【文章內(nèi)容簡介】 能與工況選用相適應(yīng)的新材料，從材料性能質(zhì)量上保證其使用壽命。機(jī)械產(chǎn)品的可靠性隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨復(fù)雜化、大型化、高參數(shù)化，使產(chǎn)品發(fā)生故障的機(jī)會增多，因而，可靠性作為產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標(biāo)，愈來愈受到工程界的重視。機(jī)械可靠性，是指機(jī)械產(chǎn)品在規(guī)定的使用條件、規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。機(jī)械的可靠性是機(jī)械設(shè)計的主要目的之一，有效地增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本、減輕整機(jī)質(zhì)量、提高可靠性和作業(yè)效率是可靠性設(shè)計的主要目標(biāo)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品性能參數(shù)日益提高，結(jié)構(gòu)日趨復(fù)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(jī)械可靠性設(shè)計的基本任務(wù)是在故障物理學(xué)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠性試驗以及故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，提供實際計算的數(shù)學(xué)力學(xué)模型和方法及實踐。科技研究人員和工程設(shè)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(xué)力學(xué)理論，系統(tǒng)地闡明機(jī)械可靠性設(shè)計、機(jī)械動態(tài)可靠性設(shè)計、機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計、機(jī)械可靠性靈敏度設(shè)計、機(jī)械可靠性穩(wěn)健設(shè)計等可靠性設(shè)計理論與方法內(nèi)涵與遞進(jìn)。陳靜等[2]闡述了機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計及可靠性的相關(guān)理論，介紹了可靠性優(yōu)化設(shè)計的應(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]對當(dāng)前機(jī)械可靠性的特點和爭議進(jìn)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(jī)械可靠性試驗技術(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試驗、加速試驗和微機(jī)械可靠性試驗技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展，總結(jié)了機(jī)械可靠性試驗技術(shù)研究存在的問題及其發(fā)展趨勢?？煽啃栽O(shè)計 可靠性設(shè)計傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計方法認(rèn)為零件的強(qiáng)度和應(yīng)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(rèn)為零件是安全的，因而設(shè)計過程中忽略了各設(shè)計參數(shù)的隨機(jī)性?？煽啃栽O(shè)計將零件的應(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)計認(rèn)為所設(shè)計的任一機(jī)械存在著一定的失效可能性，設(shè)計時根據(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。可靠性設(shè)計的一個目標(biāo)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(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)驗表明，在設(shè)計、制造和使用產(chǎn)品的三個階段中，設(shè)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(jī)械可靠性分析與設(shè)計的方法很多，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(shè)計經(jīng)典的可靠性設(shè)計理論不能考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力學(xué)行為，為了彌補(bǔ)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(qiáng)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(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，同時機(jī)械產(chǎn)品運行是也是典型的動態(tài)過程，載荷、工況、應(yīng)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(jī)過程。不考慮動態(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)械動力學(xué)與機(jī)械可靠性有機(jī)地結(jié)合起來，研究動態(tài)可靠性設(shè)計的基礎(chǔ)理論與方法具有重要意義?？煽啃詢?yōu)化設(shè)計機(jī)械優(yōu)化設(shè)計是隨著電子計算機(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)計中占有重要的地位。機(jī)械產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)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(jī)械結(jié)構(gòu)靠性指標(biāo)的實現(xiàn)。可靠性試驗數(shù)據(jù)是可靠性設(shè)計的基礎(chǔ)，但是試驗不能提高產(chǎn)品的可靠性，只有設(shè)計才能決定產(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)計時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，以及二者對產(chǎn)品性能的影響。機(jī)械優(yōu)化設(shè)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(shè)計者從眾多的設(shè)計方案中獲得較為完善的或最為合適的最優(yōu)設(shè)計方案。優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型的3個要素是目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計變量。雖然目前可靠性設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計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)計還是優(yōu)化設(shè)計，都不可能發(fā)揮可靠性設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的巨大潛力。一方面是因為可靠性設(shè)計有時并不等于優(yōu)化設(shè)計，例如機(jī)械產(chǎn)品在經(jīng)過可靠性設(shè)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(shè)計并不一定包含可靠性設(shè)計，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(jī)械產(chǎn)品有眾多的設(shè)計參數(shù)，要同時確定多個設(shè)計參數(shù)，單純的可靠性設(shè)計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)。可靠性優(yōu)化設(shè)計方法是在常規(guī)優(yōu)化設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠性設(shè)計理論發(fā)展起來的一種有效的優(yōu)化設(shè)計方法。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)計中將設(shè)計參數(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，運用最優(yōu)化方法得到在概率意義下的最佳設(shè)計的一種數(shù)值計算方法。由于它彌補(bǔ)了單一可靠性設(shè)計或優(yōu)化設(shè)計的不足，使設(shè)計不僅符合工況運行要求，而且得出最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)，因而更具有工程實用價值?？煽啃詢?yōu)化設(shè)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(shè)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(shè)計，可靠性優(yōu)化設(shè)計的特點在于將可靠性設(shè)計引入優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中。將可靠性設(shè)計理論與優(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，要求它的工作可靠度不低于某一規(guī)定水平。機(jī)械可靠性試驗技術(shù)可靠性試驗是對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)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(shè)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(wù)成功率，減少維修費用及保障費用提供信息，確認(rèn)是否符合可靠性定量要求。可靠性試驗可分為工程試驗和統(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(jìn)行，以研制樣機(jī)為受試產(chǎn)品，包括環(huán)境應(yīng)力篩選試驗及可靠性增長試驗。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(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方法。結(jié)論可靠性優(yōu)化設(shè)計是在常規(guī)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠性設(shè)計理論發(fā)展起來的一種有效的優(yōu)化設(shè)計方法。本文在總結(jié)現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上對機(jī)械可靠性優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行綜述，系統(tǒng)闡述了機(jī)械可靠性、可靠性設(shè)計、可靠性優(yōu)化設(shè)計及可靠性試驗的理論及方法。人機(jī)工程學(xué)隨著時代的進(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)理論在實際設(shè)計生 產(chǎn)過程中的應(yīng)用還是以個案的改進(jìn)為主。此外，產(chǎn)品 造型一直是設(shè)計中一個十分棘手的向題，造型設(shè)計實 踐中常常走入為了變化而變化的設(shè)計誤區(qū)，造成形態(tài) 蒼白而缺乏內(nèi)涵的設(shè)計局面，這些狀況體現(xiàn)了設(shè)計者 缺乏對產(chǎn)品設(shè)計本質(zhì)的認(rèn)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(wù)，產(chǎn)品的價值體現(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)系及針對兩者之間關(guān)系的認(rèn)知研究才是產(chǎn) 品造型設(shè)計中人機(jī)工程知識應(yīng)用研究的核心。1 人機(jī)工程學(xué)知識 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)計關(guān)系密切，是產(chǎn)品設(shè)計工作者和社會科學(xué)工作者共同研究的課題。目前國內(nèi)外對人機(jī)工程學(xué)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(shè)計、布置機(jī)器設(shè)備、儀表（包括勞動工具）等，設(shè)計、安排工作場所及工作環(huán)境，使人的勞動更合理，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(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，進(jìn)而使勞動環(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)計中人機(jī)工程學(xué)知識研究的內(nèi)容 在當(dāng)今的產(chǎn)品造型設(shè)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(shè)計方與使用。人機(jī)工程學(xué)知識在產(chǎn)品設(shè)計過程中的應(yīng)用地位也得到提高。其一，人機(jī)工程知識的研究是使產(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)工程知識的研究探索實踐了關(guān)于人的科學(xué)，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(shè)計過程中的人機(jī) 系統(tǒng)設(shè)計主要研究內(nèi)容有4個方面。1）人與產(chǎn)品造型的關(guān)系因素研究。人作為設(shè)計的主體對象是產(chǎn)品設(shè)計中人機(jī)研究的重點，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(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、可辨識的界面關(guān)系都是充分發(fā)揮人、機(jī)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(shè)計問題也是人和產(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 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(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(yīng)的防護(hù)、保險、余量、防失誤、事故控制、求援 方法等等安全性的設(shè)計因素；此外，產(chǎn)品的人機(jī)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(shè)計的認(rèn)知在產(chǎn)品設(shè)計的人機(jī)工程學(xué)研究中需要對人—機(jī)—環(huán)境這3個因素進(jìn)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(lǐng)