機械動態與漸變可靠性理論與技術評述

張云

摘 要：在工業現代化與科技生產快速發展的環境下，機械產品得到了很大的改善，與此同時，產品可靠性與性能問題也越來越突出。針對這種情況，研究機械產品的性能就顯得非常迫切與需要。本文結合我國機械動態與漸變可靠性，對技術進行了簡單的論述。

關鍵詞：機械動態；漸變可靠性；技術

機械設計的目的是在產品研制中，通過預測、估計產品規格、運行狀態、壽命，指出相關產品的微弱點，從而保障產品需求與可靠性。而從機械產品來看：人身安全、可靠性、社會效益與經濟效益有著密切的關系，可靠性要求整合時間因素，因此，在現行的機械產品設計中，必須全面推廣與認識可靠性。從可靠性技術內容來看：它貫穿整個制造、研制、調試、設計、使用、實驗、保管、運輸、保養、維修、保養環節。

1 動態和漸變可靠性的概念

機械設計是以機械產品設計與動態特性為基礎，對產品振動狀況、運動特性進行研究，進行的產品預測、設計、分析與修改。因為機械動態可靠性的設計理念屬于機械設計的范疇，所以動態可靠性必須在動力概率學基礎上，對振動與運動狀況下的可靠指標進行研究，并且將機械產品的指標作為研究可靠性的依據。早在上個世紀四十年代，結構系統開始研究動態可靠性，RICE還研究了固定交叉界限與動力反應之間的問題，并且首次提出超越概率，也為超越破壞可靠性的理論打下了基礎。之后，超越概率的計算算法被提出，并且推出了包括時間距的解。沖擊與振動嚴重影響著產品可靠性、使用壽命與工作精度，因此研究動態可靠性的方法與理論，解釋機械產品運動現象、確保大型裝備的運行可靠性是有效增強機械設施動態可靠性的方法。在傳統的可靠性理論設計中，并沒有考慮到機械產品的行為力學，為了挽救缺失就必須開展可靠性動態研究。而動態可靠性更多的則是為了闡述動態體系的理論術語，也就是：振動或者運動狀態中產品的可靠性，在這過程中，動態強調機械產品中的振動頻率、能量傳遞與響應輸出等。受機械產品參數與特性影響，它具有很強的隨機性，并且產品運行屬于動態過程，工況、載荷、應力等都會隨著時間變化而蛻變，因此，必須在隨機過程處理好。如果將機械可靠性視為：規定時間與條件下，機械產品完成功能的能力，那么可靠性就會開始重視：機械產品的動態行為，損傷也會影響產品動力學，力學行為影響失效率與可靠性。從上面可以看出：必須正視動態特性，在產品信息可靠性與數據得到保障的情況下，同時讓可靠性由靜態向動態演變。

失效的機械產品是喪失功能規格的體現，漸變性實效更多的體現為多種化學與物理因素作用下，形狀、尺寸、性能、狀態發生的變化，最后再以某種形式喪失功能。實際上，很多機械產品的數值都會隨著時間變化而變化，具體如：腐蝕、疲勞、裂紋、磨損等造成的機械強度偏低，讓產品可靠性漸變。該產品的參數特性是一個隨時間變化的過程，因此產品可靠性也是隨時間漸變的過程。而實效漸變則是機械產品在運行中受性能參數的影響，逐漸變質，并且實效的過程。根據機械產品的宏觀特性有：斷裂、變形、表層損傷等。變形（斷裂）失效又有剛度逐步降低的失效、過載斷裂失效。

機械動態和可靠性漸變理論作為典型可靠性理論的升華與演化，它的應用研究與理論，不僅會促進產品研發，對確保產品安全運行也有很大作用。對動態與漸變可靠性進行研究，是在充分體現漸變可靠性基礎方法與理論的同時，為機械設施提供技術準備。

2 動態和漸變可靠性的發展展望

2.1 非線性隨機動態和漸變機械體系的可靠性設計

在機械動態可靠性設計中，如果要同時考慮非線性多自由度隨機體系的動態方式與失效漸變，將是機械操作與研究的難點。對于機械產品來說，部分參數變質不僅會帶來失效，還會影響動態行為，同時機械動態也會對參數造成惡劣影響。因此，在模型可靠性構建時，必須結合兩種耦合因素。參數劣化實質上是一個隨機演變的過程，最后讓機械產品力學方程也變成隨機過程，從這可以看出漸變耦合與動態力學是非線性、多自由，并且參數與荷載同為隨機的模型。怎樣分析這一極具難度的隨機力學，與在此基礎上研究可靠性設計將成為機械研究的難點與重點。目前，針對動態與漸變耦合的非線性自由度隨機系統的可靠性設計與動力學分析的文獻還相對較少，這也是制約機械產品發展的瓶頸之一。

2.2 動態和漸變機械耦合失效的可靠性設計

在上面的問題中，主要研究的是漸變耦合與機械動態的可靠性設計，并沒有同時包括因為振動造成的靜態、漸變失效與相互耦合、動態漸變、隨機耦合帶來的可靠性問題。如何解決各失效類型間的耦合，并且在此基礎上研究機械可靠性設計、預測與制造問題，既是一項復雜的問題，也是一項具有開創性與挑戰性的問題。該問題能否順利解決，直接和能否打破束縛機械產品可靠性瓶頸的社會與科學價值有著很大的關系。

2.3 信息概率缺失與漸變可靠性設計

在機械可靠性設計中，要掌握各個零部件與機械體系的參數分布信息，就當前的實際工程來看：很難有充足的數據與資料確定參數概率。截至今日，機械產品的可靠性已經取得了很大的改善，但這些方法大部分局限在服從參數正態上。在工程復雜與數據統計相對缺乏的情況下，讓很多參數設計只有形式概率，很多根本不能服從正態進行分布。這也說明，單純利用正態可靠性會帶來一定誤差，很多時候不能達到理想狀態，針對機械制造與可靠性設計這一問題，在數據匱乏的狀態下，信息概率的漸變產品與動態可靠性設計方法與技術就顯得特別重要。

3 結束語

機械動態和漸變可靠性是以機械產品的研究為對象，將沖擊環境與振動作為機械產品可靠性與性能的驅動，通過機械產品漸變性能與可靠性影響，對于產品面臨的挑戰與瓶頸，整合隨機過程和動力學、統計概率、可靠性設計，探索機械產品的技術成果與理論設計。最后為機械數字化、改善機械設計提供更多的社會與經濟效益。

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