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    机械零件可靠性设计理论与方法研究.pdf

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    机械零件可靠性设计理论与方法研究.pdf

    第18卷第6期 2011年12月 工程设计学报 Journal of Engineering Design Vo1.18 No.6 Dee.2O11 DOI10.3785/j.issn.1006-754X.2011.06.001 机械零件可靠性设计理论与方法研究 邱继伟,张瑞军,丛东升,郭 楠 山东建筑大学机电工程学院,山东济南250101 摘要机械可靠性设计的任务就是提供实际计算的数学模型和方法,在机械产品的研发阶段预测其在规定工作 条件下的工作能力或寿命.结合可靠性理论研究的历史及现状对机械可靠性设计理论进行深入分析,阐明了可靠 性优化设计、可靠性灵敏度设计、可靠性稳健设计、可靠性试验、传统设计方法与可靠性设计相结合等机械零件可 靠性设计理论与方法的内涵,为机械零件可靠性设计提供系统的理论和方法. 关键词机械产品;可靠性设计;可靠性优化设计}可靠性灵敏度设计;可靠性稳健设计 中图分类号TH 3 文献标志码A 文章编号1006754X20110640106 Theory and method research of mechanical components reliability design QIU Jiwei,ZHANG Rui-jun,CONG Dongsheng,GU0 Nan College of Mechanical Electronic Engineering,Shandong Jianzhu University,Ji’nan 250101,China AbstractIn the mechanical product development stage,the ability to work or the life of the me chanical product under the prescriptive conditions are predicted by mechanical reliability design method,the basic task of which is to propose mathematical model and method of practical ealcula tion.The theory of mechanical reliability design was expounded by integrating reliability theory of history and current status.A series of theory and methods,such as reliability optimization de sign,reliability sensitivity design,reliability robust design,reliability testing and traditional de sign methods combined with the reliability design,were explained clearly and systematically.All of these studies provided systematic and unitized theories and methods for mechanical reliability design. Key wordsmechanical product;reliability design;reliability optimization design;reliability sensi tivity design;reliability robust design 对于结构可靠性这一学科,很早以来人们就广 泛采用“可靠性”这一概念来定性评价产品的质量问 题,这只是根据人们的经验评定产品可靠还是不可 靠,并没有一个量的标准来衡量;从基于概率论的随 机可靠性到基于模糊理论的模糊可靠性再到非概率 可靠性以及最近提出的结构系统概率一模糊一非概率 混合可靠性,表明定量衡量产品质量问题的理论方 法从产生到现在已有了长足的发展;对于复杂结构 的复杂参数,由单纯的概率一非概率可靠性分析方法 发展到可靠性灵敏度分析的各种分析方法,使得这 一理论日臻丰富和完善,并深入渗透到各个学科和 领域.当今可靠性已成为产品效能的决定因素之一, 作为一个与国民经济和国防科技密切相关的科学, 在未来的科技发展中也必将得到广泛的研究和应 用. 1 机械可靠性设计理论研究历史 2O世纪初期把概率论及数理统计学应用于结 构安全度分析,已标志着结构可靠性理论研究的初 步开始.20世纪4O年代以来,机械可靠性设计理论 收稿日期2011-07-08. 作者简介邱维伟1986一,男,山东济宁人,硕士生,从事机械设计可靠性理论和方法研究,Emailqiujiwei235126.eom. 通信联系人张瑞军,教授,Emailjdzoqq.eom. 402 工程设计学报 第18卷 有了长足的发展,目前为止已经相当成熟,尤其是许 可靠性设计理论的应用进入一个新的时期.机械可 多国家开始研究在结构设计规范中的应用,使机械 靠性设计理论的发展简史如表1. 表1机械可靠性设计理论的发展简史 Table 1 The development of the theory of mechanical reliability design 譬 时间 内 容 20世纪初 1911年 初 期 1] 1926 1927焦 1930拄 概率论及数理统计学应用于结构安全度分析,标志着结构可靠性理论研究的初步开始 匈牙利布达佩斯的卡钦奇提出用统计数学的方法研究荷载及材料强度问题 德国学者迈耶提出基于随机变量均值和方差的设计方法;苏联教授哈奇诺夫和马耶罗夫提出了概率设 计的方法,他们是最早提出应用概率理论分析结构安全的学者 Shewhart的SPC,首次将产品质量检测技术和可靠性技术联系在一起 发 展 时 期 1939矩 二战后期 1947焦 英国适航性统计学注释一书首次提出飞机故障率的极限值,标志着以量化指标衡量产品可靠性的历史 开始 。 德国火箭专家R.Lusser用概率乘积法则,将系统的可靠度看成是各子系统可靠度的乘积,从而算得V一 Ⅱ型火箭诱导装置的可靠度,这是首次对产品的可靠性作出定量表达_3 A.M.Freudenthal教授在结构的安全度中提出将可靠性理论用于结构工程领域,基于传统设计法中 的安全系数和结构破坏概率之间的内在关系建立了结构可靠性分析的理想数学模型,即应力一强度干 涉模型,这标志着概率可靠性模型的初步建立【4 美国国防部电子设备顾问委员会发表的电子设备可靠性报告,被公认为是电子产品可靠性理论和方法 的奠基性文件,由此可靠性研究逐渐发展成为一门独立的学科_c] Zadeh提出模糊集理论是结构和机械工程中处理不确定性因素的重要工具 美国的c.A.Cornell在苏联尔然尼钦工作的基础上,提出并建立了结构安全度的二阶矩模式,即一次二 阶矩方法F0SM,打破了传统可靠性分析方式 日本质量工程博士田口玄一提出稳健设计的思想和方法[8] 2O世纪 8O年代末 2O世纪 9O年代末 美国国防部颁发了DODD5000.4O可靠性与维修性,将可靠性工程的概念内涵和外延进一步拓展,形成 了与产品可靠性相关的所有管理和技术领域的“大”可靠性概念0 B.H.Yakou首次提出了基于区间变量的非概率可靠性的概念,认为若系统能容许不确定参量在一定范 围内的波动,则系统是可靠的_1叩;Elishakoff提出可靠性指标并非一具体量值而是一区间;Ben-Haim提 出以系统能容许的不确定的最大程度度量可靠性 以色列学者Ben-Haim首次提出基于凸集模型非概率可靠性概念[1 ,随后提出稳健性可靠性理论[1 ,其 基本思想是在缺乏信息或者系统未知的情况下,如果系统能够容许较大的不确定在而不失效,也就是说 系统对不确定性的变化是不敏感的,那么该系统可靠 Elishakoffl_13]和Ben-Haiml_1 提出利用凸集合模型来描述结构中“未知但有界”的参数 完 随着机械产品日趋复杂化、大型化、高参数化,各种灾难性事故的发生越来越多,不可靠性的惨重代价进 善 2000年至今一步促使各国学者对可靠性理论的研究,可靠性优化设计、可靠性灵敏度设计、可靠性稳健设计以及可靠 期 性鲁棒设计等已成为一种发展趋势 ] 2机械零件可靠性设计理论研究现状 在实际工程中,不确定因素的存在在所难免,可 靠性分析与这些不确定性紧密相关.在过去的几十 年中,概率论在各种工业系统的可靠性评估方面获 得了巨大成功,概率可靠性方法成为处理不确定性 的最为普遍的方法.但随着科学技术的发展,人们逐 渐认识到,除了随机性以外,在工程中还存在着另一 类重要信息模糊信息.所以传统的可靠性方法 就是用概率论和模糊理论处理不确定性,但概率可 靠性和模糊可靠性模型都需要用较多的数据去定义 参数的概率分布或隶属函数,且计算量较大.近年来 的有关研究[1 表明,概率可靠性对概率模型参数很 敏感,概率数据的小误差可导致结构可靠性计算出 现较大误差_1 ,说明在没有足够的数据信息描述概 率模型时,在主观的假设下概率可靠性计算的结果 是不可靠的[1 .模糊性和随机性是不同的两类不确 定性,其产生机理和物理意义均有一定差异,在机械 和结构系统的分析和设计中,由于各种因素的影响, 常不可避免地同时存在随机的和模糊的不确定 性[1 .此时,必须同时考虑随机性和模糊性.对此问 题,常用的方法是依据Zadeh提出的模糊概率计算 年 年 年 年 7 5 9 1 % % % 卯 1 1 1 1 期 年 纪中 世代 加年 ∞ 成熟期 第6期 邱继伟,等机械零件可靠性设计理论与方法研究 公式 ,综合考虑功能状态变量的随机分布和模糊 隶属情况,给出一确定的失效概率或可靠度值.Ben Haim首先提出了不用概率定义即非概率的可靠性 概念.对于不确定信息的描述,不采用随机变量,不 用极限状态函数和概率密度函数,而采用凸集合模 型描述,经过分析可得到输出或响应的变化范围, 将此变化范围与要求的变化范围比较即可得到安全 程度的度量指标.非概率可靠性提出后引起了很多 人关注.郭书样等[21]基于区间分析,提出一种非概 率可靠性度量指标,来衡量不确定参数为区间变量 时系统的安全性,并将其用于结构优化,但对于其他 凸模型情况,区间算术计算结果趋于保守.邱志平 等[22]指出了BenHaim鲁棒可靠性准则即响应凸 集合与失效凸集合为不相交关系的错误,提出了结 构的安全与失效的关系应该对应于凸集合间的偏序 关系,这仅仅是基于一种方式对不确定量进行的描 述,而计算必须建立在先前的实验数据上,以至该模 型也有一定的局限性.曹鸿钧等[2。 在区间可靠性指 标的基础上,提出一衡量超椭球模型与区间模型并 存情况下的非概率可靠性指标,由于非概率可靠性 指标是用一个极小极大模型定义的,虽然可以采用 增广设计变量的方法转化为常规极值问题,但以该 指标为设计约束的优化问题求解时仍然十分困难. 在结构的分析和设计中,需要合理地定量处理一些 影响其性能的不确定性,虽然概率理论在不确定性 的处理及可靠性分析方面得到了成功的应用,但不 确定性并不等于随机性.不确定性的模拟既可以是 不 确 定 性 凸集合模型 概率的,也可以是非概率的,同一问题中可能同时含 有概率变量和非概率变量,因此,非概率方法及其与 概率方法的混合模型_2 ]的研究也有着重要的理论 和实际意义.非概率可靠性与概率可靠性都有清楚 的设计内涵前者要求将不希望的性能的概率降低 到可接受的水平,后者要求性能保持在可接受的范 围内.非概率可靠性并不是完全否认概率可靠性,它 是概率可靠性有益的补充,很多研究都在试图将2 种方法结合起来对系统性能进行评估.基于结构可 靠性分析中的概率可靠性模型和非概率集合可靠性 模型,王军等[2 提出一种新的结构可靠性分析的概 率非概率混合模型,该模型首先将功能函数进 行非概率可靠性分析,后将标准化区间变量空间所 有区域的可靠度进行求和计算,从而给出结果的可 靠度.为了有效地处理结构系统的混合可靠性问题, 基于模糊随机可靠性模型及非概率集合可靠性模 型,尼早等 建立了结构概率一模糊一非概率混合可 靠性模型,该混合可靠性模型能够综合各单一模型 的优点,最大限度地将已有的信息利用到产品的可 靠性分析中去,并能够更加客观、全面地反映结构的 实际安全状况,为分析和设计决策提供更全面、更真 实的有用信息.可靠性设计的精确性和先进性是建 立在应力、强度、寿命等数据的真实性、精确性基础 上的,重视试验数据的收集和分析,建立可靠性数 据库,对设计新产品时有很重大的参考价值.用概 率一模糊一非概率的方法解决不确定问题的框图见 图1. 一 燧 随机性 L二___二二二.J 广_-1要求将不希望的性能的概 l I率降低到可接受的水平; 虱 嚣 l 必须要有足够多的数据信息 且计算量很大 模糊概率计算公式 可 靠 性 优 化 分 析 和 设 计 概率一模糊一非概 率混合可靠性模型 可 靠 性 数 据 库 图1概率-模糊一非概率的方法解决不确定问题的框图 Fig.1 The diagram of solving uncertain problems by probability,non-probability and fuzzy method 3 机械零件可靠性设计理论研究发展趋势 对当前机械产品而言,如何提高设计质量、完善 设计理论、改进设计技术、缩短设计周期是最重要 的,而这些都与可靠性有着密切的联系.可靠性技术 已深人机械零部件结构设计、强度设计以及失效分 析中,这些研究标志着可靠性理论已经进入实用阶 段.机械零件可靠性理论研究工作已经成为机械工 程中的研究热点,目前有大量论文和专著,已证实结 构系统可靠性分析和计算方法相当成熟.就目前的 工程设计学报 第18卷 发展趋势看如下几方面应是工程机械结构可靠性理 论研究的热点. 3.1可靠性优化设计 可靠性优化设计是在可靠性基础上进行优化设 计,既能定量地满足产品在运行中的可靠性,又能使 产品的尺寸、成本、质量、体积和安全性等参数得到 优化,从而保证结构的预测工作性能与实际工作性 能更符合.该方法将可靠性分析理论与数学规划方 法有机地结合在一起,在对各参数进行可靠性优化 设计时,首先以机械零件的可靠度作为优化的目标 函数,使零件的某些指标成本、质量、体积或尺寸 最小化,再以强度、刚度、稳定性等设计要求为约束 条件建立可靠性优化设计数学模型,根据模型的规 模、性态、复杂程度等因素选择合适的优化方法,最 后求出最优设计变量 .可靠性优化设计的框图 见图2. 鬯 H I 优化设 计 给定结构尺寸或质量或体积或成 本时,使产品具有最大的可靠度 反映各设计参数的微小变化 对产品可靠性的影响程度 图3可靠性灵敏度设计的框图 Fig.3 The diagram of reliability sensitivity design 数、结构发生漂移或老化小范围内,都能持续可靠 地工作的一种设计方法.可靠性稳健设计在设计阶 段通过灵敏度分析,使产品在不消除、不减少不确定 性因素的情况下,通过设计使不确定性因素对产品 质量影响的敏感程度最小,从而提高产品质量、降低 产品成本.可靠性稳健设计的框图见图4. 可靠性稳}-_一健设计数 一l可靠性稳 健设计l l学模型 是性能、质量和成本综 合的功能优化设计方法 高质量 低成本 的产品 图4可靠性稳健设计的框图 Fig.4 The diagram of reliability robust design 图2可靠性优化设计的框图 Fig The diagram。f reliabi1i y。p imiza i。“design 3.4 可靠性试验 3.2可靠性灵敏度设计 可靠性灵敏度设计是在可靠性基础上进行灵敏 度设计,充分反映各设计参数对机械产品失效影响 的不同程度,便于找出哪些随机变量对机械零件可 靠性设计的敏感性影响较大,并对此参数进行重分 析和再设计.即通过估计设计变量变差和约束变差 对质量性能指标影响的大小,改变设计参数中影响 较大的参数以使产品对可控因素变差和不可控因素 变差的影响失去灵敏性.可靠性灵敏度设计首先建 立极限状态方程,然后对各设计参数求偏导数,得到 可靠性的灵敏度计算公式,进而确定各设计参数的 灵敏度,用灵敏度数值作为再设计时修改设计参数 的依据,从而使得参数修改、再设计工作事半功倍. 可靠性灵敏度设计的框图见图3. 3.3可靠性稳健设计 可靠性稳健设计是在可靠性设计、优化设计、灵 敏度设计和稳健设计的基础上进行的l_2。。;稳健设计 能使产品的性能对在制造期间的变异或使用环境的 变异不敏感,并使产品在其寿命周期内,不管其参 就目前来看可靠性理论研究可以说相当成熟, 但是可靠性试验却不是很完善.可靠性试验是对产 品的可靠性进行调研、分析和评价的一种手段,其目 的是发现产品在设计、材料和工艺方面的各种缺陷, 为改善产品的战备完好性、提高任务成功率、减少维 修费用及保障费用提供信息,确认是否符合可靠性 定量要求.我们通过试验一方面要获取可靠性数据, 另一方面要通过产品在试验中发生的各种故障,找 出其原因并进行细致的分析和研究以提高产品的可 靠性[3 .但实际机械零件的设计方案如果有改变, 就必须重新进行一次试验分析,这需要花费很大的 人力、物力和财力,所以在可靠性试验前利用一些高 性能的软件进行模拟分析能减少试验次数,节约时 间和研究基金.可靠性试验框图见图5. 3.5传统设计方法与可靠性设计相结合 可靠性设计理论一方面缺少基础数据,另一方 面,即使对一个简单的结构,其失效模式也可能多到 难以计数,所以在一般产品的设计中推行可靠性概 率的设计是十分困难的;传统安全系数法虽存在不 足,但有直观、简单、设计工作量小等优点,并在许多 406 工程设计学报 第18卷 bust reliability design of structures[J].Acta Aeronau tica et Astronautica Sinica,2001,225451453. 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