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，逐漸進入機電產品設計領域，使機械設計及機電產品設計發(fā)生了前所未有的變化，特別是近一、二十年間，國內外一些有代表性的機電產品設計方面的著作增添了可靠性技術方面的內容。在這些科學的理論指導下，設計、制造出來的機械類產品，平均無故障工作時間提高了3倍，產品缺陷大大降低了，很好地維護了用戶和社會效益，可靠性設計方法現已逐步成為現代機械產品設計方法的一個重要組成部門，它比常規(guī)設計方法更能反映事物的本質。

　　1 可靠性理論

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

　　S≤[S]=S/n n=S/n≥[n]

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

　　1.2 應力--強度干涉模型

　　概率設計所依據的模型主要是應力--強度干涉模型。在常規(guī)設計中，將強度γ和應力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，應用應力與強度的干涉模型提出的一種概率設計理論是進行概率設計的基本依據。

　　圖1 應力—強度干涉模型