機械CAD技術在機械可靠性優化設計中的應用前瞻

趙啟焱 羅明生 黃 超

(鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州 450001)

機械設計傳統的過程是“設計——分析評價——再設計”的反復迭代、不斷優化的過程，即第一步要依據機械設計工作的任務要求，采用調查研究和搜集資料的工作，參考或比照相似的任務或者較為成熟已完成的的設計方案，憑借設計工作者的工作經驗，并結合想用的數據分析和計算，擬定一個初始的試用方案，并通過對方案的初步估算以確定有關參數，并評價方案的合理性和使用價值，當某些結果與任務要求不相符合時，就需要修改試用方案或者重新設計一個新的試用方案，然后繼續重復上述過程;如此多次反復，直到獲得滿意的設計方案，整個設計活動才算完成了初始的部分，之后還要根據制造出的產品和具體使用情況和用戶的反饋來繼續對方案進行改進。顯然，這個設計過程是人工試湊分析的過程，這樣的設計工作帶有一定的盲目性，需要花費較多的設計時間，增長設計周期，而且由于人工的時間和效率的限制，往往只能在很有限的幾個方案中進行分析和選擇。在這種情況下，設計周期十分漫長，極大地限制了設計活動的效率;因此，實現某種程度的設計自動化，縮短設計周期，降低設計成本，提高設計質量，就成為機械設計發展的迫切需要，正是在這樣的需求下產生了計算機輔助設計，即機械設計CAD技術。

優化設計是現代設計方法的重要內容之一;一般工程設計都有多種可行方案，而根據設計任務的要求從中選取最優方案是設計工作的首要任務，但長期以來，機械設計工作者一直沿用著經驗類比的設計方法，直至當今這種方法仍舊占據著主要的地位。而機械優化設計是以數學規劃為理論基礎，設計過程中存在著大量的計算，所以必須與計算機技術相結合。

而機械可靠性設計則是可靠性工程的一個重要分支;制造的產品能否正常使用，其可靠度很大程度上取決于產品的設計，這也就是為何需要發展可靠性設計;然而可靠性設計的目標只限于確保或預測所設計的機械產品在規定的使用條件下和規定的使用時間內完成規定功能的概率，即確保產品的可靠性指標的實現;除此之外無法保證設計方案具有最優的參數和工作性能，最低的成本和最大的效益。因此，采用可靠性優化設計方法，將可靠性設計理論與最優化技術結合起來，才能達到可靠且最有的設計方案。這就形成了一種新的設計方法，即可靠性優化設計方法。

可靠性優化設計內容包括三個方面。(1)系統可靠性的最優分配：以系統達到要求的可靠度為約束，將系統的可靠度以優化設計的方法分配給子系統和零部件，使系統的成本費用等指標達到最優。(2)以可靠度最大為目標的可靠性優化設計：目標函數是由產品的可靠度最大來建立，以產品的功能或經濟指標最優作為約束條件。(3)以可靠度為約束條件的可靠性優化設計：以可靠度和某些設計指標如功能參數、經濟指標等作為約束，以另一些指標如成本、體積及質量為目標，建立可靠性優化設計的數學模型并求其最優解。

在計算機技術快速發展的今天，基于機械CAD技術的機械可靠性優化設計將是未來機械設計的發展方向;機械CAD技術在可靠性優化設計中的應用主要將體現在以下4個方面：

(1)標準化和信息集成化

在可靠性優化設計中各種設備和參數必須遵從統一的標準，這樣才能使設計工作有序進行，同時在可靠性設計中，各種可靠度的取得都是建立在龐大的實驗數據和經驗數據的基礎上的，所以只有將設計所需要的信息集成于計算機系統并有機的結合起來，才能更好的服務于設計工作。

(2)數據庫與數據網絡化

當進行大型的機械設計工作時，可能需要多部門的協同工作，那么計算機系統所提供的數據庫系統將滿足多用戶同時對數據的讀取使用，同時利用網絡化可以極大的促進各部門間的技術交流和數據交換。

(3)智能化

現有的CAD技術在機械設計中只能處理數值型的工作，包括計算、分析與繪圖。然而在設計活動中存在另一類符號推理型工作，包括方案構思與擬定。作家方案選擇、結構設計、評價、決策以及參數選擇等，這些工作大部分仍需要依靠工作人員來執行。那么繼續深入研究機械設計型專家系統并盡快將其投入設計工作中去是現今的當務之急。

現今的商業軟件如AutoCAD、AUSYS、Inventor等已經實現了設計工作中的仿真分析等，然而就未來的需求來看，還遠遠不夠。必須在此基礎上發展更智能的專家系統，才可以是設計活動更加快速可靠。

(4)大型機的強大計算能力

在優化設計中涉及到大量繁復的迭代計算，同時對于復雜機械系統的可靠性設計分析也需要強大的計算能力作為支撐，大型機的重要性不言而喻，在大型的、復雜的機械設計工作中離不開有著強大配置的大型機。

常規優化設計方法在設計中采用安全系數的方式來保證系統的可靠性，因此往往使得產品的可靠度過大，造成一定程度的浪費。而可靠性設計方法在設計中沒有采用最優化設計的方法，使得可靠度的分配并不能達到最優化。所以對某些設計問題，僅采用優化設計方法或可靠性設計方法進行設計，難以得到理想的設計結果，而可靠性優化設計方法正可以將優化技術與可靠性設計理論相結合，取長補短以得到最合適的設計方案。而在應用可靠性優化設計中，離不開機械CAD技術的支持，在設計活動中，多部門工作的協同、數據的交互、信息的共享、復雜的計算分析等都需要計算機系統作為支撐。計算機技術的快速發展也將使機械CAD技術的作用得到充分的發揮，使其更多更好的應用于機械設計的工作中。

［1］宋保維，王曉娟.系統可靠性設計與分析［M］.西安：西安工業大學出版社，2000：143-150.

［2］葉元烈.機械優化理論與設計［M］.北京：中國計量出版社，2001：1-5.