機械零件可靠性的優(yōu)化探究

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摘 要：傳統(tǒng)機械零件設(shè)計方法以安全系數(shù)超過實際使用經(jīng)驗規(guī)定中數(shù)值為安全性評估標準，其設(shè)計水平日趨成熟且被廣泛應(yīng)用于實踐領(lǐng)域，但是往往忽略各個設(shè)計參數(shù)隨機性，僅僅以設(shè)計角度為出發(fā)點將各個設(shè)計參數(shù)視為單一性確定值，造成設(shè)計方案脫離實際應(yīng)用情況無法保障零件自身可靠性。本文以機械零件可靠性為切入點分析優(yōu)化設(shè)計的必要性，就提出具體的設(shè)計要點進行深入探究，旨在為相關(guān)從業(yè)人員積累更多的工作經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：機械零件;可靠性;優(yōu)化措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.020

自進入21世紀以來，在計算機技術(shù)蓬勃發(fā)展的大背景下，優(yōu)化設(shè)計被廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計各個領(lǐng)域，尤其是應(yīng)用于多參數(shù)設(shè)計，不止能大大提高設(shè)計工作效率，更能保證設(shè)計方案精確度，彌補常規(guī)設(shè)計方法的不足，取得令人滿意的設(shè)計方案。然而，從目前我國機械零件優(yōu)化設(shè)計水平來看，仍存在著較多問題亟待解決，例如：難以把握設(shè)計參數(shù)自身隨機性及模糊性等[1]。同時，設(shè)計參數(shù)隨機性作為概率層面非確定性設(shè)計變量，以取值隨機性為不確定性的集中表現(xiàn)，客觀上要求設(shè)計人員利用統(tǒng)計方法消除其不確定性，而設(shè)計參數(shù)自身模糊性與邊界不清間存在著密切聯(lián)系，是模糊性所產(chǎn)生的非確定性設(shè)計變量，屬于事物發(fā)展階段中出現(xiàn)中介技術(shù)狀態(tài)的結(jié)果。鑒于此，本文針對機械零件可靠性優(yōu)化設(shè)計的研究具有重要現(xiàn)實意義。

1 機械零件可靠性優(yōu)化設(shè)計的必要性

一般說來，常規(guī)機械零件設(shè)計方法（又稱安全系數(shù)法）往往將零件強度（R）及應(yīng)力（S）均視為單值，促使安全系數(shù)（N=R/S）成為單值，以安全系數(shù)超過實際使用經(jīng)驗規(guī)定中數(shù)值為安全性評估標準，其設(shè)計水平日趨成熟且被廣泛應(yīng)用于實踐領(lǐng)域，但是普遍存在忽略各個設(shè)計參數(shù)隨機性的問題，僅僅以設(shè)計角度為出發(fā)點將各個設(shè)計參數(shù)視為單一性確定值，造成設(shè)計方案脫離實際應(yīng)用情況，難以保障機械零件自身可靠性[2]。由此可見，綜合考慮設(shè)計參數(shù)隨機性實現(xiàn)多參數(shù)設(shè)計目標消除影響機械零件可靠性的風險因素成為機械零件設(shè)計的主流發(fā)展趨勢，客觀上要求相關(guān)技術(shù)人員以優(yōu)化設(shè)計為基礎(chǔ)搭建可靠性優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型。

2 機械零件可靠性優(yōu)化設(shè)計的要點

通常情況下，機械參數(shù)可靠性優(yōu)化設(shè)計指設(shè)計機械零件結(jié)構(gòu)、公差、尺寸及材料等設(shè)計參數(shù)的過程，即可靠優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵零件、可靠設(shè)計非關(guān)鍵重要零件、常規(guī)設(shè)計非關(guān)鍵非重要零件。相較于傳統(tǒng)機械設(shè)計，機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計理念認為應(yīng)力（S）及強度（R）均不屬于確定值且納入隨機變量范疇，設(shè)計期間立足于用戶實際需求及設(shè)計要求，選擇適應(yīng)的特征函數(shù)進行描述，兼顧平均值及離散性，基本實現(xiàn)利用概率統(tǒng)計法求解目標。同時，機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計認為所有機械設(shè)計均存在著失效可能性，設(shè)計期間主張結(jié)合實際需求最大程度降低失效概率增強其可靠程度，綜合考慮各個設(shè)計參數(shù)隨機性及分布規(guī)律。

與常規(guī)安全系數(shù)法，可靠性設(shè)計法以用戶要求及實際情況為出發(fā)點制定科學合理的設(shè)計方案，兼顧設(shè)計結(jié)構(gòu)，不止大大節(jié)約加工材料及加工時間，更為企業(yè)贏得更多的經(jīng)濟效益，但是常規(guī)安全系數(shù)法設(shè)計理念過于傳統(tǒng)保守，早已與時代發(fā)展相脫節(jié)。同時，機械零件可靠性優(yōu)化設(shè)計能延長零件自身使用年限大大降低其失效概率，彌補常規(guī)安全系數(shù)法的不足，但是受加工材料自身強度分布及荷載分布資料欠缺的影響，一定程度上阻礙可靠性優(yōu)化設(shè)計廣泛應(yīng)用[3]。從理論及實踐角度來看，機械材料特性及機械構(gòu)件運作荷載條件、破壞過程均存在著不同程度的隨機性。

由圖1可見，機械零件自身物理量、幾何尺寸、荷載、強度及應(yīng)力均屬于多值參數(shù)且呈現(xiàn)相應(yīng)的分布狀態(tài)，尤其是強度分布及應(yīng)力分布往往被視為正態(tài)分布。可靠性優(yōu)化設(shè)計途徑較為單一，以指定性能指針為約束大大增強機械零件可靠度，甚至以可靠度為標準促使零件指定指針呈現(xiàn)最優(yōu)化體現(xiàn)，并且二者相比后者方法適用性更強。因此在實際設(shè)計的過程中，技術(shù)人員必須建立體積最小、重量最輕及成本最低的目標函數(shù)，結(jié)合幾何尺寸、剛度、可靠度及強度等設(shè)計要求，搭建相應(yīng)的可靠性優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型，再依據(jù)數(shù)學模型的復(fù)雜程度、形態(tài)及規(guī)模選擇出最為適宜的優(yōu)化方法求出其最終優(yōu)化設(shè)計變量。

3 結(jié)語

通過本文探究，認識到相較于常規(guī)設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計綜合考慮機械零件設(shè)計參數(shù)的離散性及隨機性，促使設(shè)計方案貼近客觀實際。因此，相關(guān)技術(shù)人員秉持具體問題具體分析的工作原則，不斷豐富機械零件可靠性優(yōu)化設(shè)計方法，立足于設(shè)計參數(shù)隨機性特點，消除安全系數(shù)取值深受設(shè)計人員自身工作經(jīng)驗影響的風險因素，確保設(shè)計方案及數(shù)學模型符合客觀情況的要求。總而言之，優(yōu)化設(shè)計大大增強機械零件自身承載能力，控制總體成本投入，是保證機械零件設(shè)計質(zhì)量的有力手段。在機械零件可靠性研究不斷深化的大背景下，相關(guān)數(shù)據(jù)日趨完善，促使可靠性優(yōu)化設(shè)計得到越來越多從業(yè)人員的關(guān)注及重視。

參考文獻：

[1]何威.機械零件可靠性設(shè)計理論與方法研究[J].湖北農(nóng)機化，2018（03）：57-59.

[2]楊娜.單向相關(guān)下的機械零件動態(tài)可靠性分析[J].制造技術(shù)與機床，2018（03）：72-75.

[3]范圍廣.機械零件可靠性試驗數(shù)據(jù)分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（06）：80.