郭泰

摘 要：工程设计几乎覆盖所有的人类活动领域，工程设计是工业文明的核心。其根据工程建设的需求，利用科学技术和实践方法，对工程建设过程中需要的资源、劳动力、科学技术等进行全面的分析，创建合理的工程计划。本文首先介绍了机械可靠性的设计方法和发展阶段，以及在工程设计的过程中机械可靠性的两种代表性应用方法。

关键词：工程设计；机械可靠性；应用方法

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

在当今社会，人们对于各类产品的质量有着极高的要求，要想使产品获得用户认可度，就必须要提升产品的可靠性。机械可靠性是指机械产品在规定的条件和时间内，完成规定功能的能力。在重要产品和日用类机械产品方面，机械可靠性更是备受关注，衡量产品的质量优劣的标准之一就是产品的可靠性，只有可靠性高的产品，才能在竞争激烈的市场环境中占据一席之地。

1 机械可靠性的设计方法

研究机械可靠性基于其随机变量——应力和强度，运用概率和统计的方法定性、定量的分析产品的可靠性和失效率，需要综合考虑整体情况，选择相应的可靠性指标。

强度因为受材料的力学性能、加工环节的波动和加工精度等因素的影响，也是一个具有一定离散性且服从一定分布规律的随机变量。所以，研究机械概率可靠性设计等同于研究机械结构的可靠性问题。机械可靠性由结构可靠性和机构可靠性构成。定量可靠性设计就是掌握机械零件的强度和应力分布、各种设计参数的随机性。机械可靠性的常用有效的方法是定性可靠性设计，在结构可靠性和机构可靠性中通常也采用这种方法。而定量可靠性设计目前仍然缺乏强度和应力的分布的具体数据，还有许多其余要考虑的因素，所以这种方法并不能广泛应用，但是可以根据可靠性指标制造出符合要求的机械零件，所以一般在设计重要的零件时会采用定量可靠性设计。

2 关于机械可靠性的研究

在上个世纪四十年代，第二次世界大战期间，因为对于武器与各类机械产品的大量运用，飞机、军火武器等设备的可靠性研究必不可少。而在二十世纪五十年代，美国因为军事上的需要，同样对可靠性展开了深入的研究，与此同时，苏联和日本也不甘落后，对可靠性问题进行了全面的研究。从上个世纪六十年代开始，世界各国都渐渐注意到机械可靠性的发展前景广大，纷纷投入研究，取得了许多成就。机械可靠性研究的内容广泛，涉及许多方面，与人类生活息息相关。机械的可靠性不仅体现在日常生活中，例如洗衣机、电视机等家用电器，还包括一些高端科技领域，例如航空航天飞机等。现在在国外，机械可靠性被应用在许多领域，比如轴承和齿轮、人造卫星、土木工程核电站、宇宙飞船、飞机、舰船、汽车、压力容器等产品。[1]

我国在机械可靠性的研究方面相对起步较晚，因为人们生产和生活方面的迫切需要，直到上个世纪八十年代才有了初步的发展，各个行业都开始研究可靠性，也开始将可靠性研究编入教材，作为教育的其中一个环节。虽然我国进步很快，取得了较大的进展，但是因为起步晚，直接导致了我们国家的工业文明与西方发达国家的工业发展有着较大的差距。所以，我们需要明确差异所在，积极地发展和创新，逐渐缩小国与国之间存在的差距。

3 工程设计中机械可靠性应用方法

在工程设计的过程中，有较多的机械可靠性的应用方法，例如应力——强度干涉理论、一次二阶矩法、蒙特卡洛法、等效威布尔分布法、统计模拟试验法等，我们在此举例说明其中的两种方法：

3.1 应力——强度干涉理论（模型）

若应力s和强度r均为随机变量，则z=r-s也为随机变量。若产品可靠，满足z=r-s≧0，即产品可靠度为R=P（z≧0）=P（r-s≧0）。

在设计机械零部件时，要在一定的可靠度下保证其危险断面上的最小强度不低于最大的应力，否则，零件将由于未满足可靠度要求而导致失效。由应力强度干涉模型的理论知机械可靠度：[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）——随机应力S的概率密度函数；

fr（r）——随机强度R的概率密度函数。

由（1）可知，要想求出可靠度，就必须要知道代表随机应力S和代表随机强度R的概率密度函数。然而在实际操作的过程中，无法准确的获取概率分布的情况，就算获取了概率分布，直接解出积分也是非常困难的。所以，根据工程设计的要求，应该采用一些简易的、方便计算的概率密度函数求解可靠度，或是利用随机变量特征函数值（均值、标准差和变异系数等）求解可靠度。

3.2 蒙特卡洛技术

Monte carlo技术是一种随机抽样技术，也称为随机模拟技术。其方法为设：y=g（x1，x2，...xn），其中x1，x2，...xn是基本的随机变量，f（x1），f（x2），...f（xn）分别为x1，x2，...xn的概率密度函数。按分布f（x1），f（x2），...f（xn）随机抽取一组x1，x2，...xn，计算：yj=g（x1，x2，...xn），其中j=1～m，检验y的分布，估计分布的参数。

蒙特卡洛法是一种纯概率分析法，很少采用假设的分析方法，也无需求函数分布，所以精确度比较高。当进行多次模拟后，精确度会更高。在采用蒙特卡洛方法的时候，需要注意随机变量的基本分布，产生随机性好的随机变量，合理地估计抽樣容量。

4 结语

通过对工程设计中机械可靠性应用方法的研究，我们应该认识到在实际操作的过程中，因为每一种方法的特点都不尽相同，所以要结合现实情况应用不同的研究方法，以正确的科学技术作指导，使产品具有较高的可靠度，提高在未来的国际市场中的竞争力。

参考文献：

[1]张祖明，田怀祥.论机械可靠性设计工作的发展途径[J].机械设计与制造，1991（02）：10-14.

[2]封士彩，林聚华，张新民.工程设计中机械可靠性应用方法的研究[J].煤矿机械，2002（10）：27-30.