引言

　　可靠性理論是近幾十年發(fā)展起來的一門新興學科，從60年代開始，逐漸進入機電產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，使機械設(shè)計及機電產(chǎn)品設(shè)計發(fā)生了前所未有的變化，特別是近一、二十年間，國內(nèi)外一些有代表性的機電產(chǎn)品設(shè)計方面的著作增添了可靠性技術(shù)方面的內(nèi)容。在這些科學的理論指導下，設(shè)計、制造出來的機械類產(chǎn)品，平均無故障工作時間提高了3倍，產(chǎn)品缺陷大大降低了，很好地維護了用戶和社會效益，可靠性設(shè)計方法現(xiàn)已逐步成為現(xiàn)代機械產(chǎn)品設(shè)計方法的一個重要組成部門，它比常規(guī)設(shè)計方法更能反映事物的本質(zhì)。

　　1 可靠性理論

　　1.1 常規(guī)的機械設(shè)計中，通常采用安全系數(shù)法或許用應(yīng)力法，它的出發(fā)點是使作用在危險截面上的工作應(yīng)力S小于或等于其許用應(yīng)力[S]，而[S]是由極限應(yīng)力S除以大于1的安全系數(shù)n而得到的；也可以使機械零件的計算安全系數(shù)n大于預期的許用安全系數(shù)[n]。即：

　　S≤[S]=S/n n=S/n≥[n]

　　這種常規(guī)設(shè)計方法沿用了許多年，只要安全系數(shù)選用適當，是一種可行的設(shè)計方法，但是隨著產(chǎn)品日趨復雜，對其可靠性要求愈來愈高，常規(guī)方法就顯得不夠完善。首先，大量的實驗表明，現(xiàn)實的設(shè)計變量如截荷、極限應(yīng)力以及材料硬度、尺寸等都是隨機變量，都呈現(xiàn)或大或小的離散性，都應(yīng)該依概率取值，不考慮這一點，設(shè)計出來的結(jié)果難免與實際脫節(jié)。其次，常規(guī)設(shè)計方法的關(guān)鍵是選取安全系數(shù)，過大，造成浪費，過小，影響正常使用，但在選取安全系數(shù)時常常沒有確切的選擇尺度，其結(jié)果是使設(shè)計極易受局部經(jīng)驗所影響。所以為了使設(shè)計更符合實際，應(yīng)該在常規(guī)方法的基礎(chǔ)上進行概率設(shè)計。概率設(shè)計的主要特點是：第一，概率設(shè)計與常規(guī)設(shè)計的關(guān)系不是對立的，而是繼承和發(fā)展的，在概率設(shè)計中同樣用到各種符合實際的力學模型、系數(shù)和經(jīng)驗公式，但是，概率設(shè)計所使用的數(shù)據(jù)是以統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，要在統(tǒng)計分布的基礎(chǔ)上觀察所有設(shè)計變量。比如在選用材料時，只有均值高、標準差又得到控制的才是好材料。第二，概率設(shè)計用平均安全裕度（平均安全系數(shù)）和可靠度作為設(shè)計目標，尤以后者更為重要。因為可靠度綜合考慮了各設(shè)計變量的統(tǒng)計分布特性，定量地用概率表達所設(shè)計產(chǎn)品的可靠程度，因而更能反映實際情況。第三，概率設(shè)計重視收集和積累各種可靠性數(shù)據(jù)，特別注意信息反饋，從而在客觀上形成了良性循環(huán)，并能使設(shè)計和管理工作有機結(jié)合。最終使概率設(shè)計逐步走上實用化的道路。

　　1.2 應(yīng)力--強度干涉模型

　　概率設(shè)計所依據(jù)的模型主要是應(yīng)力--強度干涉模型。在常規(guī)設(shè)計中，將強度γ和應(yīng)力S都視為常量，然而，零件本身的固有強度要受許多偶然因素的影響。比如，零件材料和金相不均勻、零件表面光潔度具有離散性、零件尺寸加工具有隨機誤差等等，因此實際中強度是一個隨機變量。當然工作應(yīng)力由于溫度、載荷、濕度及振動等偶然因素的影響，在實際中也是一個隨機變量。這樣機械零件的強度和工作應(yīng)力在實際中都服從一定的概率分布，兩者的pdf曲線通常都部分重疊或稱干涉。如圖1所示。其重疊程度或干涉面積直接反映了可靠度的大小，應(yīng)用應(yīng)力與強度的干涉模型提出的一種概率設(shè)計理論是進行概率設(shè)計的基本依據(jù)。

　　圖1 應(yīng)力—強度干涉模型