可靠度理论论文篇（1）

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

对于结构可靠性这一学科，从其诞生到现在已经有了长足的发展：从基于概率论的随机可靠性到基于模糊理论的模糊可靠性以及近年来提出的非概率可靠性，使得这一理论日臻丰富和完善，并深入渗透到各个学科和领域。一、结构可靠性理论研究历史长期以来，人们就广泛采用“可靠性”这一概念来定性评价产品的质量。这种靠人们经验评定其产品可靠、比较可靠、不可靠，没有一个量的标准来衡量。1939年，英国航空委员会出版的《适航性统计学注释》一书中，首次提出飞机故障率不应超过10-5次3h，这可以认为是最早的飞机安全性和可靠性定量指标[1]；二战后期，德国的火箭专家R.Lusser首次对产品的可靠性作出了定量表达。他提出用概率乘积法则，将系统的可靠度看成是各个子系统可靠度的乘积，从而算得V-Ⅱ型火箭诱导装置的可靠度为75%[2]；1942年，美国麻省理工学院一个研究室开始对真空管的可靠性进行深入的调查研究工作。二战期间，军用电子设备的大量失效使美国付出了相当惨重的代价。于是引起了美国军方对可靠性问题的高度重视，同时率先对可靠性问题进行了系统地研究，并于1952年成立了“电子设备可靠性咨询组”，简称AGREE(Advisory Groupon Reliability of Electronic Equipment)。该组织于1957年发表了著名的《电子设备可靠性报告》。报告中提出了一套完整的评估产品可靠性的理论和方法。该报告被公认为是可靠性研究的奠基性文献。1965年，国际电子技术委员会(IEC)设立了可靠性技术委员会TC-56，协调了各国间可靠性术语和定义、可靠性的数据测定方法、数据表示方法等。上世纪60年代以来，可靠性的研究已经从电子、航空、宇航、核能等尖端工业部门扩展到电机与电力系统、机械设备、动力、土木建筑、冶金、化工等部门[3]。结构可靠性理论的产生，是以20世纪初期把概率论及数理统计学应用于结构安全度分析为标志，在结构可靠度理论发展初期，只有少数学者从事这方面的研究工作，如1911年匈牙利布达佩斯的卡钦奇就是提出用统计数学的方法研究荷载及材料强度问题；1926年德国的迈耶提出了基于随机变量均值和方差的设计方法，这是最早提出应用概率理论进行结构安全度分析的学者之一。1926～1929年，前苏联的哈奇诺夫和马耶罗夫制定了概率设计的方法，但当时方法不够严格，因此，未付诸实施。1935年斯特列律茨基，1947年尔然尼钦和苏拉等人相继发表了这方面的文章，结构安全度的研究逐渐开始进入了应用概率论和数理统计学的阶段。值得指出的是，弗罗伊登彻尔差不多和尔然尼钦等人同时开展了结构可靠性的研究工作。他提出的在随机荷载作用下结构安全度的基本问题首次得到工程界的赞同和接受。1947年他发表了“结构安全度”[4]一文，奠定了结构可靠性的理论基础。从20世纪40年代初期到60年代末期，是结构可靠性理论发展的主要时期。现在所说的经典结构可靠性理论概念大致就是这一时期出现的。随着结构可靠性理论研究工作的深入，经典的结构可靠性理论得到了全面的发展。基于概率论的结构设计方法逐渐被工程界所接受。但在这一时期，结构可靠性理论还未能马上被工程界广泛应用，其原因如下[5]：1．传统的确定性结构设计方法当时在人们头脑中根深蒂固，认为没必要改变已用的结构设计方法，而且，结构的失效很少发生，即使发生结构失效，绝大数是由于人为差错造成的，并非结构设计方法问题。2．基于概率理论的结构设计方法似乎比传统的确定性结构设计方法麻烦，涉及到当时比较难处理的统计数学问题。3．当时有用的统计数据极少，不足以定义重要的荷载、强度的尾部分布。除上述妨碍结构可靠性理论应用的原因外，当时结构可靠性理论本身也面临两大难题：（1）结构可靠性理论所采用的数学模型不足以完全准确地反映应用情况，即模型误差是未知的。（2）即使是对一个简单的结构，其失效模式可能多到难以计数，更不用说进行可靠度分析。因此，二十世纪60年代初期，许多学者致力于克服上述困难的研究。例如林德等人把规范化的结构设计问题定义为寻求一套荷载和抗力系数的最优值问题，他们建议采用一种迭代过程确定结构的安全度和造价，康奈尔（C.A.Cornell）等人提出了与尔然尼钦相同的一次二阶矩法，并建立了比较系统实用的一次二阶矩设计方法，利用结构的可靠指标β，而不是失效概率Pf，，作为结构可靠性的一种量度量，使结构的可靠性理论达到实用的目的。二、国内外工程结构可靠性理论研究现状二十世纪70年代至80年代，是结构可靠性理论完善并被各国规范、标准相继采用时期，自从康奈尔（C.A.Cornell）提出了一次二阶矩法之后，林德（N.C.Lind）根据康奈尔（C.A.Cornell）的可靠指标，推证出一整套荷载和抗力安全系数，这次研究使可靠度分析与实际可接受的设计方法联系起来。随后，德国的拉克维茨（R.Rackwitz）和菲斯勒（B.Fiessler），对基本变量为非正态分布情况提出了一种等价正态变量求法，这种方法经过系统改进之后，作为结构安全度联合委员会（JCSS）的文件附录推荐给土模工程界。该方法也被许多国家规范所采纳，我国的《建筑结构设计统一标准》（GBJ 68-84）[6]也是以该方法作为可靠性校准的基础[7]。

三、桥梁结构可靠性理论研究现状桥梁可靠性设计要解决的问题是[8]：在结构承受外荷载和结构抗力的统计特征已知的条件下，根据规定的目标可靠指标，选择结构(构件)截面几何参数,使结构在规定的时间内，在规定的条件下，保证其可靠度不低于预先给定的值。可靠性的数量描述一般用可靠度。我国对结构可靠度的研究只限于理论方面，且侧重于可靠度设计方面，对结构耐久性方面的研究，特别是对耐久性评估理论的研究还很落后。实际上对现有桥梁结构做出正确的可靠性评估，准确预测出其剩余寿命，才能保证结构在寿命延续期内的安全性，节省大量的维修加固资金。我国在桥梁设计过程中，存在着考虑强度多而考虑耐久性少;重视强度极限状态不重视使用极限状态;重视桥梁结构的建造而忽视其检测和维护，使结构安全性存在不同程度的隐患和缺陷。近几年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳损坏(如结构开裂、变形过大等)所导致，从而严重影响桥梁结构的承载能力和使用性能。为了保证桥梁安全运营、延长其使用寿命以及提高桥梁的安全性和耐久性，减少早期桥梁病害，从而节约后期桥梁的维修费用，因而对桥梁结构可靠性研究非常必要和迫切[9]。四、工程结构可靠性理论研究发展趋势进入二十世纪80年代后，结构系统的可靠性理论研究工作已经成为结构工程中的研究热点，并已出版了许多专著，对于复杂的结构系统可靠度分析和先进的计算方法蓬勃发展。概括而言，如下几方面是结构可靠度理论研究的热点：1．结构系统的可靠度分析。对于结构系统可靠度分析的非常复杂的研究课题，许多学者对此从不同角度进行了研究，提出了一些概念和方法。如结构可靠度分析的一阶矩概念及荷载为Ferry Borges Castanheta组合情况下的计算方法问题；利用系统系数，针对结构各种破坏水平所对应的极限状态不同，计算系统可靠度并进行结构设计的方法；利用蒙特卡洛（Monte-Carlo）法采用重要抽样技术计算结构系统的可靠度等，同时，一些学者还研究了系统可靠度界限的问题。总之，系统可靠度分析研究内容丰富，难度较大。2．对结构极限状态分析的改进，除考虑强度极限状态外，还应考虑结构的正常使用极状态、破坏安全极限状态，以及地震和其他特殊情况下考虑能量耗损极限状态等。3．目标可靠度的量化问题。虽然校准法已经部分解决了这个问题，但与实际情况相比，这方面的问题还远远没有解决。4．人为差错的分析。许多结构的失效并非由荷载、强度的不确定性造成，而往往是设计、施工、使用等环节中人为差错造成的，这方面事例很多，已成为目前研究热点之一。5．在役结构的可靠性评估与维修决策问题。对在役建筑结构的可靠性评估与维修决策正成为建筑结构学的边缘学科，它不仅涉及结构力学、断裂力学、建筑材料科学、工程地质学等基础理论，而且，与施工技术、检验手段、建筑物的维修使用状况等有密切的关系。同时，经典的结构可靠性理论，在在役结构的可靠性评估中也必将得到相应的发展。6．模糊随机可靠度的研究[10]。模糊随机可靠度理论研究是工程结构广义可靠度理论研究的重要内容，随着模糊数学理论与方法的完善，模糊随机可靠度理论也必将进一步完善和发展。五、结语桥梁工程问题的解决总是理论与工程经验的结合，掌握的知识越多，主观经验越少，桥梁结构的设计越合理，这也正是桥梁工程技术研究追求的目标。桥梁结构可靠度理论研究是内容极其丰富且复杂的重大研究课题，不仅仅在理论上有许多重大问题需要解决，而且，将其应用到桥梁结构设计、评估及维修决策之中尚有许多细致的工作要做。参考文献[1] 王超，王金等．机械可靠性工程[M]．北京：冶金工业出版社．1992．[2] 刘惟信．机械可靠性设计[M]．第一版,北京：清华大学出版社．1995．[3] 拓耀飞，李少宏．论结构可靠性的发展[J]．榆林学院学报．2006,16(4):32-35．[4] A.M.Freudenthal,Safety of structures,Trans.ASCE,112(1947) ．[5] 刘玉彬．工程结构可靠度理论研究综述[J]．吉林建筑工程学院学报,2002,19(2):41-43．[6] 中华人民共和国国家标准．建筑结构设计统一标准(GBJ 68－84)．北京,1985．

[7] 贡金鑫，赵国藩．国外结构可靠度理论的应用与发展[J]．土木工程学院．2005,38(2):1-7．

可靠度理论论文篇（2）

对于结构可靠性这一学科，从其诞生到现在已经有了长足的发展：从基于概率论的随机可靠性到基于模糊理论的模糊可靠性以及近年来提出的非概率可靠性，使得这一理论日臻丰富和完善，并深入渗透到各个学科和领域。

一、结构可靠性理论研究历史

长期以来，人们就广泛采用“可靠性”这一概念来定性评价产品的质量。这种靠人们经验评定其产品可靠、比较可靠、不可靠，没有一个量的标准来衡量。1939年，英国航空委员会出版的《适航性统计学注释》一书中，首次提出飞机故障率不应超过10-5次3h，这可以认为是最早的飞机安全性和可靠性定量指标[1]；二战后期，德国的火箭专家R.Lusser首次对产品的可靠性作出了定量表达。他提出用概率乘积法则，将系统的可靠度看成是各个子系统可靠度的乘积，从而算得V-Ⅱ型火箭诱导装置的可靠度为75%[2]；1942年，美国麻省理工学院一个研究室开始对真空管的可靠性进行深入的调查研究工作。二战期间，军用电子设备的大量失效使美国付出了相当惨重的代价。于是引起了美国军方对可靠性问题的高度重视，同时率先对可靠性问题进行了系统地研究，并于1952年成立了“电子设备可靠性咨询组”，简称AGREE(AdvisoryGrouponReliabilityofElectronicEquipment)。该组织于1957年发表了著名的《电子设备可靠性报告》。报告中提出了一套完整的评估产品可靠性的理论和方法。该报告被公认为是可靠性研究的奠基性文献。1965年，国际电子技术委员会(IEC)设立了可靠性技术委员会TC-56，协调了各国间可靠性术语和定义、可靠性的数据测定方法、数据表示方法等。上世纪60年代以来，可靠性的研究已经从电子、航空、宇航、核能等尖端工业部门扩展到电机与电力系统、机械设备、动力、土木建筑、冶金、化工等部门[3]。

结构可靠性理论的产生，是以20世纪初期把概率论及数理统计学应用于结构安全度分析为标志，在结构可靠度理论发展初期，只有少数学者从事这方面的研究工作，如1911年匈牙利布达佩斯的卡钦奇就是提出用统计数学的方法研究荷载及材料强度问题；1926年德国的迈耶提出了基于随机变量均值和方差的设计方法，这是最早提出应用概率理论进行结构安全度分析的学者之一。1926～1929年，前苏联的哈奇诺夫和马耶罗夫制定了概率设计的方法，但当时方法不够严格，因此，未付诸实施。1935年斯特列律茨基，1947年尔然尼钦和苏拉等人相继发表了这方面的文章，结构安全度的研究逐渐开始进入了应用概率论和数理统计学的阶段。值得指出的是，弗罗伊登彻尔差不多和尔然尼钦等人同时开展了结构可靠性的研究工作。他提出的在随机荷载作用下结构安全度的基本问题首次得到工程界的赞同和接受。1947年他发表了“结构安全度”[4]一文，奠定了结构可靠性的理论基础。

从20世纪40年代初期到60年代末期，是结构可靠性理论发展的主要时期。现在所说的经典结构可靠性理论概念大致就是这一时期出现的。随着结构可靠性理论研究工作的深入，经典的结构可靠性理论得到了全面的发展。基于概率论的结构设计方法逐渐被工程界所接受。但在这一时期，结构可靠性理论还未能马上被工程界广泛应用，其原因如下[5]：

1．传统的确定性结构设计方法当时在人们头脑中根深蒂固，认为没必要改变已用的结构设计方法，而且，结构的失效很少发生，即使发生结构失效，绝大数是由于人为差错造成的，并非结构设计方法问题。

2．基于概率理论的结构设计方法似乎比传统的确定性结构设计方法麻烦，涉及到当时比较难处理的统计数学问题。

3．当时有用的统计数据极少，不足以定义重要的荷载、强度的尾部分布。

除上述妨碍结构可靠性理论应用的原因外，当时结构可靠性理论本身也面临两大难题：

（1）结构可靠性理论所采用的数学模型不足以完全准确地反映应用情况，即模型误差是未知的。

（2）即使是对一个简单的结构，其失效模式可能多到难以计数，更不用说进行可靠度分析。

因此，二十世纪60年代初期，许多学者致力于克服上述困难的研究。例如林德等人把规范化的结构设计问题定义为寻求一套荷载和抗力系数的最优值问题，他们建议采用一种迭代过程确定结构的安全度和造价，康奈尔（C.A.Cornell）等人提出了与尔然尼钦相同的一次二阶矩法，并建立了比较系统实用的一次二阶矩设计方法，利用结构的可靠指标β，而不是失效概率Pf，，作为结构可靠性的一种量度量，使结构的可靠性理论达到实用的目的。

二、国内外工程结构可靠性理论研究现状

二十世纪70年代至80年代，是结构可靠性理论完善并被各国规范、标准相继采用时期，自从康奈尔（C.A.Cornell）提出了一次二阶矩法之后，林德（N.C.Lind）根据康奈尔（C.A.Cornell）的可靠指标，推证出一整套荷载和抗力安全系数，这次研究使可靠度分析与实际可接受的设计方法联系起来。随后，德国的拉克维茨（R.Rackwitz）和菲斯勒（B.Fiessler），对基本变量为非正态分布情况提出了一种等价正态变量求法，这种方法经过系统改进之后，作为结构安全度联合委员会（JCSS）的文件附录推荐给土模工程界。该方法也被许多国家规范所采纳，我国的《建筑结构设计统一标准》（GBJ68-84）[6]也是以该方法作为可靠性校准的基础[7]。

三、桥梁结构可靠性理论研究现状

桥梁可靠性设计要解决的问题是[8]：在结构承受外荷载和结构抗力的统计特征已知的条件下，根据规定的目标可靠指标，选择结构(构件)截面几何参数,使结构在规定的时间内，在规定的条件下，保证其可靠度不低于预先给定的值。可靠性的数量描述一般用可靠度。我国对结构可靠度的研究只限于理论方面，且侧重于可靠度设计方面，对结构耐久性方面的研究，特别是对耐久性评估理论的研究还很落后。实际上对现有桥梁结构做出正确的可靠性评估，准确预测出其剩余寿命，才能保证结构在寿命延续期内的安全性，节省大量的维修加固资金。我国在桥梁设计过程中，存在着考虑强度多而考虑耐久性少;重视强度极限状态不重视使用极限状态;重视桥梁结构的建造而忽视其检测和维护，使结构安全性存在不同程度的隐患和缺陷。近几年来，国内发生的几起大桥坍塌或局部破坏事故在很大程度上是由于构件疲劳损坏(如结构开裂、变形过大等)所导致，从而严重影响桥梁结构的承载能力和使用性能。为了保证桥梁安全运营、延长其使用寿命以及提高桥梁的安全性和耐久性，减少早期桥梁病害，从而节约后期桥梁的维修费用，因而对桥梁结构可靠性研究非常必要和迫切[9]。

四、工程结构可靠性理论研究发展趋势

进入二十世纪80年代后，结构系统的可靠性理论研究工作已经成为结构工程中的研究热点，并已出版了许多专著，对于复杂的结构系统可靠度分析和先进的计算方法蓬勃发展。概括而言，如下几方面是结构可靠度理论研究的热点：

1．结构系统的可靠度分析。对于结构系统可靠度分析的非常复杂的研究课题，许多学者对此从不同角度进行了研究，提出了一些概念和方法。如结构可靠度分析的一阶矩概念及荷载为FerryBorgesCastanheta组合情况下的计算方法问题；利用系统系数，针对结构各种破坏水平所对应的极限状态不同，计算系统可靠度并进行结构设计的方法；利用蒙特卡洛（Monte-Carlo）法采用重要抽样技术计算结构系统的可靠度等，同时，一些学者还研究了系统可靠度界限的问题。总之，系统可靠度分析研究内容丰富，难度较大。

2．对结构极限状态分析的改进，除考虑强度极限状态外，还应考虑结构的正常使用极状态、破坏安全极限状态，以及地震和其他特殊情况下考虑能量耗损极限状态等。

3．目标可靠度的量化问题。虽然校准法已经部分解决了这个问题，但与实际情况相比，这方面的问题还远远没有解决。

4．人为差错的分析。许多结构的失效并非由荷载、强度的不确定性造成，而往往是设计、施工、使用等环节中人为差错造成的，这方面事例很多，已成为目前研究热点之一。

5．在役结构的可靠性评估与维修决策问题。对在役建筑结构的可靠性评估与维修决策正成为建筑结构学的边缘学科，它不仅涉及结构力学、断裂力学、建筑材料科学、工程地质学等基础理论，而且，与施工技术、检验手段、建筑物的维修使用状况等有密切的关系。同时，经典的结构可靠性理论，在在役结构的可靠性评估中也必将得到相应的发展。

6．模糊随机可靠度的研究[10]。模糊随机可靠度理论研究是工程结构广义可靠度理论研究的重要内容，随着模糊数学理论与方法的完善，模糊随机可靠度理论也必将进一步完善和发展。

五、结语

桥梁工程问题的解决总是理论与工程经验的结合，掌握的知识越多，主观经验越少，桥梁结构的设计越合理，这也正是桥梁工程技术研究追求的目标。桥梁结构可靠度理论研究是内容极其丰富且复杂的重大研究课题，不仅仅在理论上有许多重大问题需要解决，而且，将其应用到桥梁结构设计、评估及维修决策之中尚有许多细致的工作要做。

参考文献

[1]王超，王金等．机械可靠性工程[M]．北京：冶金工业出版社．1992．

[2]刘惟信．机械可靠性设计[M]．第一版,北京：清华大学出版社．1995．

[3]拓耀飞，李少宏．论结构可靠性的发展[J]．榆林学院学报．2006,16(4):32-35．

[4]A.M.Freudenthal,Safetyofstructures,Trans.ASCE,112(1947)．

[5]刘玉彬．工程结构可靠度理论研究综述[J]．吉林建筑工程学院学报,2002,19(2):41-43．

[6]中华人民共和国国家标准．建筑结构设计统一标准(GBJ68－84)．北京,1985．

[7]贡金鑫，赵国藩．国外结构可靠度理论的应用与发展[J]．土木工程学院．2005,38(2):1-7．

可靠度理论论文篇（3）

前言

可靠性学科就是定量的研究产品动态质量问题的一个学科。它对推动产品的设计、分析的现代化提供了必要的理论基础和分析方法，可靠性学科所包含的内容相当广泛，重要包括三个方面：可靠性数学、可靠性物理（失效分析）、可靠性工程。本章立足于国内为外可靠性方面的文献，总结了结构可靠性的基本理论以及结构可靠性的分析方法现状。鞍点逼近是由Daniels首次提出的一种非常有效的统计近似方法，鞍点逼近理论最大的特点就是公式简洁，计算速度快，逼近效果颇高，即使在极小样本量的情况下，也能够得到良好的逼近结果，这一优点在随机变量尾概率的求解上显得更加的突出[1-3]。

本文应用鞍点逼近技术对多片钢板弹簧进行了可靠性分析，在基本随机变量概率分布已知的情况下，可以迅速、准确地得到多片钢板弹簧随机响应的概率密度函数和累积分布函数，发展了机械零部件可靠性分析理论。

1.机械零件可靠性设计的鞍点逼近法

Y=g（X）概率密度函数（PDF）可以由下式表示[4]

（1）

式中y表示的是随机变量Y的取值，K''是Y=g（X）的累积母函数的二阶导数，ts是鞍点，可以通过下式求得

（2）

式中K'表示的是Y=g（X）累积母函数的一阶导数。根据Lugannani和Rice逼近样本均值尾概率的分布的鞍点逼近公式计算结构响应的的分布函数为[5]

（3）

式中，（）和φ（）分别表示标准正态分布函数的累积分布函数的CDF和概率密度函数PDF。

2.单片钢板弹簧的可靠性分析

各种车辆的钢板弹簧多半为中心受载的简支叠板弹簧，按一定宽度b将其截开重叠使用，工作应力为

（4）

式中P为载荷，b、h和l为板簧的宽度、厚度和长度，n为板簧的钢板片数。严格的说，应该考虑叠板之间的摩擦对工作应力的影响，不过实际上采用这种近似设计方法还是允许的。

根据应力-强度干涉理论，以应力极限状态表示的状态方程为

（5）

式中r为钢板弹簧的材料强度，基本随机变量向量为X=（r， P， l， b， h）T，这里基本随机变量向量X的均值E（X）和方差Var（X）是已知的，并且可以认为这些随机变量是服从正态分布的相互独立的随机变量。

某种汽车钢板弹簧的几何尺寸为（μb，σb）= （70，0.35）mm，（μl，σl）= （1100，5.5）mm，（μh，σh）= （6.5，0.0325）mm，载荷为（μP，σP）= （5537，276.85）N，材料强度（μr，σr）= （614，45.8）MPa，n=7。利用本文提出的鞍点逼近法分析单片钢板弹簧的可靠性。

3.结论

通过随机变量为正态分布的多片钢板弹簧实例，验证鞍点逼近理论分析计算机械结构的可靠性。通过计算机程序，快速、准确的得到了结构响应的密度函数与分布函数，并通过图形对比的方式，将鞍点逼近分析的结果与Monte-Carlo分析的结果进行了直观的对比，得到的结论是，利用鞍点逼近法无论是分析多片钢板弹簧的可靠性，能得到与Monte-Carlo法非常相近的结果。

参考文献：

[1]张义民. 汽车零部件可靠性设计[M]. 北京： 北京理工大学出版社，2000.

[2]张义民， 黄贤振， 贺向东等.任意分布参数平面连杆机构运动精度可靠性灵敏度设计[J]. 机械科学与技术， 2008， 27（5）： 684-687.

可靠度理论论文篇（4）

很久以来，人们便利用可靠性分析评判产品质量，在初始评判阶段，单纯地依赖人们的工作经验来评判产品是否可靠，此时并没有规范化的衡量指标。可靠性分析从以概率论为基础的随机可靠性过渡到以模糊理论为基础的模糊可靠性，又过渡到非概率可靠性，直到今天的混合可靠性，现阶段的可靠性主要包含结构系统、模糊以及非概率这三种理论，这表明可靠性发生了一定的转变，并取得了进步，对于结构繁琐的复杂参数而言，由最初的概率以及非概率可靠性分析到现在的可靠性灵敏度分析，将可靠性分析理论变得日益成熟，并被广泛地应用到不同领域中。目前，可靠性已经成为影响产品效能的主要因素之一，它与国民经济发展和国防科技紧密相连，具有宽泛的研究范围和广阔的应用前景。

一、可靠性概述

机械零件结构设计的可靠性建立在传统设计之上，将与待设计对象相关的参数等要素进行一定的处理，使之转变成随机变量，参照设计原则构建概率数学模式，依据概率论、统计学理论和强度理论，计算出机械零件出现破坏的概率公式，然后参照公式明确该可靠性条件下的零件外观尺寸、使用寿命，在满足基本的运行使用要求的同时，还能获得最理想的设计参数，这有效填补了常规设计中的缺陷，并使得设计方案更加真实、可行。现阶段，可靠性设计被大范围地应用在飞机、汽车等关键产品以及机械零件结构设计中，它具有以下特点：

1.人为应力以及强度均属于随机变量，在设计的过程依据不同标准的设计要求，合理选择相应的特征函数，除了要考虑均值，还应考虑离散性，通过概率统计方法计算；

2.人为设计的机械产品不可避免地存在失效概率，在实际设计过程中应依据实际需求提前监控失效概率可靠性，全面考虑所有参数的随机性和分布规律，进而准确映射机械零件的实际工作状态；

3.可靠性设计分析与普通的安全系数法相比，更加合理，通过这种设计方法可获得最理想的设计，而安全系数法较为保守。由此可知，机械零件结构设计的可靠性分析可获得较为理想的结构，并节省材料成本、缩减加工制作时间，为机械加工制造创造更多的经济效益。

二、可靠性分析理论

在机械零件结构设计过程中，零件材料的极限应力属于随机变量，且该随机变量服从概率密度函数，而工作在机械零件危险截面的工作应力也属于随机变量，这两个随机变量有各自服从的概率密度函数，然后再借助强度应力理论推算相应的可靠性或者设计出该可靠性条件下的零件外形尺寸。可靠性分析中以概率论、统计学等理论知识为基础，主观人为因素作用较小，全面综合了外部环境变化，与实际生产更加接近，具有广阔的应用前景。

三、机械结构设计的可靠性分析

在机械产品的生产制造过程中，质量提高、设计理论优化、技术改进、设计周期缩短等至关重要，以上内容与可靠性紧密相连。可靠性分析贯穿于机械产品设计全过程，这表明可靠性分析已经步入实用阶段。目前，机械零件结构设计的可靠性分析研究已经成为机械制造中的主要研究题目，大量理论文献有力地证实机械零件结构设计的可靠性分析理论趋于成熟，未来将朝着以下方向发展。

（一）可靠性灵敏度设计

可靠性灵敏度设计建立在可靠性之上，有效映射不同设计参数对机械零件的实际影响程度，进而确定对机械零件灵敏度影响程度最大的随机变量，并重新分析和设计此参数。预估设计变量变差以及约束变差对产品效能指标的影响程度，调整对产品设计参数影响程度相对较大的设计参数，进而使产品失去对因素变差的灵敏性。这种设计以极限状态方程为基础，然后求解出设计参数相应的偏导数，获得灵敏度计算公式，从而明确每个设计参数的灵敏度，并以此为依据，不断修整设计，调整参数。

（二）可靠性优化设计

可靠性优化设计也是建立在可靠性之上，这种设计模式不仅能够更好地满足产品投入使用过程中的可靠性，还能优化产品外观尺寸、加工成本以及安全性等参数，进而使产品预估效能更加接近实际效能。此种方法有效融合可靠性分析理论和规划方法，以可靠度为基础构建优化目标函数，调整机械零件的外形尺寸、成本等参数，实现最小化，然后以刚度、强度等设计要求充当约束条件，构建数学模式，参照数学模型合理选择具体的优化方法，最终求解最理想的设计变量。

（三）可靠性试验

现阶段，可靠性理论趋于成熟，然而可靠性试验尚不健全。可靠性试验是一种考察、分析和评判产品可靠性的手段，旨在通过可靠性试验及时发现产品设计、原材料以及加工工艺存在的缺陷，进而进一步完善产品，提升成功率，降低维修养护成本，判断其是否满足可靠性定量要求。然而一旦具体的设计方案出现变更，则应重新开展试验分析，造成了不必要的资源浪费，因此，我们应充分利用高性能软件，缩减试验次数，节省成本。

结语

可靠性是衡量产品效能的动态指标，目前，可靠性贯穿于现代机械设计全过程，因此，可靠性分析是机械工业发展的主要研究方向，对于机械工程而言，掌握越多的可靠性理论，便会较少地应用主观经验，产品机械结构设计也会更加合理，这也是机械工程中的根本目标。机械零件结构设计的可靠性分析正处在发展阶段，在具体的应用过程中还存在一些细节问题，仍需要我们进一步探索。

参考文献

[1]卓红艳，刘志强，金晓等.基于机械结构产品的可靠性设计分析[J].工业控制计算机，2013，26（3）：124-125.

可靠度理论论文篇（5）

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51178337，50708076）；科技部国家重点实验室基础研究项目（SLDRCE11B01）；同济大学土木工程学院光华基金资助项目

作者简介：唐和生（1973-），男，安徽安庆人，同济大学副教授，博士

通讯联系人，E-mail:

摘要：采用证据理论作为传统概率的替代方法处理不精确的数据信息，提出了基于证据理论的可靠性优化设计方法.该方法针对给定的失效概率许用值Pf，通过计算证据理论的不确定测度Pl(F)，以Pl(F)

关键词：证据理论；微分演化；可靠性优化设计；形状优化

中图分类号：TU318；TU323.4 文献标识码：A

AMethodofReliabilityDesignOptimizationUsingEvidence

TheoryandDifferentialEvolution

TANGHesheng1,2,SUYu1,XUESongtao1,DENGLixin1

（1.ResearchInstituteofStructuralEngineeringandDisasterReduction,TongjiUniv,Shanghai200092,China;

2.StateKeyLaboratoryofDisasterPreventioninCivilEngineering,TongjiUniv,Shanghai200092,China）

Abstract:Anewmethodofreliabilitydesignoptimizationusingtheevidencetheorywasproposed.Evidencetheorywaspresentedasanalternativetotheclassicalprobabilitytheorytohandletheimprecisedatasituation.TheplausibilitymeasurePl(F)basedonevidencetheory,withPl(F)

Keywords:evidencetheory;differentialevolution;reliabilitydesignoptimization;shapeoptimization

基于可靠性的优化设计是不确定性结构优化设计的有效途径.传统的可靠性优化设计常采用概率模型，但概率方法需要足够的统计数据信息来拟合其概率特征，而实际工程中这些数据通常是无法准确获知的，所以传统概率方法面临巨大的挑战.

近年来，国内外很多学者致力于发展非概率的不确定建模手段，并在其基础上提出非概率可靠性优化设计方法，其中由Dempster\[1\]和Shafer\[2\]提出的证据理论具有较强的不确定处理能力，已经成为不确定信息表达和量化的有力工具，在多目标识别、信息融合、多属性决策等领域获得了广泛应用\[3-6\].而基于证据理论的工程可靠性优化分析刚刚起步，并且主要应用于机械与航空领域.Mourelatos等\[7\]将证据理论应用于内压容器可靠性优化设计中，研究了基于证据理论的失效概率或可靠度指标的计算问题.Bae等\[8\]运用证据理论解决机械工程中的不确定问题，实现了飞机机翼结构的可靠性优化设计.郭慧昕等\[9-11\]提出了证据理论和区间分析相结合的可靠度优化设计方法，将此应用于内压容器和气门弹簧的可靠性研究中.尽管已经取得了一些进展，但是证据理论仍然很少应用于实际工程的可靠性优化问题中，计算成本是导致该问题的主要原因.同时，基于证据理论的可靠性优化设计在土木工程中的应用还是一个新课题.

为此,本文采用证据理论处理不确定情况，引入微分演化算法降低证据理论在可靠性优化中的计算成本，提出了证据理论和微分演化算法相结合的可靠性优化设计方法，并将该方法应用于桁架结构的形状优化问题中，来验证本文所提方法的有效性.

1证据理论的基本原理

证据理论是由Dempster和Shafer提出的，又称为DS理论.它是建立在辨识框架上的一种不确定理论，设为辨识框架，它表示关于命题互不相容的所有可能答案的有限集合，类似于概率论中有限的样本空间，幂集2定义为辨识框架中所有子集的集合，证据理论是对幂集元素进行基本概率赋值\[12\].定义函数m：2\[0,1\]，A.当满足：

m(Φ)=0，∑Am(A)=1，（1）

称m为框架上的基本信任分配函数(BBA)，m(A)为A的基本信任度，表示证据对A的信任程度，若m(A)>0，则称A为焦元.

若m为框架上的基本信任分配函数，则称由

Bel(A)=∑BAm(B),（2）

Pl(A)=1-Bel()=∑B∩A≠m(B)（3）

所定义的函数Bel：2\[0,1\]为上的信任函数，函数Pl：2\[0,1\]为上的似然函数，Bel(A)表示对A为真的信任程度，Pl(A)表示对A为非假的信任程度，也称为命题A的似然度，两者之间的关系如图1所示，Bel(A)和Pl(A)提供了概率P(A)的上限和下限.由此可见，以概率论为基础的传统可靠性问题只是证据理论的一个特例.

图1对命题A的不确定描述

Fig.1UncertaintyrepresentationofpropositionA

对于认识不够透彻的不确定参数，可能会有多个专家提出不同的理论或不同的数据来组成多源证据，证据理论可以通过合成规则综合考虑各种证据源的影响.经典的DS合成规则为：假定m1和m2是同一辨识框架上的2个基本信任分配函数，焦元分别为Ai和Bj，则新的基本信任分配函数m为：

m(A)=∑Ai∩Bj=Am1(Ai)m2(Bj)1-K,A≠.（4）

式中：K=∑Ai∩Bj=m1(Ai)m(Bj)，表示证据冲突性的大小.此即为2个证据合成的Dempster法则.当证据冲突比较大时，应选用其他的合成方法\[13\].

2证据理论和微分演化算法相结合的可靠

性优化设计方法

2.1基于证据理论的可靠性优化设计模型

一般来说，基于概率理论的可靠性优化问题可表述为：

minF(xN,d),

s.t.P{gj(x,d)>g0}

P{gj(x,d)R,

j=1,2,…,k,

dL≤d≤dU,

xL≤xN≤xU．(5)

式中：x=\[x1,x2,…,xn\]T为n维不确定性量，分别服从一定的概率分布，\[xL,xU\]为不确定量x的名义值xN的取值区间；d=\[d1,d2,…,dm\]T为m维确定性量，\[dL,dU\]为d的取值区间；F和g分别为目标函数和约束函数；g(x,d)>g0表示结构发生失效，g(x,d)

当问题中不确定量的认识信息较少或不完整时，上述优化模型中的约束条件不能采用概率理论来建立，此时，可以利用证据理论的不确定建模手段解决这一问题.如图1所示，证据理论用似然函数和信任函数来进行不确定性度量，可以证明\[Bel,Pl\]是真实概率的区间估计，真实的失效概率或可靠度夹逼在该区间内：

Pl{gj(x,d)>g0}

P{gj(x,d)>g0}

Bel{gj(x,d)R

P{gj(x,d)R．（6）

由此，将Pl{gj(x,d)>g0}

minF(xN,d)

Pl{gj(x,d)>g0}

g0}>R，

j=1,2,…,k，

dL≤d≤dU，

xL≤xN≤xU.（7）

模型中Pl{gj(x,d)>g0}或Bel{gj(x,d)g0}g0}的计算进行详细阐述.

2.2基于微分演化方法的失效似然度计算

对于结构分析中出现的不确定量，证据理论将其表述为区间数.在计算结构失效似然度时，首先根据不确定量的可能取值范围，将其划分为有限个互不相容的基本区间作为辨识框架.以图2为例，不确定量x1的辨识框架X1={x11,x12,x13}，幂集2X1={Ф,{x11},{x12},{x13},{x11,x12},{x11,x13},{x12,x13},X1}，基于证据（专家意见或实测数据）分析，对幂集中的焦元进行基本信任度赋值，得到x1的基本信任分配函数m.

图2不确定参数基本区间

Fig.2Basicintervalsofuncertaintyparameter

然后，对每个不确定变量的焦元进行笛卡尔运算，得到联合焦元区间，以二维不确定参数为例：

C=x1×x2={ck=［x1m,x2n］:x1m∈X1,

x2n∈X2}.（8）

式中:x1m，x2n和ck分别为X1，X2和C的焦元区间.考虑到x1和x2的独立性，二维联合焦元的基本信任度m(ck)=m(x1m)m(x2n).

由于x1m和x2n都是区间，焦元ck在集合上为一矩形，显然，对于n维问题，联合辨识框架中的焦元为n维“超立方体”.令y(x,d)表示结构极限状态函数，结构失效域F为：

F={x:y=g0－g(x,d)

［x1,…,xn］∈ck}.（9）

在联合BBA和失效域F的基础上，可根据式(2)和式(3)计算结构失效测度Bel(F)和Pl(F)为：

Bel(F)=∑ckFm(Xc),

Pl(F)=∑ck∩F≠m(Xc)．(10)

可见，在计算失效测度时需要确定联合焦元ck是否满足ckF或ck∩F≠,图3描述了ck对Bel(F)和Pl(F)的贡献．从图3可以看出：1）若ymax>0，ymin>0，则ck∩F=，ck对Pl(F)和Bel(F)没有贡献，即ck不参与Pl(F)和Bel(F)的计算.2）若ymax

图3焦元区间对失效似然度的贡献

Fig.3Focalelementcontribution

toplausibilityofthefailureregion

因此，为准确判断，需要求解y(x,d)在ck对应的“超立方体”域上的极值，即

［ymin,ymax］=［mincky(x,d),mincky(x,d)］.（11）

求解式（11）中区间极值的主要方法有采样法和优化方法，采样法的精度很大程度上取决于采样点数目，计算代价巨大.优化方法会极大降低计算量，但由于不确定量x的焦元区间数目多，而且结构响应并不是简单的显式而是通过有限元分析得到的，故利用传统的优化算法求解复杂多维非凸的极限状态函数y(x,d)在ck上的极值显得非常困难.

近年来仿生智能优化算法被广泛引入到结构优化中，例如模拟退火法(SA)\[14\]、遗传算法(GA)\[15\]、微分演化法(DE)\[16\]等，其中DE是一种新颖的启发式智能算法，采用变异、交叉和选择3项基本操作，通过若干代种群演化操作不断舍弃劣质解，保留优质解，最终获取近似全局最优解.研究表明，微分演化算法在求解非凸、多峰、非线性优化问题中表现出较强的稳健性，同时具有收敛较快的优点\[17\].因此，本文采用DE提高y(x,d)区间极值的求解速度，如图4所示，从而减少优化设计的计算成本.

图4区间函数极值求解

Fig.4Intervaloptimizationforcomputingbounds

根据以上描述，基于证据理论的可靠性优化设计是利用微分演化算法在满足可靠性约束Pl{g(x,d)>g0}

图5可靠性约束计算流程

Fig.5Flowchartofcalculationofreliabilityconstraint

3算例分析

为了便于比较，取文献\[18\]中的25杆桁架形状优化进行讨论，结构形式见图6，弹性模量名义值E=68950MPa，作用于桁架上的荷载名义值列于表1，容许拉压应力\[σ\]=±275.6MPa，各节点三向允许的最大位移为8.89mm.其他参数见文献\[18\].

图625杆空间桁架结构

Fig.625barspacetrussstructure

表125杆桁架节点荷载名义值

Tab.1Normalvalueofjointloadfor25bartruss

节点号

Fx/kN

Fy/kN

Fz/kN

1

4.448

-44.48

-44.48

2

-44.48

-44.48

3

2.224

6

2.668

文献\[18\]对该桁架进行了确定性优化，本文在此基础上考虑不确定情况，将外荷载和弹性模量视为不确定的，假定其不确定信息（焦元区间及基本信任度）如表2所示，在2种不确定因素存在的情况下，进行既满足可靠度约束条件又使结构总质量最小的最优设计，该不确定优化问题的数学模型为：

findd=［A1,A2,…,A8,X4,Y4,…,Y8］,

minF(d)=∑8i=1ρAiLi+λM,

s.t.Pl{gi(x,d)

g1(x,d)=278.6-maxσk(x,d),

g2(x,d)=8.89-maxujl(x,d),

x=［F1x,F1y,…,F6z,E］．(12）

式中:d为尺寸和形状设计变量;x为不确定参数;Pl{gi(x,d)

考虑结构允许的失效概率Pf为0.05和0.1二种情况，采用本文所提方法对25杆桁架进行可靠性形状优化.Pf=0.05情况的评价函数收敛曲线和最终形状分别见图7和图8.图9给出最优设计时位移约束函数g2(x,d)的信任度和似然度累计分布曲线.为了与文献\[18\]的确定性形状优化结果相比较，根据图9，表3详细列出了应力和位移约束失效似然度.

表2外荷载和弹性模量的不确定信息

Tab.2Theuncertaininformationofloadandelasticmodulus

F1x/kN

F1y/kN

F1z/kN

F2y/kN

区间

BPA

区间

BPA

区间

BPA

区间

BPA

\[3.54.6\]

0.15

\[-48.9-44.5\]

0.2

\[-48.9-44.5\]

0.2

\[-48.9-44.5\]

0.2

\[4.24.6\]

0.65

\[-44.5-40.0\]

0.5

\[-44.5-40.0\]

0.5

\[-44.5-40.0\]

0.5

\[4.65.3\]

0.2

\[-40.0-33.4\]

0.3

\[-40.0-33.4\]

0.3

\[-40.0-33.4\]

0.3

F2z/kN

F3x/kN

F6x/kN

E/103MPa

\[-48.9-44.5\]

0.2

\[1.82.3\]

0.15

\[2.12.8\]

0.15

\[6065\]

0.1

\[-44.5-40.0\]

0.5

\[2.12.3\]

0.65

\[2.52.8\]

0.65

\[6570\]

0.5

\[-40.0-33.4\]

0.3

\[2.32.7\]

0.2

\[2.83.2\]

0.2

\[7080\]

0.4

迭代次数

图725杆桁架形状优化的收敛曲线

Fig.7Shapeoptimizationconvergence

historyof25bartruss

图825杆桁架的形状优化结果

Fig.8Optimumshapeof25bartruss

由图7可知，该算法具有很高的计算效率，25杆桁架形状的优化计算在迭代大约100次后已经收敛.从图9和表3可以看出，在Pf=0.1和Pf=0.05两种情况下，位移约束失效概率［P(g2

g2(x,d)(a)Pf=0.05

g2(x,d)(b)Pf=0.1

图9位移约束的信任度和似然度累积分布

Fig.9Cumulativebeliefandplausibility

distributionfordisplacementconstraint

\[Bel,Pl\]分别为\[0,0.066\]和\[0,0.036\]，失效似然度即概率上界均小于相应的失效概率许用值，满足设计可靠度的要求.由表3可知，由于考虑不确定性的存在，基于DS可靠性优化结果总质量要比确定性优化结果有所增加，但是从失效似然度来看，前者的可靠性（93.4%，96.4%）要明显高于后者（5%）.由此可见，对不确定量的认识信息较少，无法采用概率理论时，证据理论以区间测度\[Bel,Pl\]代替传统概率单值来描述这种认知不确定显得更为合理.由于基于DS的可靠性优化将使结构具有良好的鲁棒性，有效避免由于错误估计而造成优化结果的偏差.

表325杆空间桁架形状优化结果比较

Tab.3Comparisonofoptimaldesignsforthe25bartruss

设计变量

/mm2

文献\[18\]

结果/mm2

本文不确定分析

结果/mm2

Pf=0.05

Pf=0.1

A1

64.5

64.5

64.5

A2

64.5

64.5

64.5

A3

645

774.2

774.2

A4

64.5

64.5

64.5

A5

64.5

64.5

64.5

A6

64.5

64.5

64.5

A7

64.5

64.5

64.5

A8

580.6

838.7

709.6

X4

949.9

984.6

961.1

Y4

1406.6

1770.5

1375.6

Z4

3283.9

2599.1

3283.7

X8

1315.9

1322.5

1468.0

Y8

3544.8

3400.5

3533.2

总质量/kg

Pl(g1

Pl(g2

53.1

0.95

66.5

0.036

62.2

0.066

4结论

可靠度理论论文篇（6）

【摘要】为了在缺少统计数据的情况下得到圆锥齿轮的可靠性，探讨了一个可行的方法，以常规圆锥齿轮的机械设计公式做基础，以其设计参数作为随机变量，并将从设计手册中查得的有关数据。最后运用由应力-强度干涉理论，概率论与数理统计的知识和变差系数法推导出的公式计算出圆锥齿轮的可靠性。以调制合金钢40Cr的圆锥齿轮为例，通过查阅资料得到其应力与强度均服从对数正态分布，并通过推导出的公式得到其齿面接触疲劳强度下的可靠度为0.8709，大小齿轮的齿根弯曲疲劳强度下的齿轮可靠度分别为0.98778,0.98956。结果表明该例子中的锥齿轮可靠度较高，与实际工况相吻合。

关键词 圆锥齿轮；可靠性设计；应力-强度干涉理论；变差系数法

StressStrengthInterferenceTheory-BasedonReliabilityDesignofBevelGear

DONGBinZHUZhan-jieZHANGTing-tingZENGGang

(ChinaUniversityofMiningandTechnology〈Beijing〉SchoolofMechanicalElectronicandInformationEngineering,Beijing100083,China)

【Abstract】Inordertogetthereliabilityofbevelgearintheabsenceofstatisticaldata,thepaperdiscussesapossiblemethodwhichisbasedonafoundationofconventionaldesignformulasandusetheirdesignparametersasrandomvariableswhichcanbegottenfromthedesignmanual.Finally,usetheformulawhichisdeducedbythestress-strengthinterferencetheoryandtheknowledgeofProbabilitytheoryandmathematicalstatisticsandCoefficientofvariationtodothereliabilitydesign.Inthispaper,weusethebevelgearsofmodulationofalloyfortheexample.Weobtaintheinformationthatgears’stressandstrengtharelognormaldistributionaccordingtosomerelevantdocuments.Thenwegotthereliabilityofthelittlegear’scontactfatiguestrengthoftoothsurfaceis0.8709,andthereliabilityofthelittlebearandbigbear’stoothrootbendingfatiguestrengthwere0.9878and0.9896.Theresultsshowsthatthegears’reliabilitiesarehigh,andconsistentwiththeactualworkingconditions.

【Keywords】Bevelgear;Reliabilitydesign;Thestress-strengthinterferencetheory;Coefficientofvariation

0引言

圆锥齿轮轮齿强度可靠性设计的理想方法，与其他零件类似，也应通过实验区的其应力分布（齿面接触疲劳应力分布，齿根弯曲疲劳应力分布）、强度分布（齿面解除疲劳强度分布、齿根弯曲疲劳强度分布）等可靠性数据，并在次基础上计算可靠度。但是，由于影响齿轮工作应力和强度极限的因素较多，其工作寿命又长，往往难以实际工作齿轮按实际使用工况进行试验并取得数据。

本文在缺少统计数据的情况下，根据国家标准GB/T12368—1990[1]和GB/T10062—1988[2],运用了可靠性设计理论[3-6],提出了对圆锥齿轮进行可靠性设计的一种计算方法，运用强度-干涉理论、随机变量函数的变差系数，以及传统机械设计的相关公式等理论进行圆锥齿轮的可靠性设计。首先经过查国标线图和相关文献得出各参数的均值和标准差，通过机械设计中的计算公式得出应力和强度的均值，再运用随机变量函数变差系数得出对应应力的相关变差系数，运用变差系数的原始定义求得相关应力和强度的标准差，最后通过联结方程得到可靠性系数，再代入相关公式得出可靠度。用这种方法算得的齿轮强度的可靠度数据虽然不及用试验统计数据算得的结果更精确，但也是有一定的实用价值的。

3结论

本文探讨了圆锥齿轮的可靠性设计方法，运用应力-强度干涉理论、变差系数和相关概率的知识定量地计算出了圆锥齿轮的可靠度。通过对实例调制合金钢40Cr圆锥齿轮的计算，得出该实例的齿面接触疲劳强度下的齿轮的可靠度和齿根弯曲疲劳强度下的齿轮的可靠度，该计算结果与实际的工况基本吻合，从而表明该方法有一定的实用价值。

参考文献

［1］全国齿轮标准化技术委员会.GB/T12386)1990锥齿轮模数[S].北京:中国标准出版社,1990:3.

［2］全国齿轮标准化技术委员会.GB/T10062)1988锥齿轮承载能力计算方法[S].北京:中国标准出版社,1988:2-10.

［3］张义民.汽车零部件可靠性设计[M].北京:北京理工大学出版社,2000:86-141.

［4］卢玉明.机械零件的可靠性设计[M].北京:高等教育出版社,1989:1-38.

［5］牟致忠.机械零件可靠性设计[M].北京:机械工业出版社,1983:238-272.

［6］张义民,林逸.汽车零件可靠性设计的二阶矩法[J].汽车工程,1993,15(6):345-349.

［7］刘惟新.机械可靠性设计[M].北京:清华大学出版社,1995:78-400.

［8］濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2005:224-225.

可靠度理论论文篇（7）

文件检验结论是一种利用专门知识和技术手段做出的鉴别和判断，其鉴定人主要是由公安机关、法院和检察院指派或者进行聘请的，所指派的人会根据案件的专门性问题进行分析和检验，从而得出的一种鉴别结果。这种检验结论在司法实践中占据关键地位。

一、文件检验结论的概念

文件检验是司法鉴定中常见的手段和方式，在各种司法诉讼中占据重要地位和作用。司法鉴定的结果往往是由感性的认识发展成为一种理性认识的结论性意见，其本质上是一种对文件的分析判断意见。文件检验结论实际上就是文件检验结果，是司法鉴定结果中的科学证据的一种。在司法鉴定实践过程中，文件检验结论通常表现为多种形式，其中有检验报告、鉴定意见书、鉴定公函、鉴定书等形式加以体现。当文件检验的结果能够满足送检要求时就可以出具文件检验报告，不需要进行进一步的鉴别和判断。出具文件检验鉴定意见书的前提条件是鉴定人对检验材料做不出明确肯定的检验结论时只能以某种倾向性意见作为参考进行分析。此外，鉴定公函主要是以口头方式阐述检验结果。

二、对文件检验结论的证据价值分析

文件检验结论的证据价值主要分为证据效力、质证和认证、法定证据形式三种。

（一）文件检验结论的证据效力分析

文件检验结论的证据效力主要分为证明力和证据能力，其中证明力也是一种证明能力，主要是对证据进行考察，将文件的主要内容认为是证据的真实性和可靠性。文件检验结论是一种科学的证据，利用科学的手段发现、收集，然后揭示出来的一种证据。

对文件检验结论的证明能力进行考察时候，其基础往往是证据和案件之间的联系。文件的物证是一种客观存在的事物，主要对案件发生的事实情况进行反映，一定条件下可以反映案件当事人之间存在的某种联系，将这些集中起来可以作为对案件事实情况进行认识的证据。文件检验的研究对象是文件物证，在专业技术手段的辅助之下可以反映物证和案件之间的客观联系，容易让人们对案件的结果顺利接受。证明能力的大小往往受其科学可靠性的影响，对于文件检验结果的证明能力大小的衡量主要依靠检验结论的可靠性，其受到科学技术等各种因素的影响。对于文件检验结论的可靠性进行考察时候，首先应该对文件的检验人进行考察，包括其资质、检验方法和手段以及仪器。其次，需要判断送检材料的客观真实性，对于有疑问的检验材料进行排除。最后，还要从技术的角度分析客观标准是否达到一定的技术要求和技术标准，只有符合规定的技术标准的前提下才能够得到具有实践检验文件的检验结论。一般情况下，检验材料和检验样本的真实性对于文件检验结果有着至关重要的作用，当样本不真实时，检验结论也会出现问题，对于检验本身有着较大的影响。当检验文件相同的条件下，面对不同的检验机构，检验结论会出现不同的情况。此外，文件检验结论的可靠性受到多种因素的影响，主要源于检验结论是人对事物的认识，其可靠性受到多种因素的限制，主要受到检验人的认识水平和工作经验的影响，检验人员认识不足或者是受到其他因素影响时即使其专业知识相对较高也会导致检验结论的可靠性受到影响。

文件检验结构的证据能力需要证据满足诉讼活动对剧本的要求，也可以是具备准入资格的文件。作为证据使用的材料只有具备证明能力才能够得到法律上的允许，才具有一定的法律效力。诉讼活动中的证据一般都是诉讼人或者是相关诉讼人员提供的证据材料，但是这些材料只有在符合法定采用标准或者是具备法律对证据的基本要求的前提下才能够被采用，才能被纳入到法官认证的范涛，而不是证据能力的考查范围。证据材料如果不合法，即使其具有证明案情的能力，还是不能作为定案的依据。因此，具有证据资格的证据必须具备客观性、合法性和关联性。文件的检验结论必须和案件的事实相关联，只有在合法的情况下才具有证据能力。其中文件检验的客观性主要建立在文件检验依据原理之上，同时还需要在检验技术和检验方法上有一定的科学性。只有依照可靠的检验技术和科学的检验原理才能确保分析的客观性和标准性，最终得到客观的检验结论。对于文件检验结论的客观性进行判断时需要从物质本身的客观反映进行判断，还需要综合考察判断依据的科学性和可靠性。文件检验结论的关联性间接表现为证据的关联性，当事人所提供的证据需要与提供案件的事件和争议事实有一定的关联性。关联性是考察证据资格的重要方面，对于案件事实的证明具有实质性的意义。案件事实和案件的关联性仅仅是证据与案件待证事项关系的存在，不能将其作为事项内在的特征。文件检验结论的关联性主要是看检验结论在案件证明过程中是否具有确定的帮助作用。当一些可疑文件作为案件的物证时，文件结论往往对诉讼双方有着至关重要的作用，直接决定案件的最终判决。文件结论的合法性间接表现为案件证据的合法性，无论是何种证据，都要其形式和来源符合案件的法律规定和要求。

（二）检验结论的质证和认证形式

检验结论在法庭审核中的质证和认证主要是对不可靠的检验结论的屏蔽，确保被采纳的检验结论不存在任何问题。从我国立法和司法的角度来讲，质证就是指诉讼当事人在法庭审核过程中就出现的证件进行对质和核实的一种活动方式。认证是指对案件进行审判过程中法官对诉讼双方提供的证据进行收集和审查判断，以此来确定证据能力和效力。简言之，认证就是法官对证据的认定，通过该种方式来确定证据力的大小。当法官在进行文件检验时候因为缺乏专业知识而不能顺利进行检验时，可以通过诉讼双方在法庭上的有效质证帮助他们对文件检验结论进行取舍的判断。

文件检验结论的质证和认证主要包括多个方面，首先是对检验机构的质疑和认定，我国现有的法律中对鉴定人的法定资格有了明确的取得方式，要规定了鉴定人的知识和经验等，所以，法官对检验机构和检验人员资格进行审查时有一定的章程可遵循。此外，文件检验结果程度的可靠性取决于其分析方法的可靠性，如果采用的仪器和分析方法比较可靠，其结论也就比较可靠。同时，检验人员的主观性也是需要关注的重点方面，我国法律应该对检验人和当事人的厉害关系没有排除的情况下做出的检验结论进行回避。其次是对检验材料真实性的质疑和认定，诉讼过程中，检验材料的真实性和可靠性以及合法性都会使得检验结论的准确性和可靠性受到直接的影响。检验材料真实性出现问题时就会导致检验结论出现错误，此外，检验材料准备不够充分时也会对检验结论的准确性造成影响。所以，需要确保材料来源的可靠，材料的送检和提取过程要符合法定程序的要求和检验者本身的要求。在材料质量和数量上也要严格把关。当材料的检验出现问题时，可以用不同的检验方法对检验材料和样本进行处理，然后实施统一的保管。对于文件的检验应该按照无损到有损的顺序进行检验，对有损的材料进行检验时应该详细说明其检验条件和方式，才能保证材料样本保管的适当性。紧接着是对材料合法性的认定和质疑，对于程序合法性的审核需要本着程序正义的原则进行审查，一旦检验过程的任何一个环节甚至是步骤出现问题时，检验内容就会出现不合法的现象，检验程序也会不合法，最终导致检验结论不会被采纳。因此，检验程序的合法性是检验结论合法的重要保障。最后是对检验方法的认定，看其是否符合行业标准和法定标准。

（三）文件检验结论的法定证据类别归属

一般人认为对于文件的检验结论应该归属于鉴定结论的范围之内，实际上采用这种归类方式往往不会符合客观事实的要求，一定程度上还会造成错误的认识，会影响到诉讼证据的严肃性和科学性，对诉讼实践带来众多的问题隐患。就我国现阶段的法律法规进行审查得知，我国目前还没有专门的证据法，一些关于证据的立法通常是以法律规范文件的部分形式而存在的，体系也是比较完整的。诉讼法依据证据在诉讼中的主要作用将证据划分为七种类型，主要有人证、物证、书证、被害人陈述、犯罪嫌疑人、被告人和辩解、检验笔录和视听资料等。从证据学的角度出发对这些问题进行考虑，将文件中的检验报告可以归纳到结论的鉴定范涛，一般将文件的检验书或者是检验公函作为鉴定咨询结论并非证据进行使用。划分证据类别的归属时，一般将文件的检验报告纳入检查笔录的证据当中，这样进行分类的理由在于勘察检验笔录实际上是对检查活动进行客观记载的事件，这样划分是因为检验报告和勘查笔录不具有证据学上的区别意义。此外，通常将文件检验的鉴定书归属于鉴定结论的范涛之中，文件检验书不会被作为一种诉讼证据进行使用。

三、文件检验结论证据价值的实现探讨

文件检验结论是检验人认识的结果，虽然其本身具有科学性，但并不能说明该检验结果就是正确的，就是科学的。在案件的审查中，受到技术上局限性的影响，诉讼双方往往会对案件的可靠性存在争议，即使在没有争议的情况下也会对案件的其他因素存在疑惑。当可疑文件相同而出现的检验结论不相同时，诉讼双方的质证能够帮助一些缺乏专业知识的法官来决定文件的取舍。所以文件检验结论证据价值需要通过相关制度的完善进行实现。

（一）完善质证法律制度

可靠的文件结论在做出的过程中不仅需要科学的检验方法，更需要具有严谨态度的检验人员，所以对于文件检验结论的质证和认证关键需要完善检验人员出庭询问制度，确保检验人员运用方法的可靠性，能够明确说明其检验具体过程和现象，同时对检验结论可以接受人们的质询。

（二）拓展质证认证的途径

可靠度理论论文篇（8）

中图分类号：U260.331+.4 文献标识码：A

1前言

鞍点逼近是做渐近分析的一个非常有用的工具，最早起源于复变函数，由Daniels于1954年首先提出的。它的一个很大的特点就是在小样本情况下，逼近效果依然很精确。鞍点逼近理论的重要性已体现在经济统计学中的各个方面。本文将鞍点逼近理论应用在机械零部件可靠性分析当中。

可靠性是机械产品使用过程中质量指标的重要反映，其显著特点是与产品的设计、制造和使用各个阶段密切相关。可靠性分析的准确性和效率性影响着机械产品的质量问题，而机械产品是由零部件组成，所以，为了提高机械产品的可靠性，首先必须提高零部件的可靠性。往往由于一个关键性零部件的可靠性不好，以致整个机构在短时间的运行中失效，从而造成故障与事故。本文应用鞍点逼近技术对单片钢板弹簧进行了可靠性分析，在基本随机变量概率分布已知的情况下，可以迅速、准确地得到随机响应的概率密度函数和累积分布函数，发展了机械零部件可靠性分析理论。

2机械零件可靠性设计的鞍点逼近法

Y=g(X)概率密度函数(PDF)可以由下式表示

(1)

式中y表示的是随机变量Y的取值，K''是Y=g(X)的累积母函数的二阶导数，ts是鞍点，可以通过下式求得

(2)

式中K'表示的是Y=g(X)累积母函数的一阶导数。根据Lugannani和Rice[16]逼近样本均值尾概率的分布的鞍点逼近公式计算结构响应的的分布函数为

(3)

式中，()和φ()分别表示标准正态分布函数的累积分布函数的CDF和概率密度函数PDF。

3单片钢板弹簧的可靠性分析

单片钢板弹簧是由若干片不等长的合金弹簧钢板组合而构成的一根近似的等强度弹性梁。当弹簧钢板纵向布置在汽车上时，起到弹性元件和导向机构的作用，传递各种力和力矩，并且可利用片间的摩擦起减振作用。

一 钢板弹簧的力学模型

单片式钢板弹簧指的是由一片纵向变断面弹性梁组成的钢板弹簧，单片钢板弹簧的工作应力为

(4)

式中P为载荷，b为板簧的宽度、h为板簧的厚度、l为板簧的跨距。

根据应力-强度干涉理论，以应力极限状态表示的状态方程为

(5)

式中r为钢板弹簧的材料强度，基本随机变量X=(r, P, l, b, h)T。这里基本随机变量向量X的均值E(X)和方差Var(X)是已知的，并且可以认为这些随机变量是服从正态分布的相互独立的随机变量。

某一单片钢板弹簧，材料为AISI4340，几何尺寸为(μb，σb)= (50.8，0.889)mm，(μl，σl)= (762，1.905)mm，(μh，σh)= (20，0.3)mm，载荷为(μP，σP)= (8000，160)N，材料强度(μr，σr)= (585.8，28.3)MPa，利用本文提出的鞍点逼近法分析单片钢板弹簧的可靠性。

分析结果如下

图1功能函数的概率密度函数比较曲线图2功能函数的分布函数比较曲线

可靠度理论论文篇（9）

作者简介：张振浩（1980-），男，广西钦州人，长沙理工大学土木与建筑学院，讲师；杨伟军（1962-），男，湖南益阳人，长沙理工大学土木与建筑学院，教授。（湖南长沙410114）

基金项目：本文系长沙理工大学桥梁工程湖南省高校重点实验室开放基金资助项目（项目编号：09KA02）的研究成果之一。

中图分类号：G642     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）11-0078-02

一、“荷载与结构设计方法”课程特点及重要性

“荷载与结构设计方法”课程的教学对象是土木工程专业三年级本科学生，这是一门土木工程专业的专业基础课程，其先修课程是“概率论”、“数理统计”、“结构力学”等，学习了这门课程之后将为后续的“钢筋混凝土结构”、“结构设计原理”、“钢结构”等课程打下基础。

荷载与结构设计方法是结构理论与概率论、数理统计等数学理论相结合的一门新兴学科，重点介绍常用的结构可靠度计算和设计方法以及结构可靠度设计统一标准与现行设计规范的联系。[1]20世纪70年代以来，结构可靠度理论在工程结构领域进入实用阶段，许多国家都致力于建立结构可靠性理论为基础的结构设计规范体系。我国工程技术界非常重视结构可靠性问题，先后编制了《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153-92）等多个统一标准。教学主要目的是使学生掌握结构可靠度理论及加深理解并运用好这些统一标准及相应的设计规范体系。

该门课程的教学重点包括：可靠性理论的一次二阶矩方法即近似概率法（水准Ⅱ），主要学习中心点法、验算点法；荷载及抗力的统计分析；结构可靠性设计，包括我国“统一标准”采用的设计可靠指标，实用设计表达式以及表达式中各分项系数（荷载分项系数、荷载组合系数、结构抗力分项系数、结构重要性系数）的确定原则方法；结构体系可靠度。全课程教学学时为16课时，教学安排如表1所示。可见，课时少、难度大而内容重要是这门课的特点，也是这门课程教学的最大突出矛盾。

二、“荷载与结构设计方法”教学存在的突出问题

1.重视程度不够

由于各种原因，有些高校在土木工程专业的课程设置上对“荷载与结构设计方法”这门课程的重视不够，教学课时曾一再被压缩。同时教学内容除了结构可靠度理论外，还增加了“荷载”这一块的内容，包括重力荷载、风荷载、地震荷载、土压力等，这使得可用于教授结构可靠度理论的学时更为减少。[2]另一方面，学生本身也对课程的重要性认识不够，普遍认为结构可靠度知识对今后工作的帮助不大，在工程实践中不需要用到“如此高深”的理论。因此，若非考研需要，一般的学生均对该课程兴趣不大，投入学习的时间也较少。此外，课程设置上该门课程学时及学分的减少，也潜移默化地使得学生认为该门课程不太重要。

2.课程内容难度较大

结构可靠理论在土木工程结构设计中处于“统领”的指导地位，由于所站的层次较高，结构可靠度理论的基本概念本身就比较抽象，尤其目前一般将这门课程安排在钢筋混凝土结构、结构设计原理等课程前学习，学生在对钢筋混凝土结构设计完全没有接触了解的情况下，理解结构可靠度基本概念较为困难，抓不住要领。其次，结构可靠度的计算方法也颇为复杂。虽然课程只要求学生掌握基本的一次二阶矩方法，但学生仍普遍感到很是吃力。中心点法相对而言概念较清楚、计算比较简单，学生基本能掌握，但该法仅是可靠度计算的初级方法。对于需要重点掌握的验算点法学生就感觉难度较大了。公式推导复杂，计算步骤繁多，而且需要重复迭代计算，这些困难往往让学生望而却步。因此学生概念理解模糊、对计算过程一头雾水颇为常见，学生对验算点法的学习仅仅是进行生搬硬套的模拟，没有理解公式的含义，更不去探究这样计算的原因。

3.相关知识环节脱节

“荷载与结构设计方法”是在概率论、数理统计、高等数学、结构力学等课程知识的基础上进行学习的。这些相关课程的有机融合是学习好结构可靠度理论的前提，若已学知识理解不深刻和掌握不牢固，学习这门课程就会遇到很大困难。学生感觉这门课程难学的一个重要原因就是相关知识环节的脱节。结构可靠度计算对数学基础要求较高，尤其对概率论、高等数学要有很好的掌握。如中心点法、验算点法的可靠指标计算公式推导中均用到多元函数的泰勒级数展开，而在高等数学中一般只是学习一元函数的泰勒级数展开，对二元函数的泰勒级数展开仅粗浅涉及，由于学生对这些相关数学知识掌握程度不够，造成知识脱节的现象，学习起来较为困难。此外，还有一重要原因是学习“荷载与结构设计方法”课程与学习高数、概率论等数学课程的时间间隔较大，往往间隔一两个学期，致使已学知识生疏，也存在着知识脱节的问题。

4.对规范较为陌生，掌握不够

熟悉规范是土木工程专业技术人员的基本素质，学习“荷载与结构设计方法”课程的目的之一就是加深学生对规范重要性的认识及对规范内容的理解。由于客观不确定性的存在，土木工程结构的安全设计实际上是受国家经济条件约束的风险决策过程，决策是要在结构初始建造费用和未来可能的倒塌损失之间进行权衡。而这通常就是由国家的结构设计规范来控制和实现的。自20世纪70年代以来，许多国家都致力于建立结构可靠性理论为基础的结构设计规范体系。我国也自1984年起先后完成了第一层次的工程结构设计可靠度统一标准和第二层次的建筑、公路、铁路、港口、水利等各领域工程结构可靠度设计统一标准的编制工作。[3]因此，掌握和理解结构构件可靠度计算和设计方法以及结构设计统一标准与现行设计规范的联系，是本课程的重要学习目的之一。但绝大多数学生对相关规范不闻不问，去图书馆查阅规范的学生相当少，更谈不上对规范内容进行联系学习与理解了。

5.不熟悉计算机编程语言

“荷载与结构设计方法”课程需要重点掌握的验算点法，其公式不仅数目较多，而且较为复杂，关键的是最终求解出可靠指标需要采用迭代计算的方法。因此，使用该方法计算可靠指标若能借助计算机编程计算，则会大大减小计算工作量，而且也会对方法本身有更深入的理解。虽然学生在二年级时一般均选修学习过C语言或Fortran语言，但学习不够深入，相当部分学生在计算机编程方面的训练较为欠缺，能够完整地编好程序并且调试通过的极少。虽然教学大纲中没有要求学生掌握语言编程计算可靠指标，但此类训练会让学生对可靠度计算方法的理解大大加深，同时可以培养学生熟练使用计算机的能力，这也是土木工程专业人员采用先进计算分析手段的体现。

三、主要解决措施

1.引导学生加强重视，激发学生学习兴趣

在当前高校学生课程压力普遍较大的情况下，增加课程学时是不切实际的。因此，要着重加强作为学习主体的学生对这门课程的重要性认识，让学生在课后能自主地投入更多的时间精力去学习。要向学生反复阐明土木工程结构设计的可靠度背景和结构设计所需要满足的可靠度要求，进而引导学生认识到可靠度理论是指导结构设计以及制订结构设计规范的基础性理论，在土木工程结构设计中占有指导性的重要地位。在引导学生认识课程重要性的同时，还应进一步激发学生的学习兴趣。如在讲可靠度理论之前花些时间介绍结构可靠度理论的研究发展历程，吸引学生的注意力，告诉学生结构可靠度理论目前为止还有哪些问题是没有解决的，激发起学生跃跃欲试的学习劲头。总之，在学生对这门课程的意义感到茫然的时候，教师也应加强重视，用细心、耐心和恒心来做好这门课程的教学工作。

2.构建教学内容的知识连贯性和系统性

由于“荷载与结构设计方法”与高等数学、概率论等课程具有密切的联系，为避免或减小学生由于相关数学知识脱节的问题，宜在开始教授可靠度理论前花两课时的时间来给学生复习并补充与可靠度理论密切相关的数学知识，使整个可靠度理论在教学内容上具有良好的知识连贯性与系统性。教学实践证明这一点很有必要，若一开始就进入可靠度理论，由于高数、概率论的学习时间间隔太久，即使是数学基础好的学生也会是一知半解。此外，在课堂上的数学知识复习和补充之后，还要注意布置一定量针对性的课后作业，让学生切实温故而知新，为学习可靠度理论打下良好基础。可靠度理论的学习，可以将相关知识连贯性、系统性地有机串联起来，这将促进学生对专业知识掌握的提高和升华，更培养了学生的学习能力。

3.要特别注重概念阐释与原理讲解

结构可靠度理论之所以难学，是因为概念抽象、计算原理复杂，因此在教学当中要特别注重概念的透彻阐释与原理的详细讲解。[4]概念的阐释除了让学生明白其内涵外，还要从其外延去讲解。如结构可靠性的概念，将其内涵阐述结构在规定时间内、在规定条件下完成预定功能的能力；同时还应足够宽广地、没有遗漏地对其外延进行描述，结构可靠性包括结构的安全性要求、适用性要求、耐久性要求。学生从概念的内涵和外延去理解，既全面又不抽象，较容易做到对概念的掌握全面而准确。[5]

结构可靠度计算方法是荷载与结构设计方法这门所要重点学习掌握的内容之一。但由于计算过程与计算原理均颇为复杂，所以学生学习起来特别吃力。以验算点法为例，一次计算过程就需要历经当量正态化、计算方向余弦、写出验算点坐标与可靠指标间的关系、求解可靠指标、由可靠指标求解验算点坐标新值等一系列步骤，应用的公式多达五、六个，而且需要重复以上计算流程若干次才能求得最终结果。不少学生对验算点法的学习就是照葫芦画瓢，由于对计算原理的不理解，所以即使是照着老师讲的计算步骤一步一步做，也都是生搬硬套，容易出错。由于计算过程步骤本身就比较复杂，加上课时限制，一些教师在教学上有重计算过程而轻原理讲解的现象。为了避免学生知其然而不知所以然的情况，教师应该加强计算原理的阐释，对所要使用的公式要详细地推导，虽然计算原理、公式推导更为复杂，但教师必须有足够的耐心和细心辅导学生。学生只有在理解了计算原理的情况下，才能真正掌握好验算点法。

4.课程成绩评定宜注重激励学生

课程学习成绩的评定是对学生基础理论知识掌握情况和分析解决问题能力的综合反映，同时也是激励学生更进一步学习的手段。对于这门课程理论较深较难掌握的情况，对学生学习成绩的评定更要讲究科学，对这门课宜采用“平时教学严，考核相对松”的方式。目前该门课的成绩评定一般采用平时成绩加考试成绩的综合评价办法，其中平时成绩占40%，考试成绩占60%。对于平时成绩，不能只根据考勤、课堂和课后作业的情况来打分，为鼓励学生采用计算机语言进行编程，通过手算进行比较加深对算法的理解，虽然教学大纲中没有此项要求，但凡进行了计算机编程练习的学生都应加分，调动其学习积极性。对于考试成绩的打分，也不宜过于严格苛刻，打出来的成绩应该是让学生体验到通过自己的努力学习所获得的成绩是肯定，而不是令人泄气的过低分数。这样对激发学生在课后甚至是课程结束后仍有意愿自主地去学习这门课程知识是有重要意义的，尽量达到整门课程教学效果的最优化。

四、结束语

在“荷载与结构设计方法”课程的教学实践中，针对发现的问题采用相应的改进措施，收到了较好的教学效果。学生自我获取知识的能力、分析解决问题的能力均得到了良好培养和不同程度的提高。学生反映课程的强化教学对后续课程“钢筋混凝土结构”、“结构设计原理”等有很大的帮助，本科毕业后继续攻读研究生的学生更是反映这门课程的学习对创新思维具有的重要意义。

在今后的“荷载与结构设计方法”课程教学中，应进一步注意到这门课程所具有的数学与力学相结合的特征，教师要充分认识到这种知识体系的结合性，基于这种认识并结合实际工程背景来讲解基本知识点和概念，给学生传授正确观念，更为深刻地理解结构可靠度的理论。同时教师还要紧跟学科发展的动态，这样才能始终站在学科发展的前沿，给学生传授最新的理论和知识。这对于提高本科教学水平，完善高校教学职能具有重大的意义。

参考文献：

[1]许成祥,何培玲.荷载与结构设计方法[M].北京:北京大学出版社,2006.

[2]李富民,夏军武,杜健民,等.荷载与结构设计方法课的设置矛盾与对策[J].高等建筑教育,2007,16(3):75-78.

可靠度理论论文篇（10）

引言

机械的可靠性是通过设计、制造、检验等各个步骤共同决定的，每一环节的工作细节都会对机械的可靠性造成一定的影响，只有在确保各环节正常运作的前提下，才能保证制造出来的机械具有可靠性。可靠性设计是机械可靠性的前提、基础，所以机械的设计环节是保证机械可靠性的重要前提。可靠性设计过程中，除了采用传统技术，还用到了各种分析预测的手段，以保证可靠性设计的质量。随着现代科技水平的不断提高，可靠性设计也正在进军电子领域。在应用可靠性理论设计产品时，应选用合理的设计方法。

1 机械可靠性内涵

机械的可靠性是指机械产品在规定的使用条件下，在一定时间内能够使使用效果达到预期的效果。但是由于工程材料的特性以及工程测量、事后加工、安装误差等因素影响，使设计出的机械成品的使用能力具有不确定性，这种随机性的因素对机械可靠性的影响极为重要。可靠性技术理论起源于20世纪20年代，应用于20世纪40年代，最早是应用在二战末德国V-Ⅱ火箭的诱导装置上，参加研究的人员提出了利用概率乘积法则，将一个系统的可靠度看成该系统的子系统可靠度乘积的理念，而这也是机械可靠性理论的雏形。可靠性的快速发展是在《结构的安全度》一文发表后开始的，自从该文发表以来，结构可靠性在学术界引起了诸多专业人士的重视。

随着科技的不断进步，现代技术的发展对于机械质量的要求越来越高，产品的可靠性成为世界工业领域关注的重点。可靠性的衡量标准是可靠度，在距离可靠性理论提出近半个世纪的今天，可靠性技术已有了很大程度上的提高，诸多电子产品的可靠性已经比较成熟，而机械产品的可靠性设计还有待提高。近几年，我国已经开始关注机械可靠性的发展问题，并取得了一定的成绩，但是由于可靠性涵盖面太广、基础数据很缺乏等问题，导致我国机械的可靠性设计应用并不成熟。

机械可靠性是一门边缘性的学科，涵盖面广，涉及的领域多，可将多门学科的知识紧密结合，融会贯通，形成一门全新的设计方法。考虑到实用性等问题，机械可靠性的设计方法更接近传统设计模式，这种方法的运用能明显地提高机械运行的经济效益，对于我国机械设备的质量提高具有重要作用。

2 国内外机械可靠性设计发展

2.1 国内发展现状

我国对可靠性理论的研究开始于上个世纪60年代，但是多数精力放在对电子产品的可靠性研究方面，对于机械可靠性研究起步较晚直到80年代才开始发展。机械可靠性在我国开始发展以后，相继成立了多个可靠性研究协会，制定了相关标准与制度，并取得一定的成绩。

我国研究机械可靠性的相关人员先后提出了一些观点，如赵国藩等建立了广义随机空间的概念，分析随机变量相关性的结构可靠度，扩大了现有可靠度计算方法的适用范围，还研究了使用原始空间来分析可靠性，由于这种方法自身的特点，适用于随机变量的概率分布函数不存在显式时可靠度的计算。此后又同李云贵提出了4阶矩法来计算可靠度，这种算法的提出提高了可靠度计算的精确度。

总体而言，可靠度的设计理论多，但是实际运用少，部分研究成果运用的实际效果不佳，与外国取得的成果投入使用水平有较大差距。由于我国机械设计技术本身与外国存在差距，造成了目前我国可靠性研究滞后的现状。

2.2 国外发展现状

美国是可靠性研究起步较早的国家之一，其对机械可靠性的研究也处于领先地位。美国亚利桑那大学教授对机械零件可靠性概率设计方法有深入研究，并对机械故障的设计、监测、故障进行研究，对于美国的可靠性数据收集和分析做出了巨大贡献，并通过总结研究成果，编制可靠性设计手册。这些手册和指南的编订对于其国家研究可靠性设计方案发挥了巨大作用。

日本可靠性设计研究的体系引自美国，但是由于后来日本对可靠性的深入研究，形成了一套与美国完全不同的可靠性研究体系。日本对于机械可靠性的研究重视实际用途，通过现有技术，分析相关理论，并通过不断的实地实验，对存在的问题进行分析与改进，不断地改进可靠性研究设计方案，使得可靠性的实用性得到很大的提升。在工程应用方面，重视可靠性试验与故障诊断等，并善于从失效产品中总结经验。

前苏联的可靠性理论吸取了美国的部分优点，虽然不及美国可靠性理论体系详细，却也弥补了美国的不足之处，加上前苏联对于可靠性研究的重视，其可靠性在当时就得到突飞猛进的发展。前苏联重视机械产品可靠性和寿命，将其作为科技发展规划的重点之一，并了一系列国家可靠性标准。相关人员认为可靠性技术的主要内容是预测，并在预y规定的条件下使用产品，其可靠性研究的方向主要有两个，一是靠数学统计和方法和使用信息的统计技术进行处理技术，还要保证复杂系统的可靠性技术；二是适用于机械制造行业，使用多方面的设计技术，以此保证可靠性的工艺发展。

英国对于可靠性的研究，成立了可靠性研究小组，并总结汇编了可靠性指南，从失效模式、使用环境、实验难度等多个方面说明了可靠性应用的重点，提出可靠性评估方法。其重视可靠性试验的数据收集，通过欧洲委员会的支持，成立了欧洲可靠性数据库协会，其数据丰富，协作网遍及欧洲各国。

3 机械可靠性设计的一般流程

众所周知，可靠性是衡量产品质量的指标，随着人们对于产品质量的要求越来越高，我国对于可靠性研究越来越重视。近年来，机械可靠性受到工程技术人员的重视。实践证明，机械可靠性存在于设计、制造和使用三个阶段。设计水平决定了产品的可靠性水平，制造和使用是体现产品的可靠性。可靠性设计的流程为：先要进行产品定义，分析收集相似产品的相关技术，拟定载荷谱以及载荷条件，明确维修方案及维修、保障要求等，可靠性定量要求，初步设计，详细设计，产品耐久性预计，设计综合检查，设计结果输出。

可靠性设计的各个环节环环相扣，任何一个环节出现问题都会影响机械可靠性。只有环环紧扣，才能保证设计出的产品的可靠性。

4 结束语

目前，我国的可靠性设计技术已经越来越受到各行各业的广泛关注，机械可靠性设计技术也在不断更新换代。从整体来看，目前我国机械可靠性研究还不成熟，投入实际应用的作用不大，与外国发达国家差异明显。另一方面，可靠性能使机械产品的性能与预测更接近，提高安全性与经济性，希望通过作者在文中的讨论，读者们能对目前我国机械可靠性的不足与优点有所认识，也期待我国机械可靠性技术能有更大的发展。

参考文献

[1]闻邦椿，张义民，鄂中凯，等.机械设计手册[M].第5版.北京：机械工业出版社，2010.