机械CAD技术在机械可靠性优化设计中的应用前瞻

赵启焱 罗明生 黄 超

(郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001)

机械设计传统的过程是“设计——分析评价——再设计”的反复迭代、不断优化的过程，即第一步要依据机械设计工作的任务要求，采用调查研究和搜集资料的工作，参考或比照相似的任务或者较为成熟已完成的的设计方案，凭借设计工作者的工作经验，并结合想用的数据分析和计算，拟定一个初始的试用方案，并通过对方案的初步估算以确定有关参数，并评价方案的合理性和使用价值，当某些结果与任务要求不相符合时，就需要修改试用方案或者重新设计一个新的试用方案，然后继续重复上述过程;如此多次反复，直到获得满意的设计方案，整个设计活动才算完成了初始的部分，之后还要根据制造出的产品和具体使用情况和用户的反馈来继续对方案进行改进。显然，这个设计过程是人工试凑分析的过程，这样的设计工作带有一定的盲目性，需要花费较多的设计时间，增长设计周期，而且由于人工的时间和效率的限制，往往只能在很有限的几个方案中进行分析和选择。在这种情况下，设计周期十分漫长，极大地限制了设计活动的效率;因此，实现某种程度的设计自动化，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，就成为机械设计发展的迫切需要，正是在这样的需求下产生了计算机辅助设计，即机械设计CAD技术。

优化设计是现代设计方法的重要内容之一;一般工程设计都有多种可行方案，而根据设计任务的要求从中选取最优方案是设计工作的首要任务，但长期以来，机械设计工作者一直沿用着经验类比的设计方法，直至当今这种方法仍旧占据着主要的地位。而机械优化设计是以数学规划为理论基础，设计过程中存在着大量的计算，所以必须与计算机技术相结合。

而机械可靠性设计则是可靠性工程的一个重要分支;制造的产品能否正常使用，其可靠度很大程度上取决于产品的设计，这也就是为何需要发展可靠性设计;然而可靠性设计的目标只限于确保或预测所设计的机械产品在规定的使用条件下和规定的使用时间内完成规定功能的概率，即确保产品的可靠性指标的实现;除此之外无法保证设计方案具有最优的参数和工作性能，最低的成本和最大的效益。因此，采用可靠性优化设计方法，将可靠性设计理论与最优化技术结合起来，才能达到可靠且最有的设计方案。这就形成了一种新的设计方法，即可靠性优化设计方法。

可靠性优化设计内容包括三个方面。(1)系统可靠性的最优分配：以系统达到要求的可靠度为约束，将系统的可靠度以优化设计的方法分配给子系统和零部件，使系统的成本费用等指标达到最优。(2)以可靠度最大为目标的可靠性优化设计：目标函数是由产品的可靠度最大来建立，以产品的功能或经济指标最优作为约束条件。(3)以可靠度为约束条件的可靠性优化设计：以可靠度和某些设计指标如功能参数、经济指标等作为约束，以另一些指标如成本、体积及质量为目标，建立可靠性优化设计的数学模型并求其最优解。

在计算机技术快速发展的今天，基于机械CAD技术的机械可靠性优化设计将是未来机械设计的发展方向;机械CAD技术在可靠性优化设计中的应用主要将体现在以下4个方面：

(1)标准化和信息集成化

在可靠性优化设计中各种设备和参数必须遵从统一的标准，这样才能使设计工作有序进行，同时在可靠性设计中，各种可靠度的取得都是建立在庞大的实验数据和经验数据的基础上的，所以只有将设计所需要的信息集成于计算机系统并有机的结合起来，才能更好的服务于设计工作。

(2)数据库与数据网络化

当进行大型的机械设计工作时，可能需要多部门的协同工作，那么计算机系统所提供的数据库系统将满足多用户同时对数据的读取使用，同时利用网络化可以极大的促进各部门间的技术交流和数据交换。

(3)智能化

现有的CAD技术在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图。然而在设计活动中存在另一类符号推理型工作，包括方案构思与拟定。作家方案选择、结构设计、评价、决策以及参数选择等，这些工作大部分仍需要依靠工作人员来执行。那么继续深入研究机械设计型专家系统并尽快将其投入设计工作中去是现今的当务之急。

现今的商业软件如AutoCAD、AUSYS、Inventor等已经实现了设计工作中的仿真分析等，然而就未来的需求来看，还远远不够。必须在此基础上发展更智能的专家系统，才可以是设计活动更加快速可靠。

(4)大型机的强大计算能力

在优化设计中涉及到大量繁复的迭代计算，同时对于复杂机械系统的可靠性设计分析也需要强大的计算能力作为支撑，大型机的重要性不言而喻，在大型的、复杂的机械设计工作中离不开有着强大配置的大型机。

常规优化设计方法在设计中采用安全系数的方式来保证系统的可靠性，因此往往使得产品的可靠度过大，造成一定程度的浪费。而可靠性设计方法在设计中没有采用最优化设计的方法，使得可靠度的分配并不能达到最优化。所以对某些设计问题，仅采用优化设计方法或可靠性设计方法进行设计，难以得到理想的设计结果，而可靠性优化设计方法正可以将优化技术与可靠性设计理论相结合，取长补短以得到最合适的设计方案。而在应用可靠性优化设计中，离不开机械CAD技术的支持，在设计活动中，多部门工作的协同、数据的交互、信息的共享、复杂的计算分析等都需要计算机系统作为支撑。计算机技术的快速发展也将使机械CAD技术的作用得到充分的发挥，使其更多更好的应用于机械设计的工作中。

［1］宋保维，王晓娟.系统可靠性设计与分析［M］.西安：西安工业大学出版社，2000：143-150.

［2］叶元烈.机械优化理论与设计［M］.北京：中国计量出版社，2001：1-5.