5.可靠性稳健设计

　　产品质量是企业赢得用户的关键因素。任何一种产品，它的总体质量一般可分为用户质量(外部质量)和技术质量(内部质量)。前者是指用户所能感受到、见到、触到或听到的体现产品优劣的一些质量特性；后者是指产品在优良的设计和制造质量下达到理想功能的稳健性。稳健设计作为一种低成本和高质量的设计思想和方法[189-192]，对产品性能、质量和成本综合考虑，选择出最佳设计，不仅可以提高产品的质量，而且可以降低成本。在机械产品设计中，正确地应用稳健设计的理论与方法可以使产品在制造和使用中，或是在规定的寿命期间内当设计因素发生微小变化时都能保证产品质量的稳定。

　　稳健设计方法起源于20 世纪70 年代末和80 年代初日本学者田口博士创立的三次设计法(系统设计、参数设计、容差设计)，但近些年来，随着计算机技术、优化技术和CAD 技术的发展，又给稳健设计方法中注入了许多新的内容，逐渐形成现今的稳健设计方法，并在学术界和工程界引起重视与兴趣。现有的稳健设计方法大体上分为两类：一类是以经验或半经验设计为基础的传统的稳健设计方法，主要有田口方法、响应面法和广义模型法等[193]；另一类是以工程模型为基础与优化技术相结合的工程稳健优化设计方法，主要有容差多面体法、灵敏度法、变差传递法和随机模型法等[194]。有关国内外稳健设计领域的研究状况详见综述文献[195-200]。

　　机械产品稳健设计的一种有效实用的途径是通过极小化灵敏度来实现稳健设计，在设计阶段通过灵敏度分析，使产品的质量对不确定因素的敏感性最小，使产品具有稳健性。这种方法的优点是能设计出允许更大容差的产品而同时具有较低的成本，是使所设计的产品具有对设计参数变化的不敏感性(即具有稳健性)，它的基本思想是当设计参数发生微小的变差时，在制造或使用中都能保证产品质量的稳健性，以便为企业带来最大的效益，对社会产生最小的损失。

　　机械产品的可靠性稳健设计是在可靠性设计、优化设计、灵敏度设计和稳健设计的基础上进行可靠性稳健设计，把可靠性灵敏度溶入优化设计模型之中，将可靠性稳健设计归结为满足可靠性要求的多目标优化设计问题。在机械产品的设计中，正确地应用可靠性稳健设计的方法[201-227]，可以使产品在经受各种因素的干扰下，都能保持其可靠性的稳定，以使产品的可靠性对设计参数的变化不敏感，提高产品的安全可靠性和鲁棒稳健性。

　　机械产品的可靠性必然会受到一些因素影响，要么尽可能消除这些因素，要么尽量减低这些因素的影响。在实际工程中，实现消除这些影响因素往往很难，即使能够消除也需要花费很大的代价，可见这不是首选的方法；而减低这些因素的影响却是相对容易和代价低的方法，也就是使机械产品可靠性对这些因素的变化不十分敏感，即稳健。

　　结论

　　现在可靠性设计技术越来越受到各行各业的重视，同样可靠性设计技术也应该是我国机械工程学科与行业迅速发展和十分重要的研究方向之一，这种研究可以帮助工程设计人员合理地建立产品的安全容限和控制随机参数对产品安全的影响，使产品的预测工作性能与实际工作性能更加符合，得到既有足够的安全可靠性，又有适当经济性的优化产品。我国在机械可靠性设计领域所取得的相关研究成果吸取了其他学科可靠性工程的优秀研究成果，如：数学力学[228-229]，土木建筑[230-231]等。应用这些研究成果对机械产品进行可靠性设计，可以节省大量的人力、物力和-财力，可以提高设计水平，缩短设计周期，对合理安排试验项目，验证可靠性设计的合理性，指出产品的薄弱环节有着重要的作用，可以节省材料，加强质量，减少能耗，降低成本，有显著的经济效益和社会效益。我们团队应用所提出的广义随机有限元法和广义随机摄动法等方法[232-234]，结合现代数学力学理论，给出了机械产品的可靠性设计、动态可靠性设计、可靠性优化设计、可靠性灵敏度设计和可靠性稳健设计方法，并研制出了机械可靠性设计的实用软件库，可以为机械行业提供可靠性分析与设计的技术服务[235-237]。