专利名称：机械产品设计可靠性分析手段的确定方法
技术领域：
本发明涉及一种机械产品设计方法，尤其是一种机械产品设计可靠性分析手段的 确定方法。
背景技术：
随着产品技术的发展，机电装备的复杂性不断增加，产品发生故障和失效的潜在 可能性越来越大，致使其可靠性问题变得日益突出。为了保证机电装备的可靠性，人们从产 品的设计、产品的制造以及产品的维护等方面，对于 保证产品的可靠性方法进行了广泛的 研究。然而，在设计阶段采取措施保证产品的可靠性是最为根本与重要的方法。另一方面， 为了保证产品设计的可靠性，必要时需要采取分析计算、可靠性试验以及样机试验等措施， 致使产品的生产成本提高。因此，如何科学地选择机械可靠性的分析手段，对于兼顾可靠性 与生产成本的优化问题具有重要的意义。
发明内容
本发明是要提供一种机械产品设计可靠性分析手段的确定方法，该方法综合考虑 可靠性、设计费用以及可靠性问题所造成的损失等因素，给出了确定可靠性分析手段的方 法，为科学地保证产品设计的可靠性提供了依据。为实现上述目的，本发明的技术方案是一种机械产品设计可靠性分析手段的确 定方法，包括以下步骤1、确定可靠性分析的对象将那些缺乏经验设计且又可能对产品性能有较大影响的对象，确定为可靠性分析 的对象；2、可靠性分析手段的选择(1)概率计算设产品可靠性能够满足要求的概率为P(M)，不能满足产品可靠性的概率为
P(M) ορ (M) = α ,ρ(Μ)=1~α(1)经过可靠性分析，将不满足产品可靠性的设计参数误判为可行参数，以及将不满 足产品可靠性的设计参数正确判别为不可行参数的概率分别为p(F/m) = 0 ,P(F/M)=1-^(2)式中，Fj分别表示经过可靠性分析，将设计参数确定为可行参数与不可行参数； 同样，将满足产品可靠性的设计参数正确判别为可行参数，以及将满足产品可靠性的设计 参数误判为不可行参数的概率分别为p(F/M) = γ ,p(F/M)=l- Y(3)(2)损失值计算对于设计参数的误判，给产品的生产带来的损失，其损失值用信息率失真理论中的失真度表示，设正确判别设计参数不造成任何损失，即d(F/M) = 0,d(F/M)=0(4)而不恰当的设计参数，误认为是合适参数所造成的损失为d(F/M)=C!(5)恰当的设计参数，误认为是不合适参数所造成的损失为d(F/M)=c2(6)(3)平均损失值计算根据信息率失真理论，求得平均失真度，即平均损失值为O^p(M)[p{F/M)d(F/M) +p(F/M)d(F/M)] + piMip^F/M)d(F/M) + p(F/M)d(F/M)]=(l_/)oc2用式(7)计算以下情况下，产品设计所产生的平均损失值δ d.当p(M) = Q= l，p(F/M) = γ = 1，由式(7)知δ=0，即当对产品设计具有经 验积累，能确保产品的可靠性时，不造成损失；e. ^p(F/M) = ^=0,p(F/M) = γ = 1，由式(7)知D =0，即通过产品可靠性分 析，能对产品的设计参数做出完全正确的判断时，也不造成损失；f.当产品不经过可靠性分析，都认为所给定的设计参数可行时(即= P =1，P(F/M) = Y= 1)，给生产所造成的损失为最大，其值为Dfflax= (I-Q)C1(8)(4)由于Dmax为设计参数不经过可靠性分析，都认为可行时所造成的损失，5为经 过可靠性分析，但存在一定的误判情况下的平均损失，因而可定义AD=Dmax-D(9)为因增加可靠性分析手段所减少的损失值。可靠性分析所付出的代价C与由此所减少的损失值AD，定义为J = C-AD(10)为了确定合适的机械设计参数，所采用的可靠性分析手段，应使得所付出的代价C 与由此所减少的损失值AD之差J为最小。本发明的有益效果是该方法综合考虑可靠性、设计费用以及可靠性问题所造成 的损失等因素，给出了确定可靠性分析手段的方法，为科学地保证产品设计的可靠性提供 了依据。
具体实施例方式下面结合实施例子对本发明作进一步的说明。本发明的机械产品设计可靠性分析手段的确定方法1.产品设计的信息传递过程机械产品的设计一般采用以经验为主的设计方法，产品的可靠性也需要通过具有 丰富设计经验的人员进行保证。受设计周期与设计成本的限制，不可能对每一个零件与部 件进行可靠性理论分析。由于过分依赖经验，而对缺乏实用经验的设计，例如新技术、新材 料、新工艺的应用，往往难以选择合适的设计参数，致使产品的可靠性降低。从信息论的角度看，产品的可靠性设计过程可以看作是一个信息传递过程。针对缺乏经验的产品设计，其 参数的选择存在一定的不确定度，通过产品的可靠性分析手段，例如产品的载荷分析、强度 分析、疲劳分析以及相应的数据检测等，获得产品的静态与动态性能信息，从而减少了设计 参数选择的不确定度，达到提高产品可靠性的目的。然而，每一种可靠性分析手段，根据其 所获取的信息量不同，所需要付出的代价也不同。因此，需要综合考虑可靠性分析成本与因 信息获取不足所造成的可靠性降低风险，来选择可靠性分析的手段。2.可靠性分析手段的选择设由于缺乏设计经验，无法准确确定产品的可靠性，其产品可靠性能够满足要求 的概率为P (M)，不能满足产品可靠性的概率为ρ (M )。ρ(Μ) = α，ρ(^ )=1-α(I)
随着设计参数安全系数的改变，以上概率值将发生变化。为了保证所设计的产品 的结构安全可靠，可以在设计中引入一个大于1的安全系数，此时P(M) =1。但生产实际 中，安全系数本身往往就是一个“未知”的系数。不同的设计者由于经验的差异，其设计的 结果有可能偏于保守或危险，前者会导致结构尺寸过大，重量过重，费用增加，后者则可能 使产品故障频繁。为了保证产品的可靠性，可以采取一些可靠性分析手段。然而，不同的分析手段所 获取的产品信息不同，仍然可能将不能满足产品可靠性的设计参数误判为可行参数。设经 过可靠性分析，将不满足产品可靠性的设计参数误判为可行参数，以及将不满足产品可靠 性的设计参数正确判别为不可行参数的概率分别为p(F/M) = 0 ,p(F/M)=l-P(2)式中，F、F分别表示经过可靠性分析，将设计参数确定为可行参数与不可行参数。 同样，对于可行的设计参数，由于缺乏设计经验，也可能经过可靠性分析，误判为不可行的 参数。将满足产品可靠性的设计参数正确判别为可行参数，以及将满足产品可靠性的设计 参数误判为不可行参数的概率分别为p(F/M) = Y ,p(F/M)=l-Y(3)由于设计参数直接决定了产品的制造成本，因此对于设计参数的误判，必然会给 产品的生产带来一定的损失，其损失值可用信息率失真理论中的失真度表示。设正确判别 设计参数不造成任何损失，即d(F/M) = 0,d(F/M)=0(4)而不恰当的设计参数，误认为是合适参数所造成的损失为d(F/M)=Ci(5)恰当的设计参数，误认为是不合适参数所造成的损失为d (FAi)=C2(6)根据信息率失真理论，求得平均失真度，即平均损失值为b=p(M)[p(F/ M)d(F/ M)+p(Fy M)d(〒/=(l-/)osc2 +(\-α)β\一般情况下，可通过式(7)计算不同情况下，产品设计所产生的平均损失值5。下 面讨论几种特殊情况下的5值计算。
g.当p(M) = α = l，p(F/M) = γ = 1，由式(7)知δ二0，即当对产品设计具有经 验积累，能确保产品的可靠性时，不造成损失；h.当p(F/M) = ^=0，p(f/m) = γ = 1，由式(7)知5=0,即通过产品可靠性分 析，能对产品的设计参数做出完全正确的判断时，也不造成损失；i.当产品不经过可靠性分析，都认为所给定的设计参数可行时(即p(F/M) = _P 二1，P(F/M) = Y= 1)，给生产所造成的损失为最大，其值为Dfflax= (I-Q)C1(8)通过以上讨论可知，通过可靠性分析，对设计参数做出准确的判断，可以减少损失 值 。然而，对产品进行可靠性分析，会提高产品的设计成本。因此，实际上是通过增加可靠 性分析的费用，来减少因设计参数误判所造成的生产损失。实际生产中，必须折衷考虑这些 因素，来确定最优的可靠性分析手段，以保证产品的生产成本为最低。由于Dmax为设计参数不经过可靠性分析，都认为可行时所造成的损失，δ为经过可 靠性分析，但存在一定的误判情况下的平均损失值，因而可定义
AD=Dmax-D(9)为因增加可靠性分析手段所减少的损失值。在机械设计中，可通过有限元分析、虚 拟样机、试验台试验等可靠性分析手段，分析零件与结构的受力、强度与疲劳等状态，从而 确定机械设计的相关参数。不同的可靠性分析手段，所获取的机械设计参数的信息量也不 同，即p(F/M) = _3与P(F/M) = γ不同，所减少的损失值AD也不相同。另一方面，不同的 可靠性分析手段所付出的代价C也不相同。而同时考虑可靠性分析所付出的代价C与由此 所减少的损失值Δ ，可以定义J = C-AD(10)为了确定合适的机械设计参数，所采用的可靠性分析手段，应使得所付出的代价C 与由此所减少的损失值AD之差J为最小。以下通过一个磨床床头箱的设计案例，来介绍可靠性分析手段的确定方法。床头箱的刚度是决定磨床加工精度的关键因素之一。由于床头箱涉及的零件比 较多，设计出能满足机床性能要求的床头箱具有一定的难度。设根据经验所设计的磨床 床头箱，其产品可靠性能够满足要求的概率为P(M) = 0.8，不能满足产品可靠性的概率为 P(M)=O. 2。为了保证产品设计的可靠性，可以采取有限元分析建模的方法，对床头箱的 刚度进行优化设计。然而，由于该分析方法涉及到确定多个零件的物理力学参数及相互间 的耦合参数的问题，难以保证其分析结果的可信性。设通过有限元分析，将不能满足产品可 靠性的设计参数误判为可行参数的概率为P (F/Q)=0. 1，则p(F/R)=0.9。同样，对于 可行的设计参数，由于缺乏设计经验，也可能经过有限元分析，误判为不可行的参数，其概 率为P(F/M) =0.9,p(F/M)=0. 1。考虑床头箱的制造成本及因设计不当造成的时间损失， 设不恰当的设计参数，误认为是合适参数所造成的损失为d(F/M) =5000元，恰当的设计 参数，误认为是不合适参数所造成的损失为d(F/M)=1000元。根据式(7)，可计算采用有 限元分析方法进行产品设计所产生的平均损失值
O = (\-Y)acz+{\-a)pc^ (1-0. 9) X0. 8X1000+ (1-0. 8) X0. 1 X5000=180 元0 而采用传统的经验设计方法，认为所给定的设计参数可行时，给生产所造成的损失为Dmax =(l-a)Cl= (1-0. 8) X 5000 = 1000元。根据以上计算结果，考虑床头箱的生产量及有限元分析所要付出的代价，可确定是否采用有限元分析方法对床头箱的刚度进行分析计算。进一步考虑另外一种情况，因缺乏设计经验，磨床床头箱产品可靠性能够满足要 求的概率减小为P(M) = 0. 6，不能满足产品可靠性的概率增加为p(R)=0. 4。采用有限元 分析方法进行产品设计所产生的平均损失值 =260元。采用传统的经验设计方法，给生 产所造成的损失为Dmax = 2000元。因此，在缺乏设计经验时，通过有限元分析方法，可以更 有效地减少给生产所造成的损失。结论1)本发明提出的确定机械产品可靠性分析手段的方法，综合考虑了设计经验、设 计费用以及可靠性问题所造成的损失等因素，为确定可靠性分析手段提供了依据。2)根据本发明所提出的方法，可以分别计算采用经验设计方法，计算机仿真计算 方法以及样机试验方法进行产品设计所产生的平均损失值，进一步考虑各个设计方法所要 付出的代价，即可确定合理的设计方法。
权利要求
一种机械产品设计可靠性分析手段的确定方法，其特征在于，包括以下步骤一、确定可靠性分析的对象将那些缺乏经验设计且又可能对产品性能有较大影响的对象，确定为可靠性分析的对象；二、可靠性分析手段的选择(1)概率计算设产品可靠性能够满足要求的概率为p(M)，不能满足产品可靠性的概率为p(M)＝α， <mrow><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>M</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>α</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>经过可靠性分析，将不满足产品可靠性的设计参数误判为可行参数，以及将不满足产品可靠性的设计参数正确判别为不可行参数的概率分别为 <mrow><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>F</mi> <mo>/</mo> <mover><mi>M</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>β</mi><mo>,</mo> </mrow> <mrow><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>F</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>/</mo> <mover><mi>M</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>β</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中，F、分别表示经过可靠性分析，将设计参数确定为可行参数与不可行参数；同样，将满足产品可靠性的设计参数正确判别为可行参数，以及将满足产品可靠性的设计参数误判为不可行参数的概率分别为p(F/M)＝γ， <mrow><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>F</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>/</mo> <mi>M</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>γ</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>(2)损失值计算对于设计参数的误判，给产品的生产带来的损失，其损失值用信息率失真理论中的失真度表示，设正确判别设计参数不造成任何损失，即d(F/M)＝0， <mrow><mi>d</mi><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>F</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>/</mo> <mover><mi>M</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>而不恰当的设计参数，误认为是合适参数所造成的损失为 <mrow><mi>d</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>F</mi> <mo>/</mo> <mover><mi>M</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>c</mi> <mn>1</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>恰当的设计参数，误认为是不合适参数所造成的损失为 <mrow><mi>d</mi><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>F</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>/</mo> <mi>M</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>c</mi> <mn>2</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>(3)平均损失值计算根据信息率失真理论，求得平均失真度，即平均损失值为 <mrow><mover> <mi>D</mi> <mo>‾</mo></mover><mo>=</mo><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>M</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>[</mo><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>F</mi> <mo>/</mo> <mi>M</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>F</mi> <mo>/</mo> <mi>M</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>F</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>/</mo> <mi>M</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>F</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>/</mo> <mi>M</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>+</mo><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>M</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mo>[</mo><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>F</mi> <mo>/</mo> <mover><mi>M</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>F</mi> <mo>/</mo> <mover><mi>M</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>p</mi><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>F</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>/</mo> <mover><mi>M</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>F</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>/</mo> <mover><mi>M</mi><mo>‾</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>γ</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>α</mi><msub> <mi>c</mi> <mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>α</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>β</mi><msub> <mi>c</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow>用式(7)计算以下情况下，产品设计所产生的平均损失值a.当p(M)＝α＝1，p(F/M)＝γ＝1，由式(7)知即当对产品设计具有经验积累，能确保产品的可靠性时，不造成损失；b.当p(F/M)＝γ＝1，由式(7)知即通过产品可靠性分析，能对产品的设计参数做出完全正确的判断时，也不造成损失；c.当产品不经过可靠性分析，都认为所给定的设计参数可行时(即p(F/M)＝γ＝1)，给生产所造成的损失为最大，其值为Dmax＝(1-α)c1(8)(4)由于Dmax为设计参数不经过可靠性分析，都认为可行时所造成的损失，为经过可靠性分析，但存在一定的误判情况下的平均损失，因而定义 <mrow><mi>ΔD</mi><mo>=</mo><msub> <mi>D</mi> <mi>max</mi></msub><mo>-</mo><mover> <mi>D</mi> <mo>‾</mo></mover><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>为因增加可靠性分析手段所减少的损失值。可靠性分析所付出的代价C与由此所减少的损失值ΔD，定义为J＝C-ΔD (10)为确定合适的机械设计参数，所采用的可靠性分析手段，使得所付出的代价C与由此所减少的损失值ΔD之差J为最小。FSA00000086550400011.tif,FSA00000086550400015.tif,FSA00000086550400023.tif,FSA00000086550400024.tif,FSA00000086550400025.tif,FSA00000086550400026.tif,FSA00000086550400027.tif,FSA00000086550400028.tif,FSA00000086550400029.tif
全文摘要
本发明涉及一种机械产品设计可靠性分析手段的确定方法，其步骤1.确定可靠性分析的对象；2.可靠性分析手段的选择(1)给出概率值，包括产品可靠性能够满足要求的概率以及通过可靠性分析对设计参数做出准确判断的概率；(2)给出设计参数选取不当给产品生产所造成的损失值，包括不恰当的设计参数，误认为是合适参数所造成的损失以及恰当的设计参数，误认为是不合适参数所造成的损失；(3)计算不同可靠性分析手段的平均损失值，所采用的可靠性分析手段，应使得所付出的代价C与由此所减少的损失值ΔD之差J为最小。该方法综合考虑可靠性、设计费用以及可靠性问题所造成的损失等因素，给出了确定可靠性分析手段的方法，为科学地保证产品设计的可靠性提供了依据。
文档编号G06F17/50GK101833599SQ20101014768
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者姚俊, 李郝林 申请人:上海理工大学;上海机床厂有限公司