的试验研究。当机械零部件的载荷应力以及承受这些应力的具体零部件的强度在某一范围内呈不 确定分布时，可以采用提高平均强度（如通过大加安全系数实现）、降低平均应力，减少应力变化（如通过对使用条件的限制实现）和减少强度变化（如合理选择工艺方法，严格控制整个加工过程，或通过检验或试验剔除不合格的零件）等方法来提高可靠性。对于涉及安全的重要零部件，还可以采用极限设计方法，以保证其在最恶劣的极限状态下也不会发生故障。
（4 ）余度设计
余度设计是对完成规定功能设置重复的结构、备件等，以备局部发生失效时，整机或系统仍不致于发生丧失规定功能的设计。当某部分可靠性要求很高，但目前的技术水平很难满足，比如采用降额设计、简化设计等可靠性设计方案，还不能达到可靠性要求，或者提高零部件可靠性的改进费用比重复配置还高时，余度技术可能成为唯一或较好的一种设计方法，例如采用双泵或双发动机配置的机械系统，但应该注意，余度设计往往使整机的体积、重量、费用均相应增加。余度设计提高了机械系统的任务可靠度，但基本可靠性相应降低了，因此采用余度设计时要慎重。
（5）耐环境设计
耐环境设计是在设计时就考虑产品在整个寿命周期内可能遇到的各种环境影响，例如装配、运输时的冲击，振动影响，贮存时的温度、湿度、霉菌等影响，使用时的气候、沙尘振动等影响。因此，必须慎重选择设计方案，采取必要的保护措施，减少或消除有害环境的影响。具体地讲，可以从认识环境、控制环境和适应环境三方面加以考虑。认识环境指的是：不应只注意产品的工作环境和维修环境，还应了解产品的安装、贮存、运输的环境。在设计和试验过程中必须同时考虑单一环境和组合环境两种环境条件不应只关心产品所处的自然环境，还要考虑使用过程所诱发出的环境。控制环境指的是：在条件允许时，应在小范围内为所设计的零部件创造一个良好的工作环境条件，或人为地改变对产品可靠性不利的环境因素。适应环境指的是：在无法对所有环境条件进行人为控制时，在设计方案、材料选择、表面处理、涂层防护等方面采取措施，以提高机械零部件本身耐环境的能力。
（6）人机工程设计
人机工程设计的目的是为减少使用中人的差错，发挥人和机器各自的特点以提高机械产品的可靠性。当然，人为差错除了人自身的原因外，操纵台、控制及操纵环境等也与人的误操作有密切的关系。因此，人机工程设计是要保证系统向人传达的住处的可靠性。例如，指示系统不仅显示器靠，而且显示的方式、显示器的配置等都使人易于无误地接受；二是控制、
操纵系统可靠，不仅仪器及机械有满意的精度，而且适于人的使用习惯，便于识别操作，不易出错，与安全有关的，更应有防误操作设计；三是设计的操作环境尽量适合于人的工作需要，减少引起疲劳、干扰操作的因素，如温度、湿度、气压、光线、色彩、噪声、振动、沙尘、空间等。
（7 ）健壮性设计
健壮性设计最有代表性的方法是日本田口玄一博士创立的田口方法，即所谓的一个产品的设计应由系统设计、参数设计和容差设计的三次设计来完成，这是一种在设计过程中充分考虚影响其可靠性的内外干扰而进行的一种优化设计。这种方法已被美国空军制定的 RM2000 年中作为一种抗变异设计以及提高可靠性的有效方法。
（8）概率设计法
概率设计法是以应力—强度干涉理论著基础的，应力—强度干涉理论将应力和强度作为服从一定分布的随机变量处理。
（9）权衡设计
权衡设计是指在可靠性、维修性、安全性、功能重量、体积、成本等之间进行综合权衡，以求得最佳的结果。
（10） 模拟方法设计
随着计算机技术的发展，模拟方法日趋完善，它不但可用于机械零件的可靠性定量设计，也可用于系统级的可靠性定量设计。当然，机械可靠性设计的方法绝不能离开传统的机械设计和其它的一些优化设计方法，如机械计算机辅助设计、有限元分析等。
4.自学小结
近 30 年来，在机械设计领域中，出现了不少现代设计方法及相应的科学，现在可靠性设计和优化设计在理论上和方法上都达到了一定的水平，但是无论单方面进行可靠性设计还是优化设计，都不可能发挥可靠性设计与优化设计的巨大潜力。一方面是因为可靠性设计有时并不等于优化设计，例如机械产品在经过可靠性设计后，并不能保证它的工作性能或参数就一定处于最佳状态；另一方面是因为优化设计并不一定包含可靠性设计，例如机械产品在没有考虑可靠性的状态下进行优化设计后，并不能保证它在规定的条件下和规定的时间内，完成规定的功能，甚至发生故障和事故，造成损失。另外，由于机械产品有众多的设计参数，要同时确定多个设计参数，单纯的可靠性设计方法就显得无能为力了。所以应该进行可靠性
优化设计的研究。可见要使机械产品既保证具有可靠性要求，又保证具有最佳的工作性能和参数，必须将可靠性设计和优化设计有机地结合起来， 开展可靠性优化设计研究，给出机械产品靠性优化设计方法，只有这样才能发挥可靠性设计与优化设计的巨大潜力，才能发挥两种设计方法的特长，才能达到产品的最佳可靠性要求，使其具有更先进、更实用的设计特点，以便最好地达到预先确定的目标，即在设计中既保证的机械产品的经济效益又保证运行中的安全可靠。
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，土木建筑等。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，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。
四.系统动态设计 1. 系统动态设计概述
动态设计是相对静态设计而言的。在结构设计领域，静态设计认为结构是相对“不动的”，它承受的载荷和周围介质的状态参数（如温度、压力、流速、电磁场）等也是“不变的”，只对其静态性能进行分析、评价与设计。动态设计与静态设计的本质区别在于：变“不动”为“运动”，变“不变”为“变化”，动态设计是对结构动态特性，如固有频率、振型、动力响应和运动稳定性等进行分析、评价与设计，谋求结构系统在工作过程中，受到各种预期可能的瞬变载荷及环境作用时，仍然保持良好的动态性能与工作状态。
在机械工业领域，系统动态设计的技术内涵主要体现在：建立可靠的数学模型，借助电
子计算机技术，采用先进的科学计算方法，以实验数据为依托，全面分析研究机械结构系统在预期可能的各种载荷与周围介质作用下，力与运动、结构变形、内部应力以及稳定性之间的关系；据此调整结构参数，确保机械结构系统在实际工作运行中，具备优良的动态性能、足够的稳定裕度、良好的工作状态。
系统动态设计技术是机械产品现代设计的最重要的内容之一，是结构设计的核心与关键，是技术的重要技术支撑和组成部分，是提高产品动态性能（如振动、噪声、舒适性、稳定性等）和工作性能（如生产效率、工作质量等）以及运行可靠性和寿命的根本保障。
产品的动态性能优劣直接影响到产品质量，而系统动态设计的主要任务就是解决产品的动态性能问题。然而，由于动态设计要考虑机械设备系统在实际工作状态下承受的各种复杂可变载荷和环境因素的作用，设计出的机械结构不仅要完成指定的功能、结构要经济合理，而且其动态性能和动强度均要满足规定的要求，其使用寿命要达到规定的期限。显然，动态设计要比静态设计复杂得多，困难得多。正因为如此，系统动态设计技术在有些方面至今尚未有很好突破。
目前，一些先进工业国家在产品设计中已普遍采用动态设计技术，在设计阶段已能对产品结构的动力学性能和使用寿命进行预估，给出可靠性指标，研制了先进的动态分析与设计软件，积累了丰富的经验，建立了数据库，制定了动态设计准则和判据，并与CAD技术相结合，大大缩短了设计周期，从而使产品设计建立在先进动态设计技术的基础上 ，降低成本，提高质量和加速产品更新换代。
2.系统动态设计方法
1.传递函数分析法
传递函数是动态分析设计法研究的中心内容。因为利用传递函数不必求解微分方程就可研究初始条件为零的系统在输入信号作用下的动态过程，同时还可研究系统参数变化或结构参数变化对动态过程的影响，因而使分析和研究过程大为简化。另一方面，还可以把对系统性能的要求转化为对系统传递函数的要求，把系统的各种特性用数学模型有机地结合在一起，使综合设计易于实现。
2.模态分析法
为了求解大型多自由度复杂结构的动态特性，通常需要建立一个复杂的运动微分方程组。从数学观点讲，这样的方程组是完全可以求解的，但实际上由于运算过程相当繁冗，因而难
于应用，尤其是当方程组内部存在耦合时，运算工作更为繁重。应用传递函数进行系统或设备的动态特性分析虽然方便，但首先需要有相应的传递函数，而在许多情况下，求不出相应的传递函数。为了解决这样一些问题，可以采用模态分析法。
将一个多自由度振动系统的固有特性，用一系列所谓模态参量来表达，这些参量的关系就形成了系统的传递个自由度函数。一个的振具有动系统，将有一个阶的传递函数矩阵。用实验和其他数据处理（如有限元方法）手段找出该系统特有的模态参量或传递函数，并用以对系统的动态性能进行分析、预测、评价和优化，这种处理问题的方法就叫作模态分析法。 对一个多自由度系统，如果通过动态测量得到准确的传递函数曲线，则根据此曲线能
够识别系统的各阶模态参数。但是，由于试验的测量误差以及离散数据处理造成的误差，所得到的传递函数的曲线也包含了一定的偏差。在靠近曲线的峰值处和极值处，这种偏差可能更为严重，并对所识别的参数的准确性有直接的影响。因此，参数识别的最大问题在于如何找到最佳的或最接近真实的传递函数曲线。
3.模态综合法
前面所讲的动态分析方法是以对实际系统的试验和测试为基础，并采用适当的数学模型进行分析和计算，从而具有一定的科学依据和可靠性。但是，对一个大型的复杂系统，由于试验和计算的方法和手段的限制，用上述办法只能进行一些定性的分析和比较，而且没有把握。因而，在实际结构设计时仅能做一些粗略的、原则性的考虑，无法寻求出一个经济、合理并能满足预先给定要求的结构。
随着科学技术的发展，对系统动态分析的要求越来越高了，因而对分析计算提出了一些新问题：
（1）因为有些大型复杂系统是由许多子系统装配而成的，而各个子系统又是在不同的部门和不同的时间设计、生产的。这样，就给整个系统的计算分析和振动测试造成了很大的困难。这就要求我们寻求在分别对各个子系统或部件进行动态分析的基础上，就能计算出整个结构系统的动态特性的方法。
（2）由于大型复杂系统是由若干个子系统组成的，这就要求能够计算出各个子系统在整个系统的动态特性中所占的比重。或者，如果当整个系统的动态特性不能满足预期的要求时，则应知道如何修改某一个子系统，并且使其只用较少的计算量就能修改整个系统的计算。这样才能为系统设计的方案论证阶段和最优化设计阶段提供方便。
（3）对一些大型复杂结构，需要分析其动态特性和外界激励的响应。如果用一个很精细的有限元模型来描述它，那将使我们面临着下述一系列的问题：例如，方程的阶数很高，
