【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 日趨復(fù)雜，使用場(chǎng)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(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是在故障物理學(xué)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠性試驗(yàn)以及故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，提供實(shí)際計(jì)算的數(shù)學(xué)力學(xué)模型和方法及實(shí)踐?？萍佳芯咳藛T和工程設(shè)計(jì)人員積極投入到可靠性工程的研究與實(shí)踐之中，取得了可喜的成果。張義民[1]結(jié)合現(xiàn)代數(shù)學(xué)力學(xué)理論，系統(tǒng)地闡明機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)、機(jī)械動(dòng)態(tài)可靠性設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性靈敏度設(shè)計(jì)、機(jī)械可靠性穩(wěn)健設(shè)計(jì)等可靠性設(shè)計(jì)理論與方法內(nèi)涵與遞進(jìn)。陳靜等[2]闡述了機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)及可靠性的相關(guān)理論，介紹了可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了機(jī)械行業(yè)相關(guān)的軟件應(yīng)用情況。喻天翔等[3]對(duì)當(dāng)前機(jī)械可靠性的特點(diǎn)和爭(zhēng)議進(jìn)行介紹，從Bayesian理論、FMECA和疲勞可靠性試驗(yàn)三個(gè)方面總結(jié)了機(jī)械可靠性試驗(yàn)技術(shù)相關(guān)的重要理論問題及其發(fā)展，并闡述了可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)、加速試驗(yàn)和微機(jī)械可靠性試驗(yàn)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展，總結(jié)了機(jī)械可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究存在的問題及其發(fā)展趨勢(shì)?？煽啃栽O(shè)計(jì) 可靠性設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法認(rèn)為零件的強(qiáng)度和應(yīng)力都是單值，只要計(jì)算出的安全系數(shù)大于規(guī)定的安全系數(shù)，就認(rèn)為零件是安全的，因而設(shè)計(jì)過程中忽略了各設(shè)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性。可靠性設(shè)計(jì)將零件的應(yīng)力和強(qiáng)度作為隨機(jī)變量，認(rèn)為應(yīng)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(qiáng)度受材料的性能、工藝環(huán)節(jié)的波動(dòng)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(shè)計(jì)認(rèn)為所設(shè)計(jì)的任一機(jī)械存在著一定的失效可能性，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)需要預(yù)先控制的失效概率或可靠度，考慮各參數(shù)的隨機(jī)性及分布規(guī)律，以反映出零部件的實(shí)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(shù)性能完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo)是計(jì)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(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。其表達(dá)式為：R=242。g(X)0fx(X)dX式中fx(X)為基本隨機(jī)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(yàn)表明，在設(shè)計(jì)、制造和使用產(chǎn)品的三個(gè)階段中，設(shè)計(jì)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(jī)械可靠性分析與設(shè)計(jì)的方法很多，總體上可以歸納成兩類，即數(shù)學(xué)模型法與物理原因法。數(shù)學(xué)模型法是指可靠性遵從由某種試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的概率統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而物理原因法是指考慮失效的物理原因的方法。 動(dòng)態(tài)可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)典的可靠性設(shè)計(jì)理論不能考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為，為了彌補(bǔ)這種缺失必須開展動(dòng)態(tài)可靠性的研究。動(dòng)態(tài)可靠性是指產(chǎn)品在運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)狀況下的可靠性，“動(dòng)態(tài)”強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所包含的動(dòng)態(tài)特性(如：振動(dòng)頻率、輸出響應(yīng)、能量傳遞等)，由于機(jī)械產(chǎn)品的特性及參數(shù)(如：強(qiáng)度、應(yīng)力、物理變量、幾何尺寸等)具有固有的隨機(jī)性，同時(shí)機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)行是也是典型的動(dòng)態(tài)過程，載荷、工況、應(yīng)力等運(yùn)行環(huán)境及參數(shù)也都是隨時(shí)間變化的量，因而必須將其處理為隨機(jī)過程。不考慮動(dòng)態(tài)特性將難以得到產(chǎn)品準(zhǔn)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(dòng)態(tài)可靠性轉(zhuǎn)變。另外，多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品的特性數(shù)值隨時(shí)間而逐漸變化，如：因疲勞、磨損、腐蝕等造成的機(jī)械強(qiáng)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(jī)械動(dòng)力學(xué)與機(jī)械可靠性有機(jī)地結(jié)合起來，研究動(dòng)態(tài)可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論與方法具有重要意義?？煽啃詢?yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛使用而迅速發(fā)展起來的一門學(xué)科，在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中占有重要的地位。機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是以最少的材料，最低的造價(jià)，最簡(jiǎn)單的工藝，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)靠性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)?？煽啃栽囼?yàn)數(shù)據(jù)是可靠性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但是試驗(yàn)不能提高產(chǎn)品的可靠性，只有設(shè)計(jì)才能決定產(chǎn)品的固有可靠性。機(jī)械產(chǎn)品與可靠性的關(guān)系框圖見圖1。的最優(yōu)性能，包括強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等目標(biāo)。當(dāng)然設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮各種載荷的隨機(jī)性，又要考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)的隨機(jī)性，以及二者對(duì)產(chǎn)品性能的影響。機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)追求最合理的利用材料的性能，使各個(gè)部件或零件的幾何參數(shù)得到最好的協(xié)調(diào)，使設(shè)計(jì)者從眾多的設(shè)計(jì)方案中獲得較為完善的或最為合適的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的3個(gè)要素是目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計(jì)變量。雖然目前可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)在理論和方法上都達(dá)到了一定的水平，但是無論單方面進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)還是優(yōu)化設(shè)計(jì)，都不可能發(fā)揮可靠性設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的巨大潛力。一方面是因?yàn)榭煽啃栽O(shè)計(jì)有時(shí)并不等于優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如機(jī)械產(chǎn)品在經(jīng)過可靠性設(shè)計(jì)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?yàn)閮?yōu)化設(shè)計(jì)并不一定包含可靠性設(shè)計(jì)，例如機(jī)械產(chǎn)品在沒有考慮可靠性的狀態(tài)下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，并不能保證它在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)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(jī)械產(chǎn)品有眾多的設(shè)計(jì)參數(shù)，要同時(shí)確定多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，單純的可靠性設(shè)計(jì)方法就顯得無能為力了。所以應(yīng)該進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，使機(jī)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(shè)計(jì)方法是在常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠性設(shè)計(jì)理論發(fā)展起來的一種有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。它將可靠性分析理論與數(shù)學(xué)規(guī)劃方法有機(jī)地結(jié)合在一起，也就是說在優(yōu)化設(shè)計(jì)中將設(shè)計(jì)參數(shù)作為隨機(jī)變量，以產(chǎn)品的可靠度作為目標(biāo)函數(shù)或約束條件，運(yùn)用最優(yōu)化方法得到在概率意義下的最佳設(shè)計(jì)的一種數(shù)值計(jì)算方法。由于它彌補(bǔ)了單一可靠性設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)的不足，使設(shè)計(jì)不僅符合工況運(yùn)行要求，而且得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，因而更具有工程實(shí)用價(jià)值。可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(huì)產(chǎn)生與合理安全性相協(xié)調(diào)的平衡設(shè)計(jì)，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(duì)于常規(guī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于將可靠性設(shè)計(jì)引入優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中。將可靠性設(shè)計(jì)理論與優(yōu)化技術(shù)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(dá)到最大。（2）在結(jié)構(gòu)或零部件達(dá)到最佳性能指標(biāo)時(shí)，要求它的工作可靠度不低于某一規(guī)定水平。機(jī)械可靠性試驗(yàn)技術(shù)可靠性試驗(yàn)是對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行調(diào)查、分析和評(píng)價(jià)的一種手段。其目的是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、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(wù)成功率，減少維修費(fèi)用及保障費(fèi)用提供信息，確認(rèn)是否符合可靠性定量要求?？煽啃栽囼?yàn)可分為工程試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)兩大類，工程試驗(yàn)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(yàn)由承制方進(jìn)行，以研制樣機(jī)為受試產(chǎn)品，包括環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)及可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。環(huán)境應(yīng)力篩選是施加環(huán)境應(yīng)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(yàn)方法。可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)是為了暴露產(chǎn)品的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，并證明改進(jìn)措施能防止可靠性薄弱環(huán)節(jié)再現(xiàn)而進(jìn)行的一系列可靠性試驗(yàn)方法。結(jié)論可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)是在常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠性設(shè)計(jì)理論發(fā)展起來的一種有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文在總結(jié)現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行綜述，系統(tǒng)闡述了機(jī)械可靠性、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)及可靠性試驗(yàn)的理論及方法。人機(jī)工程學(xué)隨著時(shí)代的進(jìn)步、科技的發(fā)展，人機(jī)工程學(xué)的理論 研究日益成熟，但如今人機(jī)工程學(xué)理論在實(shí)際設(shè)計(jì)生 產(chǎn)過程中的應(yīng)用還是以個(gè)案的改進(jìn)為主。此外，產(chǎn)品 造型一直是設(shè)計(jì)中一個(gè)十分棘手的向題，造型設(shè)計(jì)實(shí) 踐中常常走入為了變化而變化的設(shè)計(jì)誤區(qū)，造成形態(tài) 蒼白而缺乏內(nèi)涵的設(shè)計(jì)局面，這些狀況體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者 缺乏對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)與思考；對(duì)于產(chǎn)品而言，究 其根本，產(chǎn)品是工具，它是為人服務(wù)，產(chǎn)品的價(jià)值體現(xiàn) 在產(chǎn)品與人的結(jié)合關(guān)系以及所帶來的效用上，因此人 與產(chǎn)品的關(guān)系及針對(duì)兩者之間關(guān)系的認(rèn)知研究才是產(chǎn) 品造型設(shè)計(jì)中人機(jī)工程知識(shí)應(yīng)用研究的核心。1 人機(jī)工程學(xué)知識(shí) 人機(jī)工程學(xué) 是一門技術(shù)科學(xué)、人體科學(xué)以及社會(huì)科學(xué)相交叉的綜合性新興邊緣學(xué)科，它與產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)關(guān)系密切，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作者和社會(huì)科學(xué)工作者共同研究的課題。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)人機(jī)工程學(xué)的解釋有多種，但在 研究對(duì)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(diǎn)及要求來設(shè)計(jì)、布置機(jī)器設(shè)備、儀表（包括勞動(dòng)工具）等，設(shè)計(jì)、安排工作場(chǎng)所及工作環(huán)境，使人的勞動(dòng)更合理，使機(jī)器設(shè)備、儀表、工具等便于操作，從而達(dá)到改善勞動(dòng)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(jiǎn)而言之，人機(jī)工程學(xué)就是研究人與機(jī)器設(shè) 備之間的相互關(guān)系及其合理配合，使之更適合人的生理、心理特點(diǎn)，進(jìn)而使勞動(dòng)環(huán)境更安全舒適，使人機(jī)系 統(tǒng)的工作效率達(dá)到最佳化的一門學(xué)科[1]。 造型設(shè)計(jì)中人機(jī)工程學(xué)知識(shí)研究的內(nèi)容 在當(dāng)今的產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方與使用。人機(jī)工程學(xué)知識(shí)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用地位也得到提高。其一，人機(jī)工程知識(shí)的研究是使產(chǎn)品功能得到最佳發(fā)揮的基礎(chǔ)條件，如果沒有人、機(jī)之間的科學(xué)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(xì)節(jié)；其二，人機(jī)工程知識(shí)的研究探索實(shí)踐了關(guān)于人的科學(xué)，其中對(duì)人的活動(dòng)、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(dòng)力。在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過程中的人機(jī) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容有4個(gè)方面。1）人與產(chǎn)品造型的關(guān)系因素研究。人作為設(shè)計(jì)的主體對(duì)象是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中人機(jī)研究的重點(diǎn)，也是人機(jī)研究的基礎(chǔ)；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(yīng)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(huì)屬性（如人的社會(huì)行為、價(jià) 值觀念、人文環(huán)境、社會(huì)背景文化等）都是影響人與產(chǎn)品造型的重要關(guān)系因素。2）人機(jī)的系統(tǒng)關(guān)系因素研究。人機(jī)的系統(tǒng)關(guān)系優(yōu)化是為了創(chuàng)造最優(yōu)的人機(jī)配合，優(yōu)化的尺度關(guān)系、舒適的環(huán)境關(guān)系、可辨識(shí)的界面關(guān)系都是充分發(fā)揮人、機(jī)各自的特點(diǎn)，相互配合、協(xié)調(diào)工作的重要因素，兩者之間的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題也是人和產(chǎn)品有機(jī)交流的 重要前提。3）產(chǎn)品的人機(jī)環(huán)境因素研究。產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì) 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(duì)人的 健康與效率負(fù)責(zé)，重視細(xì)節(jié)的微觀內(nèi)部環(huán)境與重視系統(tǒng)關(guān)系的宏觀外部環(huán)境構(gòu)成了產(chǎn)品人機(jī)環(huán)境因素的主體。4）產(chǎn)品的人機(jī)安全性因素研究。產(chǎn)品的安全性 因素可分為2個(gè)方面，對(duì)使用者來講不僅需要高效的 操作，更需要將事故危險(xiǎn)性減小到最低限度，這就需 要有相應(yīng)的防護(hù)、保險(xiǎn)、余量、防失誤、事故控制、求援 方法等等安全性的設(shè)計(jì)因素；此外，產(chǎn)品的人機(jī)安全 也需要反映到延長(zhǎng)產(chǎn)品的操作壽命與降低操作者的使用破壞性等因素。設(shè)計(jì)的認(rèn)知在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的人機(jī)工程學(xué)研究中需要對(duì)人—機(jī)—環(huán)境這3個(gè)因素進(jìn)行分析，見圖1，三者相互依存、相互制約；但是，因?yàn)楦髯匝芯糠椒ê脱芯克枷氩煌?，也所屬不同的研究領(lǐng)域，因此要實(shí)現(xiàn)人—機(jī)—環(huán)境的優(yōu)化組合，難度是相當(dāng)大的。此外，雖然許多設(shè)計(jì)工作者已經(jīng)有組織地對(duì)人—機(jī)—環(huán)境三者之間的關(guān)系進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)研究，并積累了大量有關(guān)數(shù)據(jù)，但是對(duì)這些數(shù) 據(jù)的綜合運(yùn)用仍是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，因而這種人機(jī)研究與應(yīng)用的方式難以取得人—機(jī)—環(huán)境匹配的最佳效 果。因此，如何將產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中人機(jī)工程的知識(shí)內(nèi) 容應(yīng)用到產(chǎn)品造型