gòu)成了產(chǎn)品人機環(huán)境因素的主體。4）產(chǎn)品的人機安全性因素研究。產(chǎn)品的安全性 因素可分為2個方面，對使用者來講不僅需要高效的 操作，更需要將事故危險性減小到最低限度，這就需 要有相應的防護、保險、余量、防失誤、事故控制、求援 方法等等安全性的設計因素；此外，產(chǎn)品的人機安全 也需要反映到延長產(chǎn)品的操作壽命與降低操作者的使用破壞性等因素。設計的認知在產(chǎn)品設計的人機工程學研究中需要對人—機—環(huán)境這3個因素進行分析，見圖1，三者相互依存、相互制約；但是，因為各自研究方法和研究思想不同，也所屬不同的研究領域，因此要實現(xiàn)人—機—環(huán)境的優(yōu)化組合，難度是相當大的。此外，雖然許多設計工作者已經(jīng)有組織地對人—機—環(huán)境三者之間的關系進 行實驗研究，并積累了大量有關數(shù)據(jù)，但是對這些數(shù) 據(jù)的綜合運用仍是憑經(jīng)驗進行，因而這種人機研究與應用的方式難以取得人—機—環(huán)境匹配的最佳效 果。因此，如何將產(chǎn)品造型設計中人機工程的知識內(nèi) 容應用到產(chǎn)品造型