机械可靠性设计综述摘 要：可靠性优化设计是在常规优化设计的基础上，结合可靠性设计理论发展起来的一种有效的优化设计方法本文在总结现有文献的基础上对机械可靠性优化设计进行了综述， 系统阐述了机械可靠性、可靠性设计、可靠性优化设计及可靠性试验的理论及方法关键词：可靠性；优化设计；可靠性试验Review of Optimization Design of Mechanical ReliabilityREN Ju-pe ng(School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Student ID: 1270174)Abstract: On the basis of traditional optimization design, combined with the theory of reliability design, reliability optimization design is an effective optimization design method. In this paper, the existing literatures are firstly summarized, then the theory and method of mechanical reliability, reliability design, reliability optimizati on desig n and reliability test are systematically reviewed.Key words : reliability; optimization design; reliability test随着现代工业技术的飞速发展，机械产品日趋 复杂化、大型化、高参数化，使产品发生故障的机 会增多，因而，可靠性作为产品质量的主要指标， 愈来愈受到工程界的重视。
机械可靠性，是指机械 产品在规定的使用条件、规定的时间内完成规定功 能的能力机械的可靠性是机械设计的主要目的之 一，有效地增强产品质量、降低产品成本、减轻整 机质量、提高可靠性和作业效率是可靠性设计的主 要目标随着工业技术的发展，机械产品性能参数 日益提高，结构日趋复杂，使用场所更加广泛，产 品的性能和可靠性问题也就越来越突出机械可靠 性设计的基本任务是在故障物理学研究的基础上， 结合可靠性试验以及故障数据的统计分析，提供实 际计算的数学力学模型和方法及实践科技研究人员和工程设计人员积极投入到可靠 性工程的研究与实践之中，取得了可喜的成果张 义民⑴结合现代数学力学理论，系统地阐明机械可 靠性设计、机械动态可靠性设计、机械可靠性优化 设计、机械可靠性灵敏度设计、机械可靠性稳健设 计等可靠性设计理论与方法内涵与递进陈静等 [2]阐述了机械产品优化设计及可靠性的相关理论，介 绍了可靠性优化设计的应用及发展现状，并介绍了 机械行业相关的软件应用情况喻天翔等 ⑶对当前机械可靠性的特点和争议进行介绍，从 Bayesian理论、FMECA和疲劳可靠性试验三个方面总结了机 械可靠性试验技术相关的重要理论问题及其发展， 并阐述了可靠性增长试验、加速试验和微机械可靠 性试验技术的国内外发展，总结了机械可靠性试验技术研究存在的问题及其发展趋势。
本文将在上述文献的基础上对机械可靠性优化 设计进行综述，系统阐述机械可靠性、可靠性设计、 可靠性优化设计及可靠性试验的理论及方法1可靠性设计1.1可靠性设计传统的机械设计方法认为零件的强度和应力都 是单值，只要计算出的安全系数大于规定的安全系 数，就认为零件是安全的，因而设计过程中忽略了 各设计参数的随机性可靠性设计将零件的应力和 强度作为随机变量，认为应力受到各种环境因素(温 度、腐蚀、粒子辐射等)的影响，具有一定的分布规 律；强度受材料的性能、工艺环节的波动和加工精 度等的影响，也是具有一定的分布规律可靠性设 计认为所设计的任一机械存在着一定的失效可能 性，设计时根据需要预先控制的失效概率或可靠度， 考虑各参数的随机性及分布规律，以反映出零部件 的实际工作状况产品的可靠性表示产品在规定使用条件和使用 期限内，保持其正常技术性能完成规定功能的能力 可靠性设计的一个目标是计算可靠度，可靠度是指 产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功 能的概率其表达式为：R= fx(X)dX、g(x)>0 x\ )式中fx(X)为基本随机参数向量X =(X1,X2,…Xn)T的联合概率密度；g(X)为状态函数，可表示零件的不同状态：g(X)>0为安全状态,g(X)<0为失效状态，g(X)=O为极限状态方程。
现代生产的经验表明，在设计、制造和使用产 品的三个阶段中，设计决定了产品的可靠性水平， 即产品的固有可靠性，而制造和使用是保证产品可 靠性指标的实现可靠性试验数据是可靠性设计的 基础，但是试验不能提高产品的可靠性，只有设计 才能决定产品的固有可靠性机械产品与可靠性的 关系框图见图1机械可靠性分析与设计的方法很多，总体上可 以归纳成两类，即数学模型法与物理原因法数学 模型法是指可靠性遵从由某种试验数据获得的概率 统计规律，而物理原因法是指考虑失效的物理原因 的方法1.2动态可靠性设计经典的可靠性设计理论不能考虑结构系统的动 力学行为，为了弥补这种缺失必须开展动态可靠性 的研究动态可靠性是指产品在运动或振动状况下 的可靠性，动态”强调结构系统中所包含的动态特 性(如：振动频率、输出响应、能量传递等 )，由于机械产品的特性及参数(如:强度、应力、物理变量、 几何尺寸等)具有固有的随机性，同时机械产品运行 是也是典型的动态过程，载荷、工况、应力等运行 环境及参数也都是随时间变化的量，因而必须将其 处理为随机过程不考虑动态特性将难以得到产品 准确的失效数据和可靠性信息，这必然使可靠性的 研究从静态可靠性向动态可靠性转变。
另外，多数 机械产品的特性数值随时间而逐渐变化，如：因疲 劳、磨损、腐蚀等造成的机械强度降低等，使产品 的可靠性表现出了渐变的特征可见将机械动力学 与机械可靠性有机地结合起来，研究动态可靠性设 计的基础理论与方法具有重要意义2可靠性优化设计机械优化设计是随着电子计算机的广泛使用而 迅速发展起来的一门学科，在现代机械设计中占有 重要的地位机械产品优化设计的目的是以最少的 材料，最低的造价，最简单的工艺，实现机械结构的最优性能，包括强度、刚度、稳定性等目标当 然设计时既要考虑各种载荷的随机性，又要考虑结 构参数的随机性，以及二者对产品性能的影响机 械优化设计追求最合理的利用材料的性能，使各个 部件或零件的几何参数得到最好的协调，使设计者 从众多的设计方案中获得较为完善的或最为合适的 最优设计方案优化设计数学模型的 3个要素是目标函数、约束条件和设计变量虽然目前可靠性设计和优化设计在理论和方法 上都达到了一定的水平，但是无论单方面进行可靠 性设计还是优化设计，都不可能发挥可靠性设计与 优化设计的巨大潜力一方面是因为可靠性设计有 时并不等于优化设计，例如机械产品在经过可靠性 设计后，并不能保证它的工作性能或参数就一定处 于最佳状态；另一方面是因为优化设计并不一定包 含可靠性设计，例如机械产品在没有考虑可靠性的 状态下进行优化设计后，并不能保证它在规定的条 件下和规定的时间内，完成规定的功能，甚至发生 故障和事故，造成损失。
另外，由于机械产品有众 多的设计参数，要同时确定多个设计参数，单纯的 可靠性设计方法就显得无能为力了所以应该进行 可靠性优化设计的研究，使机械产品既保证具有可 靠性要求，又保证具有最佳的工作性能和参数可靠性优化设计方法是在常规优化设计方法的 基础上，结合可靠性设计理论发展起来的一种有效 的优化设计方法它将可靠性分析理论与数学规划 方法有机地结合在一起，也就是说在优化设计中将 设计参数作为随机变量，以产品的可靠度作为目标 函数或约束条件，运用最优化方法得到在概率意义 下的最佳设计的一种数值计算方法由于它弥补了 单一可靠性设计或优化设计的不足，使设计不仅符 合工况运行要求，而且得出最优的设计参数，因而 更具有工程实用价值可靠性优化设计，一般包含 三方面的内容：质量、成本、可靠度，把产品的总 体可靠度作为性能约束的优化，将会产生与合理安 全性相协调的平衡设计，也就是在给定结构布局和 给定产品质量或成本之下， 使产品有最大的可靠度相对于常规的优化设计，可靠性优化设计的特 点在于将可靠性设计引入优化设计当中将可靠性 设计理论与优化技术结合起来通常有两种方法：（1）要求结构或零部件在满足一定性能的条件 下，使其可靠度达到最大。
2）在结构或零部件达到最佳性能指标时， 要 求它的工作可靠度不低于某一规定水平3 机械可靠性试验技术可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、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可靠性试 验可分为工程试验和统计试验两大类，工程试验的 目的在于暴露产品的可靠性缺陷，并采取纠正措施 加以排除这种试验由承制方进行，以研制样机为 受试产品，包括环境应力筛选试验及可靠性增长试 验环境应力筛选是施加环境应力到产品，以发现 和排除不良零件、元器件、工艺缺陷等潜在缺陷为 目的试验方法可靠性增长试验是为了暴露产品的 可靠性薄弱环节，并证明改进措施能防止可靠性薄 弱环节再现而进行的一系列可靠性试验方法3.1 可靠性增长试验产品研制初期，必须经过反复试验 —改进 —再 试验的过程，在这个过程中，产品不断暴露出各种 缺陷，而经过分析和改进之后，产品的可靠性能不 断提高，这就是可靠性增长试验一直以来可靠性 增长试验是电子类产品的专利，为提高机械产品的 可靠性，可靠性增长也逐渐应用在机械产品上。
3.2 加速试验（强化试验）如今许多产品（特别机械产品）都能在极端严 酷的环境应力下无故障地运转上千小时，为了暴露 设计缺陷或者验证预计的寿命，传统的试验方法已 经不再胜任以往，传统的可靠性试验（包括环境 应力筛选、可靠性增长试验和可靠性鉴定试验等） 大多是在模拟环境下进行的试验，具有下列几个缺 点，即，试验周期长；试验费用高，需要大量的人 力物力；后期维修费用高加速寿命试验技术则是 通过物理原因统计模型外推获得正常应力水平下的 产品寿命3.3 机械可靠性试验特点随着电子技术的发展和电子产品可靠性理论的 成熟，电子产品的可靠性试验技术已经发展的相对 成熟；机械可靠性试验技术则由于存在理论难题而 发展相对较慢机械可靠性试验的特点是：（ 1）很难得到较大子样容量， 并且费资、 费力， 备件费用大，试验周期长 2）机械失效机制的多样性和对 “环境因素 ” 的依赖性机械系统中决定机械寿命和性能劣化的 因素，不仅与应力因素有关，还取决于环境因素 3）机械可靠性理论难度大， 机械产品的零部件大多是耗损性失效为主，已颁发的一些可靠性设 计、试验和分析方法或标准，是根据电子产品失效 制定的，缺乏一个完善的针对机械产品的可实施的 可靠性试验方案。
4）机械零部件一般都是为特定用途设计， 通 用性不强，不易积累共用数据所以缺少数据导致 非电产品的可靠性评估遇到困难 5）由于没有标准的可靠性筛选试验， 机械产 品的早期故障不能应用像电子产品经过环境应力筛 选试验排除， 这增加了可靠性增长模型描述的困难因而机械可靠性试验技术问题的。