机械产品可靠性设计综述
一、可靠性设计的基本概念
可靠性设计的定义：
定义1：对系统和结构进行可靠性分析和预测，采用简化系统和结构、余度设计和可维修设计等措施以提高系统和结构可靠度的设计。
定义2：为了满足产品的可靠性要求而进行的设计。
可靠性设计即根据可靠性理论与方法确定产品零部件以及整机的结构方案和有关参数的过程。设计水平是保证产品可靠性的基础。
可靠性设计是产品的一个重要的性能特征，产品质量的主要指标之一，是随产品所使用时间的延续而在不断变化的。可靠性设计的任务就是确定产品质量指标的变化规律，并在其基础上确定如何以最少的费用以保证产品应有的工作寿命和可靠度，建立最优的设计方案，实现所要求的产品可靠性水平。
可靠性问题的研究是因处理电子产品不可靠问题于第二次世界大战期间发展起来的。可靠性设计用在机械方面的研究始于20世纪60年代，首先应用于军事和航天等工业部门，随后逐渐扩展到民用工业。
可靠性设计的一个重要内容是可靠性预测，即利用所得的资料预报一个零件、部件或系统实际可能达到的可性，预报这些零部件或系统在规定的条件下和在规定时间内完成规定功能的概率。在产品设计的初期阶段，及时完成可靠性预测工作，可以了解产品各零部件之间可靠性的相互关系，找出提高产品可靠性的有效途径。
二、可靠性设计的基本原理
（1）选择设计方案时尽量不采用还不成熟的新系统和零件，尽量采用已有经验并已标准化的零部件和成熟的技术。
（2）结构简化，零件数削减。如日本横河记录仪表10年中无件数削减30%，大大提高了可靠性。
（3）考虑功能零件的可接近性，采用模块结构等以利于可维修性。
（4）设置故障监测和诊断装置，保证零件部设计裕度（安全系数/降额）。
（5）必要时采用功能并联、冗余技术。如日本的液压挖掘机等，采用双泵、双发动机的冗余设计。
（6）失效安全设计（Failure Safe ），系统某一部分即使发生故障，但使其限制在一定范围内，不致影响整个系统的功能。
（7）安全寿命设计（Safe Life），保证使用中不发生破坏而充分安全的设计。例如对一些重要的安全性零件如汽车刹车，转向机构等要保证在极限条件下不能发生变形、破坏。
（8）加强连接部分的设计分析，例如选定合理的连接、止推方式。考虑防振，防冲击，对连接条件的确认。
（9）可靠性确认试验，在没有现成数据和可用的经验时，这是唯一的手段。尤其机械零部件的可靠性预测精度还很低。主要通过试验确认。
三、可靠性设计的基本方法
为了使设计时能充分地预测和预防故障，把更多的失效经验设计到产品中，因而必须邦助设计人员掌握充分的故障情报资料和设计依据。采取以下措施：
（1）可靠性检查表，从可靠性观点出发，列出设计中应考虑的重点。设计时逐项检查。考虑预防的对策。
（2）推行FMEA ，FTA 方法。FMEA （失效模式影响分析）和FTA （故障树分析）是可靠性分析中的重要手段。FMEA 是从零部故障模式入手分析，评定它对整机或系统发生故障的影响程度，以此确定关键的零件和故障模式。FTA 则是从整机或系统故障开始，逐步分析到基本零件的失效原因。这两种方法在国外被看作是设计图纸一样重要，作为设计的技术标准资料，它收集总结了该种产品所有可能预料到的故障模式和原因。
（3）故障事例集。把过去技术上的失败和改进的事例作成手册，供设计者随进参考。通常用简图表示，将故障和改进作对比。对故障的原因、情况附有简单说明。这手册是各公司积累的技术财富，视同设计规范同等重要。
（4）数据库。广泛有效地收集设计、制造中的失败和改进经验，试验和实际用的数据形成检索系统和数据库，使设计者能超越本单位充分利用别人实践过的经验。如电子产品已形成世界性可靠性信息交换网。
（5）设计、试验规范的不断充实、改善。从使用实际得来的故障教训要反馈到设计、试验方法的改进中，要将这些改进效果作为产品设计规范（包括材料选定，结构形式，许用应力，安全系数值）和试验标准的改进依据，使它们成为设计技术的一部分。
四、应用实例：基于虚拟样机的机械产品可靠性设计分析
机械产品可靠性设计分析是指为满足机械产品的可靠性而进行的功能性设计。目前世界上已广泛使用故障模式及影响分析、故障树分析、可靠性预测、概率设计等先进设计方法，因此，利用数字化设计方法及手段，大力推进基于概率虚拟样机的机械产品可靠性设计分析方法，提高设计可靠性与质量就成为一项十分重要的工作。
通过对产品进行功能、结构分析，建立产品故障模型，并依据故障模型划分故障类型及进行故障机理分析，从而利用虚拟样机技术对故障模式进行仿真，验证机械零部件故障模式，在此基础上确定可靠性设计重点，改进零部件设计参数，完善可靠性设计，提高产品使用寿命。
1 机械产品可靠性设计分析方法
分析系统研制阶段的主要任务，并结合工程实际中开展可靠性设计分析工作的经验可知，各种可靠性设计分析工作主要集中在技术指标论证阶段、方案论证阶段和工程研制阶段，包括可靠性要求制定，可靠性建模、预计分配，故障模式影响及危害性分析和故障树分析和可靠性仿真分析等。可靠性设计分析工作从宏观上可以分为定性设计分析和定量设计分析，可靠性定性分析方法相对应用广泛，并且得到了工程验证，而定量设计分析的方法则是机械可靠性设计分析中的难点和薄弱环节，特别是在数字化环境中如何利用CAD/CAE工具进行定量的机械可靠性参数设计也是今后重要的发展方向。
1.1 可靠性定性设计分析方法
复杂系统可靠性分析首先要将系统按照功能或结构进行层次划分，然后根据任务剖面建立功能框图及零部件的功能框图，总结搜集故障或零件失效模式，然后再利用故障模式影响及危害性分析、故障树分析等分析工具和可靠性设计准则符合性查询工具进行可靠性定性分析。故障模式影响及危害性分析是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法；故障树分析可以知道哪些事件的组合可以导致危及系统安全的故障，并计算他们的发生概率，然后通过设计改进和有效的故障监测、维修等措施，设法减小他们的发生概率。
故障树分析方法还可以让设计分析者对系统有更深入的认识，有关系统结构、功能、故障及维修保障的知识系统化，因此在设计、制造和操作过程中的可靠性改进更富有成效。
1.2 可靠性定量设计分析方法
机械产品可靠性定量设计分析可以分为两部分：其一是失效模式的确定；其二是计算机械产品发生失效的概率，失效概率的计算是可靠性分析的目的，而失效模式的确定以及每个失效模式极限状态方程的建立则是可靠性定量分析的基础。只有首先给出状态变量与各个随机变量之间的函数关系才能应用解析的或者数值方法计算失效概率，此处，所有可靠性分析都是以荷载、材料常数、几何参数等基本变量的随机型为基础的，也可称之为随机可靠性分析。
1.3 基于概率虚拟样机的机械产品可靠性定量设计分析
机械产品可靠性设计分析必然是要在需求推动下向数字化设计分析方向发展，数字化设计技术就是将计算机技术应用于产品的设计开发领域，建立基于计算机的数字化产品模型，并在产品开发的全程使用，达到减少或者避免建立实物模型的一种产品开发技术。随着技术的不断进步，仿真在产品设计过程中的应用变得越来越广泛而深刻，由原先的单领域、局部应用逐步扩展到多领域、全寿命周期的系统应用。
虚拟样机技术正是这一发展趋势的典型代表，它以并行工程为指导思想，建模和仿真为核心，强调设计与分析的紧密结合，是一种基于仿真模型的数字化产品设计方法。对于复杂的工程对象，仅靠一两种软件是不能胜任的，需要构建由多种软件组合而成的复合型仿真环境，以便对研究对象进行多目标、多层面的性能仿真，虚拟样机最终目标就是利用仿真工具的数据接口及二次开发技术，依据几何特征创建数值仿真模型，实现分析数据的共享及动态交换，尽可能做到一次建模多次调用。随着虚拟样机技术在工程实践中的应用，已逐渐成为失效模拟仿真技术中的主要工具，但是其在可靠性分析仿真中的应用仍然处在较低的水平，只有综合CAD/CAE软件工具协同仿真和可靠性定量分析方法调用，采用概率虚拟样机的技术，才是实现机械产品可靠性定量设计分析的必由之路。
2 基于概率虚拟样机的可靠性设计分析流程
利用数字化手段，实现机械产品故障模式的概率虚拟样机技术分析，对机械产品实现可靠性设计分析以及基于可靠度的零部件参数设计。首先，根据确定的故障模式，对主要故障模式进行故障仿真分析，然后利用CAD/CAE软件的协同，在仿真分析的基础上进行概率设计，即对工程设计中的关键参数进行参数化考虑，将确定性分析的参数按照随机变量进行选取，最后通过不断迭代，进行设计改进，找到影响零部件可靠性的关键参数，从而实现关键件和重要件的可靠性设计要求。
2.1 机械产品故障仿真技术
机械产品失效分析重点工作之一的失效预测预防工作主要就是对故障原因进行模拟仿真，对故障、失效现象进行直观分析，降低试验成本，为修改相关重要参数设计进行确定性分析，为可靠性设计分析奠定基础。图1清楚的描述了机械产品一体化故障仿真设计分析方案，主要就是在载荷数据、力学特性以及材料性能等用户需求信息基础上，一方面通过真实实验获得产品故障模式信息，另一方面通过计算机辅助模拟方式，得到虚拟产品故障模式，然后将二者进行关联与验证，通过真实实验数据调整虚拟样机设计参数，重新进行设计优化，对于变形、断裂、磨损以及疲劳等失效模式进行模拟仿真验证。
图1 机械产品一体化故障仿真方案
2.2 CAD/CAE软件协同技术
长期以来结构可靠性仿真只能应用于能推导显示功能函数的简单结构，如杆、板、梁等，稍微复杂的结构就很难推导出显示功能函数，只能采用隐式的功能函数，这就需要借助于CAD/CAE软件的分析程序。同时，复杂结构的可靠性仿真分析必须以独立的可靠性软件作为支撑，配合使用结构分析程序（主要是有限元分析程序）和高效准确的可靠度算法，才可以得到精确的可靠性分析结果。上述需求的直接要求就是要在基于概率虚拟样机的机械产品可靠性设计分析平台上，通过批处理命令直接调用相应CAD/CAE软件输入文件，进行结果计算，然后将多次调用不同输入变量的结果输出文件记录到平台中，从而作为概率设计的信息源。
图2 CAD/CAE软件协同仿真分析流程
图2图示化的表示分析仿真平台协同调用CAD/CAE软件仿真分析的整个流程。结构弹性问题以及非线性问题可以建立在分析平台与Nastran 或分析平台与Marc 协同仿真的基础上，解决机械产品断裂、变形失效的问题；利用分析平台与Marc 协同仿真也可解决机械产品磨损问题；整个虚拟疲劳耐久性集成化仿真分析过程中，可以从分析应力应变的结果以及载荷变化历程两个方面进行考虑，利用分析平台与Nastran 协同来描述应力应变分析情况，利用分析平台与Adams 协同仿真来表征载荷变化历程问题，从而形成机械产品疲劳问题的可靠性分析仿真。
2.3 基于确定性分析的可靠性设计
机械产品可靠性设计分析与性能设计分析是紧密联系、不可分割的。以往传统的基于统计概率的机械可靠性设计分析需要进行大量的试验数据和产品参数的采集和分析，还必须结合经验性分析来开展，性能和可靠性存在脱节的问题，而且设计分析的层面往往局限在单个部件、单学科领域，同产品整体性能综合权衡考虑结合不紧密。随着相关学科和技术的发展，使机械产品的性能与可靠性一体化设计、分析仿真和以可靠性为目标的参数设计成为可能。图3是基于确定性分析的可靠性仿真分析平台，即把几何参数、边界条件以及载荷、材料属性等参数进行变量考虑，在典型的确定性分析结果，利用经典的可靠度计算模型应力——强度干涉模型，协同CAD/CAE软件进行可靠度计算。
图3 基于确定性分析的可靠性仿真分析平台
基于确定性分析的可靠性设计基本步骤如下：用户输入极限状态方程、随机变量及相关统计特性、建立有限元映射关系；分析过程需要用户选择可靠度计算方法、设置响应变量、设置变量相关性、自动计算；结果输出可靠度计算结果、概率灵敏度计算结果以及重要度水平计算结果。
整个系统进行可靠性分析仿真过程中，影响较大的有以下几个因素：模型的准确程度，即有限元、动力学仿真分析的精度；随机变量的输入情况，即随机变量的统计特性；可靠度算法的适用性。其中第一方面是取决于上述的故障模拟确定性分析结果，而关于随机变量的选取和可靠度计算方法的选择则应依照下述方法。
1）随机变量分布类型选择
机械产品可靠性定量分析理论根据产品基本变量存在的随机分散特性，应用概率论和数理统计的方法，分析计算机械产品在使用期内满足规定功能的概率。一般情况下，影响产品可靠性主要因素有所承受的外载荷、结构的几何形状和尺寸，材料的物理特性、工艺方法和使用环境等。如各种疲劳强度、疲劳寿命一般都服从威布尔分布，而各类测量误差、制造尺寸偏差、硬度、材料强度极限、弹性模量、系统误差、随机误差、断裂韧性、金属磨损、作用载荷、空气湿度、膨胀系数、间隙误差则一般服从正态分布，再如各类载荷则又是典型的极值分布类型，合金材料强度极限、材料的疲劳寿命、降雨强度、工程完成时间、弹簧疲劳强度、腐蚀量、腐蚀系数、容器内压力、金属切削道具的耐久度、系统无故障工作时间、齿轮弯曲强度和接触疲劳强度都服从对数正态分布。
2）随机变量统计特性参数选择
一般来讲，各类型统计变量的统计特性参数选择都应来源于试验数据，但也存在一些共性：泊松比的离散程度较小，其变异系数仅为0.01～0.03左右；机械零部件寿命的变异系数均是小于l 的数值，使用指数分布描述机械零部件的寿命会带来较大的误差；对于产品整机寿命，在第一次大修前的变异系数较小，而经过大修后的整机，其寿命的变异系数加大；原材料的机械强度是机械设计的基础，一般原材料机械强度的变异系数取值都比较小。
3）可靠度算法
机械结构的可靠性仿真算法经过几十年的发展已经比较成熟，大致分为两大类：解析方法和抽样方法。解析方法通过寻找和优化设计验算点计算功能函数的可靠指标，进一步计算结构的失效概率，解析方法主要包括：一次二阶矩方法、二次二阶矩法、响应面法等；抽样方法通过随机变量的抽样计算结构的失效概率，抽样方法主要包括：直接蒙特卡洛法、半径重要度抽样、自适应重要度抽样等。
在确定功能函数的基础上，多次调整不同的变量分布类型、变量的统计特性，选择不同的可靠度计算方法，可以使零件的可靠度得到提高，从而提高整个组件级、系统级的可靠度。对于同一系统进行不同情况的可靠度分析，可以得到系统可靠性的提升，满足设计的要求。
3. 基于可靠性的机械产品参数设计
根据可靠度的计算结果和概率灵敏度分析以及重要度水平，工程设计人员能更好地分配各参数的误差范围，从加工工艺、制造、选材等方面寻求提高可靠性的有效途径，达到可靠性定量设计和优化的目的，也可以实现对于机械产品的参数进行基于可靠性的设计。
参数的重要度因子为参数变换后，空间中设计验算点的方向余弦，因子表征了变量对于失效概率贡献的相对重要度。不同的随机变量对于失效概率的重要性往往是不同的，次要的随机变量完全可以用确定值代替而不会对失效概率的结果产生多大影响，从而减少可靠度分析工作的计算量；重要的随机变量则是可靠度分析工作的重点和关键。这些随机变量分布类型的选取和分布参数的确定，直接决定了失效概率计算结果的精确性，核实、校改这些随机变量的信息可以进一步提高计算精度。在实际工程中对这些随机因素给予重视并采取相应措施，可以把握关键，大幅提高机械系统的可靠性。
参数灵敏度反映对于输入参数变化对于失效概率的影响程度，灵敏度分析就是用来确定随机变量及其分布参数对于计算失效概率的重要性。
设计人员根据参数的重要度来选择重要参数进行优先设计选择，并且根据该参数的灵敏度分析情况选择对于参数的均值以及变异系数进行设计。如果系统可靠性指标确定，则可以在要求的可靠性指标基础上调整各个参数的均值及变异系数，平衡各个参数之间的重要程度，考虑实际中的效用和成本因素，达到基于可靠性指标的参数设计目的，满足最佳的效费比。
4. 结论
本文探讨了基于概率虚拟样机的机械产品可靠性设计分析方法，明确了在虚拟样机技术基础上的设计分析方法流程，并提出了基于可靠性的产品参数设计的方法，为机械零件的可靠性概率设计提供了系统的解决方案。
采用虚拟样机技术进行零件失效模式的验证模拟，使零件的故障得以重现；
利用基于概率虚拟样机的可靠性设计分析平台协同调用CAD/CAE软件进行可靠性分析计算，根据不同的功能函数选择不同的可靠度计算方法，协调各方法之间精度与效率的关系；
对零件进行可靠性设计分析，并且对零件的具体参数实施基于可靠性的参数设计，为可靠性设计提供了新的方向。