论文部分内容阅读
[摘 要]可靠性设计（Reliability Design）是指在机械设计阶段，为了防止发生故障以及消除潜在的隐患，而采取的各种预防措施和设计改善。现代机械设计依托先进的管理理念、设备工具和计算机技术，已经发展出了一套较为成熟的可靠性设计理论和方法。目前可靠性设计已经形成一门学科，成为高等院校、大型企业单位的研究方向，并逐步深入应用到航天、医疗、家用电子等各种领域中。
[关键词]风险分析技术；故障树分析FTA；失效模式和效应分析FMEA；有限元分析；可靠性试验
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0386-02
一、机械可靠性设计发展与现状
人类社会从工业革命以来，特别是二十世纪中叶之后，科技和工业创造了前所未有的辉煌，各种机械产品日益大型化、復杂化、精密化。但是科技飞速发展伴随而来的是各种灾难性事故，这些惨痛代价直接推动了各国政府和科学家对机械可靠性的研究和重视。
自改革开放以来，中国工业持续保持稳定、较快的发展。特别是近几年来，中国企业通过引进国外先进技术、对现有技术改造，中国机械制造业的综合技术水平有了大幅度提高，2011年中国工业总产值已经跃居世界第一。但与工业发达国家相比，仍存在阶段性的差距。集中体现在制造技术、设备的落后，缺少先进的管理。“中国制造”的机械产品还是存在使用寿命短、可靠性相对较差的问题。因此可靠性设计是未来很长一段时间中国工业需要面临的一大课题。
二、机械可靠性设计理论
机械产品的可靠性是指产品在规定的时间内和给定的条件下，完成规定功能的能力。因此产品可靠性设计的原则就是在设计阶段找出隐患、研究对应措施、开展设计改善和进行设计验证，防止隐患和故障流入生产环节甚至市场。另外，在机械产品设计的开始阶段，产品各零部件之间可靠性的相互关系可以通过可靠性预测工作进行一部分的了解，直到得到提高产品可靠性的有效方法。在提高产品质量的同时，有效地降低产品成本、减轻产品质量、延长产品寿命以及提高产品可靠性是可靠性设计的重要目标。
如何实现产品的可靠性设计呢？我们可遵照“设计-分析-验证-改进”这一思路。下面介绍一些常用的可靠性设计理论方法。
三、机械可靠性设计的一些方法
1.风险分析技术
在机械产品设计阶段，提高期可靠性的重要手段就是进行产品的风险管理。下面是几种常用的风险分析技术：
·故障树分析FTA（Fault Tree Analysis）
·失效模式和效应分析FMEA（Failure Mode Effects Analysis）
·危害和可运行性研究HAZOP（Hazard and Operability Study）
·危害分析的关键控制点（Hazard Analysis and Critical Control Point）
这些技术是互补的，可以多个技术同时使用来对产品进行风险分析。下面以故障树分析FTA和失效模式和效应分析FMEA为例进行简要说明。
·故障树分析FTA
故障树顾名思义是一种解释故障发生因果关系的树状逻辑图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。它的特点是直观、形象，逻辑性强。 GB/T 7829-1987对故障树分析程序作了标准化规定。
FTA主要是一种用来分析已判定的危害的手段。它从一种设定的故障（顶事件）开始，以演绎的方式，通过由逻辑符号绘制出的一个逐渐展开成树状的分枝图，来分析所有可能导致故障事件发生的因素，包括人为因素和环境条件等。它对系统故障不但可以做定性的而且还可以做定量的分析。因为故障树分析法使用的是一个逻辑图，可以通过底事件的概率计算出顶事件的发生概率。
·失效模式和效应分析FMEA（Failure Mode Effects Analysis）
失效模式和效应分析（简称FMEA），广泛应用于制造行业产品生命周期的各个阶段。按实施对象可分为DFMEA（设计FMEA）、PFMEA（过程FMEA）等，这里主要讲DFMEA。
FMEA是一种系统化程序，特点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，检测难易程度以及发生频度进行归纳分析（风险评价），然后分别采取相应的对应措施。
FMEA的实施一般可分为五个步骤：
1）系统功能归纳
2）失效模式分析和危害判定
3）风险评价
4）风险控制措施
5）风险可接受性评估
为了简化、规范流程，我们一般把整个FMEA分析过程做成一份工作表：
按部件、功能逐条归纳出失效模式并进行失效影响分析后，对失效事件的严重程度、出现频度和易发现性进行分级，分级一般可取值1至9。这三个数值乘起来，就可以得到风险优先级数RPN。之后可根据RPN值按优先次序对各失效模式采取风险控制措施。风险控制措施可分为达到固有安全性设计、增加防护措施和提供安全性信息三类，可根据具体情况考虑使用何种措施。然后再对实施风险控制措施之后的状况进行剩余风险评价，以及对剩余风险的可接受性进行评估。
2.计算机辅助设计及设计分析
计算机辅助设计已经得到了广泛应用，在使用计算机设计产品的同时进行可靠性分析，这无疑大大提高了效率和产品可靠性。可靠性分析辅助软件代表性的有ANSYS、MATLAB等。
ANSYS是一个功能非常强大的有限元分析软件，不仅能够建立模型计算出模型各点受力、受压的状况，模拟机械零件在工作情况下的物理状态，而且其提供的概率分析功能模块对解决机械零件可靠性的问题也是非常实用，它可以分析结构失效的位置和范围，如最大应力、最大变形，从而找到结构失效的危险位置，找出规避的方法等。
另外，很多设计行业常用的3D软件也开发了类似的有限元分析模块，可帮助设计人员在同一工作界面上完成“设计-分析-修改-再分析”的全过程，更加提高了设计和计算的效率。
3.可靠性试验
采取风险分析技术以及借助一些分析和模拟软在理论上增加了机械产品的可靠性，同时有效地降低了设计的成本。但还是需要通过可靠性试验来进一步验证机械产品的可靠性。
可靠性试验的项目一般可分为机械强度试验、环境试验、寿命试验、实使用试验等。通过使用各种机械强度测试设备验证部件及整机的强度，使用环境试验设备模拟各种气候条件，加速反应产品在使用环境中的状况，从而验证产品是否达到设计预期的质量目标，以及确定产品可靠性寿命。
四、结语
现代化生产中产品的开发、设计、制造等各个环节中都离不开可靠性的设计。理论与工程经验的结合是解决机械工程可靠性的选择，对可靠性设计的研究越深入，理论的掌握越多，那么依靠主观经验就越少，机械机构可靠性越能得到保证。通过上述介绍的一系列理论方法，
参考文献
[1] 张义民.机械可靠性设计的内涵与递进[J].机械工程学报，2013（14）.
[2] 邱继伟，张瑞军，从东升，郭楠.机械零件可靠性设计理论与方法研究[J].工程设计学报，2011（12）.
[3] 李刚，刘混举.基于有限元的机械零件可靠性设计方法[J].机械工程与自动化，2012（01）.
[关键词]风险分析技术；故障树分析FTA；失效模式和效应分析FMEA；有限元分析；可靠性试验
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0386-02
一、机械可靠性设计发展与现状
人类社会从工业革命以来，特别是二十世纪中叶之后，科技和工业创造了前所未有的辉煌，各种机械产品日益大型化、復杂化、精密化。但是科技飞速发展伴随而来的是各种灾难性事故，这些惨痛代价直接推动了各国政府和科学家对机械可靠性的研究和重视。
自改革开放以来，中国工业持续保持稳定、较快的发展。特别是近几年来，中国企业通过引进国外先进技术、对现有技术改造，中国机械制造业的综合技术水平有了大幅度提高，2011年中国工业总产值已经跃居世界第一。但与工业发达国家相比，仍存在阶段性的差距。集中体现在制造技术、设备的落后，缺少先进的管理。“中国制造”的机械产品还是存在使用寿命短、可靠性相对较差的问题。因此可靠性设计是未来很长一段时间中国工业需要面临的一大课题。
二、机械可靠性设计理论
机械产品的可靠性是指产品在规定的时间内和给定的条件下，完成规定功能的能力。因此产品可靠性设计的原则就是在设计阶段找出隐患、研究对应措施、开展设计改善和进行设计验证，防止隐患和故障流入生产环节甚至市场。另外，在机械产品设计的开始阶段，产品各零部件之间可靠性的相互关系可以通过可靠性预测工作进行一部分的了解，直到得到提高产品可靠性的有效方法。在提高产品质量的同时，有效地降低产品成本、减轻产品质量、延长产品寿命以及提高产品可靠性是可靠性设计的重要目标。
如何实现产品的可靠性设计呢？我们可遵照“设计-分析-验证-改进”这一思路。下面介绍一些常用的可靠性设计理论方法。
三、机械可靠性设计的一些方法
1.风险分析技术
在机械产品设计阶段，提高期可靠性的重要手段就是进行产品的风险管理。下面是几种常用的风险分析技术：
·故障树分析FTA（Fault Tree Analysis）
·失效模式和效应分析FMEA（Failure Mode Effects Analysis）
·危害和可运行性研究HAZOP（Hazard and Operability Study）
·危害分析的关键控制点（Hazard Analysis and Critical Control Point）
这些技术是互补的，可以多个技术同时使用来对产品进行风险分析。下面以故障树分析FTA和失效模式和效应分析FMEA为例进行简要说明。
·故障树分析FTA
故障树顾名思义是一种解释故障发生因果关系的树状逻辑图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。它的特点是直观、形象，逻辑性强。 GB/T 7829-1987对故障树分析程序作了标准化规定。
FTA主要是一种用来分析已判定的危害的手段。它从一种设定的故障（顶事件）开始，以演绎的方式，通过由逻辑符号绘制出的一个逐渐展开成树状的分枝图，来分析所有可能导致故障事件发生的因素，包括人为因素和环境条件等。它对系统故障不但可以做定性的而且还可以做定量的分析。因为故障树分析法使用的是一个逻辑图，可以通过底事件的概率计算出顶事件的发生概率。
·失效模式和效应分析FMEA（Failure Mode Effects Analysis）
失效模式和效应分析（简称FMEA），广泛应用于制造行业产品生命周期的各个阶段。按实施对象可分为DFMEA（设计FMEA）、PFMEA（过程FMEA）等，这里主要讲DFMEA。
FMEA是一种系统化程序，特点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，检测难易程度以及发生频度进行归纳分析（风险评价），然后分别采取相应的对应措施。
FMEA的实施一般可分为五个步骤：
1）系统功能归纳
2）失效模式分析和危害判定
3）风险评价
4）风险控制措施
5）风险可接受性评估
为了简化、规范流程，我们一般把整个FMEA分析过程做成一份工作表：
按部件、功能逐条归纳出失效模式并进行失效影响分析后，对失效事件的严重程度、出现频度和易发现性进行分级，分级一般可取值1至9。这三个数值乘起来，就可以得到风险优先级数RPN。之后可根据RPN值按优先次序对各失效模式采取风险控制措施。风险控制措施可分为达到固有安全性设计、增加防护措施和提供安全性信息三类，可根据具体情况考虑使用何种措施。然后再对实施风险控制措施之后的状况进行剩余风险评价，以及对剩余风险的可接受性进行评估。
2.计算机辅助设计及设计分析
计算机辅助设计已经得到了广泛应用，在使用计算机设计产品的同时进行可靠性分析，这无疑大大提高了效率和产品可靠性。可靠性分析辅助软件代表性的有ANSYS、MATLAB等。
ANSYS是一个功能非常强大的有限元分析软件，不仅能够建立模型计算出模型各点受力、受压的状况，模拟机械零件在工作情况下的物理状态，而且其提供的概率分析功能模块对解决机械零件可靠性的问题也是非常实用，它可以分析结构失效的位置和范围，如最大应力、最大变形，从而找到结构失效的危险位置，找出规避的方法等。
另外，很多设计行业常用的3D软件也开发了类似的有限元分析模块，可帮助设计人员在同一工作界面上完成“设计-分析-修改-再分析”的全过程，更加提高了设计和计算的效率。
3.可靠性试验
采取风险分析技术以及借助一些分析和模拟软在理论上增加了机械产品的可靠性，同时有效地降低了设计的成本。但还是需要通过可靠性试验来进一步验证机械产品的可靠性。
可靠性试验的项目一般可分为机械强度试验、环境试验、寿命试验、实使用试验等。通过使用各种机械强度测试设备验证部件及整机的强度，使用环境试验设备模拟各种气候条件，加速反应产品在使用环境中的状况，从而验证产品是否达到设计预期的质量目标，以及确定产品可靠性寿命。
四、结语
现代化生产中产品的开发、设计、制造等各个环节中都离不开可靠性的设计。理论与工程经验的结合是解决机械工程可靠性的选择，对可靠性设计的研究越深入，理论的掌握越多，那么依靠主观经验就越少，机械机构可靠性越能得到保证。通过上述介绍的一系列理论方法，
参考文献
[1] 张义民.机械可靠性设计的内涵与递进[J].机械工程学报，2013（14）.
[2] 邱继伟，张瑞军，从东升，郭楠.机械零件可靠性设计理论与方法研究[J].工程设计学报，2011（12）.
[3] 李刚，刘混举.基于有限元的机械零件可靠性设计方法[J].机械工程与自动化，2012（01）.