工程設計中機械可靠性應用方法的研究

郭泰

摘 要：工程設計幾乎覆蓋所有的人類活動領域，工程設計是工業文明的核心。其根據工程建設的需求，利用科學技術和實踐方法，對工程建設過程中需要的資源、勞動力、科學技術等進行全面的分析，創建合理的工程計劃。本文首先介紹了機械可靠性的設計方法和發展階段，以及在工程設計的過程中機械可靠性的兩種代表性應用方法。

關鍵詞：工程設計；機械可靠性；應用方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.194

在當今社會，人們對于各類產品的質量有著極高的要求，要想使產品獲得用戶認可度，就必須要提升產品的可靠性。機械可靠性是指機械產品在規定的條件和時間內，完成規定功能的能力。在重要產品和日用類機械產品方面，機械可靠性更是備受關注，衡量產品的質量優劣的標準之一就是產品的可靠性，只有可靠性高的產品，才能在競爭激烈的市場環境中占據一席之地。

1 機械可靠性的設計方法

研究機械可靠性基于其隨機變量——應力和強度，運用概率和統計的方法定性、定量的分析產品的可靠性和失效率，需要綜合考慮整體情況，選擇相應的可靠性指標。

強度因為受材料的力學性能、加工環節的波動和加工精度等因素的影響，也是一個具有一定離散性且服從一定分布規律的隨機變量。所以，研究機械概率可靠性設計等同于研究機械結構的可靠性問題。機械可靠性由結構可靠性和機構可靠性構成。定量可靠性設計就是掌握機械零件的強度和應力分布、各種設計參數的隨機性。機械可靠性的常用有效的方法是定性可靠性設計，在結構可靠性和機構可靠性中通常也采用這種方法。而定量可靠性設計目前仍然缺乏強度和應力的分布的具體數據，還有許多其余要考慮的因素，所以這種方法并不能廣泛應用，但是可以根據可靠性指標制造出符合要求的機械零件，所以一般在設計重要的零件時會采用定量可靠性設計。

2 關于機械可靠性的研究

在上個世紀四十年代，第二次世界大戰期間，因為對于武器與各類機械產品的大量運用，飛機、軍火武器等設備的可靠性研究必不可少。而在二十世紀五十年代，美國因為軍事上的需要，同樣對可靠性展開了深入的研究，與此同時，蘇聯和日本也不甘落后，對可靠性問題進行了全面的研究。從上個世紀六十年代開始，世界各國都漸漸注意到機械可靠性的發展前景廣大，紛紛投入研究，取得了許多成就。機械可靠性研究的內容廣泛，涉及許多方面，與人類生活息息相關。機械的可靠性不僅體現在日常生活中，例如洗衣機、電視機等家用電器，還包括一些高端科技領域，例如航空航天飛機等。現在在國外，機械可靠性被應用在許多領域，比如軸承和齒輪、人造衛星、土木工程核電站、宇宙飛船、飛機、艦船、汽車、壓力容器等產品。[1]

我國在機械可靠性的研究方面相對起步較晚，因為人們生產和生活方面的迫切需要，直到上個世紀八十年代才有了初步的發展，各個行業都開始研究可靠性，也開始將可靠性研究編入教材，作為教育的其中一個環節。雖然我國進步很快，取得了較大的進展，但是因為起步晚，直接導致了我們國家的工業文明與西方發達國家的工業發展有著較大的差距。所以，我們需要明確差異所在，積極地發展和創新，逐漸縮小國與國之間存在的差距。

3 工程設計中機械可靠性應用方法

在工程設計的過程中，有較多的機械可靠性的應用方法，例如應力——強度干涉理論、一次二階矩法、蒙特卡洛法、等效威布爾分布法、統計模擬試驗法等，我們在此舉例說明其中的兩種方法：

3.1 應力——強度干涉理論（模型）

若應力s和強度r均為隨機變量，則z=r-s也為隨機變量。若產品可靠，滿足z=r-s≧0，即產品可靠度為R=P（z≧0）=P（r-s≧0）。

在設計機械零部件時，要在一定的可靠度下保證其危險斷面上的最小強度不低于最大的應力，否則，零件將由于未滿足可靠度要求而導致失效。由應力強度干涉模型的理論知機械可靠度：[2]

R（t）= fs （s）[fr （r）dr]ds （1）

或

R=P（r>s）= f（s）g（r）drds （2）或

R=P（s

在（1）式中， fs（s）——隨機應力S的概率密度函數；

fr（r）——隨機強度R的概率密度函數。

由（1）可知，要想求出可靠度，就必須要知道代表隨機應力S和代表隨機強度R的概率密度函數。然而在實際操作的過程中，無法準確的獲取概率分布的情況，就算獲取了概率分布，直接解出積分也是非常困難的。所以，根據工程設計的要求，應該采用一些簡易的、方便計算的概率密度函數求解可靠度，或是利用隨機變量特征函數值（均值、標準差和變異系數等）求解可靠度。

3.2 蒙特卡洛技術

Monte carlo技術是一種隨機抽樣技術，也稱為隨機模擬技術。其方法為設：y=g（x1，x2，...xn），其中x1，x2，...xn是基本的隨機變量，f（x1），f（x2），...f（xn）分別為x1，x2，...xn的概率密度函數。按分布f（x1），f（x2），...f（xn）隨機抽取一組x1，x2，...xn，計算：yj=g（x1，x2，...xn），其中j=1～m，檢驗y的分布，估計分布的參數。

蒙特卡洛法是一種純概率分析法，很少采用假設的分析方法，也無需求函數分布，所以精確度比較高。當進行多次模擬后，精確度會更高。在采用蒙特卡洛方法的時候，需要注意隨機變量的基本分布，產生隨機性好的隨機變量，合理地估計抽樣容量。

4 結語

通過對工程設計中機械可靠性應用方法的研究，我們應該認識到在實際操作的過程中，因為每一種方法的特點都不盡相同，所以要結合現實情況應用不同的研究方法，以正確的科學技術作指導，使產品具有較高的可靠度，提高在未來的國際市場中的競爭力。

參考文獻：

[1]張祖明，田懷祥.論機械可靠性設計工作的發展途徑[J].機械設計與制造，1991（02）：10-14.

[2]封士彩，林聚華，張新民.工程設計中機械可靠性應用方法的研究[J].煤礦機械，2002（10）：27-30.