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1、1可靠性工程基础2014年秋季24人机系统的可靠性6可靠性应用1可靠性概论2系统可靠性模型3可靠性预测与分配5系统可靠性实效分析可靠性工程基础33.1可靠性设计3.2可靠性预测3.3可靠性分配3可靠性预测与分配一、产品寿命周期n产品的全寿命周期包括设计、研制、开发、试验和评价、生产、使用、维护、报废等阶段。n产品寿命周期各阶段都将影响产品的可靠性水平，产品的可靠性本质上取决于设计和研制阶段，而可靠性设计奠定了产品可靠性的基础。43.1可靠性设计二、可靠性设计的重要性表3-1各种因素对产品可靠性的影响5影响因素影响程度%可靠性固有可靠性零、部件材料30设计设计技术术40制造技术术10使用可靠性使
2、用（运输输、操作安装、维维修、环环境等）203.1可靠性设计三、可靠性设计的目的和任务n可靠性设计的目的:是使系统在满足规定的可靠性指标前提下，产品的技术性能、重量指标、费用及使用寿命等取得协调并达到最优化的结果，或在性能、重量、费用、使用寿命和其他要求的约束条件下，通过采用相应的技术，设计出可靠性符合要求的产品。63.1可靠性设计可靠性设计的任务：就是实现产品可靠性设计的目的，预测和预防产品所有可能发生的各种故障。通过各种手段辨识产品潜在的隐患和薄弱环节，通过预防性设计和更改设计，有效地消除产品中的隐患及薄弱环节，从而使产品可靠性符合规定的要求。73.1可靠性设计可靠性设计任务一般有两种情况
3、：一种是按照给定的目标要求进行设计，通常用于新产品的研制和开发；另一种是对现有定型产品的隐患和薄弱环节，应用可靠性的设计方法加以改进、提高，达到使产品可靠性增长的目的。83.1可靠性设计四、可靠性设计的基本原则（1）进行可靠性设计前，应明确可靠性指标和可靠性评估方案。（2）可靠性设计必须贯穿于产品功能设计的各个环节，在满足产品基本功能的同时，应全面考虑影响可靠性的各种因素。例如温度对电子元器件可靠性的影响。93.1可靠性设计（3）应针对故障模式进行设计，最大限度地消除或控制产品在寿命周期内可能出现的故障模式。（4）在设计时，应在继承以往成功经验的基础上，积极采用先进的设计原理和可靠性设计技术。
4、但在采用新技术、新工艺、新材料或新型元器件之前，必须经过严格的试验，并严格论证各方面因素对可靠性产生的影响。103.1可靠性设计（5）在进行产品可靠性设计时，应对产品的性能、可靠性、费用、时间等各方面因素进行综合权衡，以做出最优的设计方案。113.1可靠性设计五、可靠性设计方法1.预防故障设计法由经验积累产生的一种机械可靠性设计方法。2.简化设计在产品设计过程中，满足产品预定功能的情况下，力求使设计简单，尽量减少零部件、元器件等的规格、品种和数量。123.1可靠性设计13例6-1如有数字逻辑电路见图所示，将其简化成功能相同的数字逻辑电路。解：(1)使用布尔代数简化图：3.1可靠性设计14因此可
5、简化成下图。则大大提高了其可靠度。图简化数字逻辑线路3.1可靠性设计3.余度设计余度设计也称为冗余设计。它是以功能的重复结构确保局部发生故障时，整机或系统仍不丧失规定功能的设计方法。例如一般民航飞机采用双发动机系统。4.降额设计和安全裕度设计降额设计是为了改进零部件可靠性，使其使用应力低于其额定应力，从而降低产品工作故障率的设计方法。153.1可靠性设计以电子元器件为例。降额就是使元器件在低于其额定值的应力条件下工作。针对电子产品，降额主要是指电子元器件使用时，实际的温升、机械应力、功率等应低于器件的额定值。具体的降额标准，应参考相应行业标准或国家标准，是分降额等级的。163.1可靠性设计17
6、3.1可靠性设计TS：应力降额点TA：周围温度ABC折线为降额开始的基准线。Tmax：应力最大值TC：管壳温度5.耐环境设计法当产品在冲击、振动、潮湿、高低温、盐雾、霉菌、核辐射等恶劣环境下工作、安装、维修、贮存和运输时，其中部分单元难以承受这种环境应力的影响而产生故障。因此，需要采取环境防护设计降低产品对环境的敏感性以提高其可靠性。183.1可靠性设计6.人机工程设计法7.容错设计能自动实时监测并诊断出系统故障，然后采取对故障的控制后处理的策略。8.安全保护设计193.1可靠性设计六、可靠性设计内容1.建立可靠性模型，进行可靠性指标的预计和分配以及选择和控制部件指标，确定可靠性关键部件等。2
7、.进行各种可靠性分析。例如失效模式、后果与严重度分析；故障树分析；热分析和容差分析等。3.采取各种有效的可靠性设计方法。203.1可靠性设计七、可靠性设计程序21明确可靠性要求掌握产品使用要求确定可靠性目标可靠性特征量明确设计条件初步设计技术设计可靠性预计（评价性）可靠性设计完成收集数据信息基础可靠性预计、分配、各种可靠性设计方法可靠性试验、各种可靠性预计、可靠性分析（FMEA、FTA）、设计评审各种可靠性设计方法反馈3.1可靠性设计223.1可靠性设计3.2可靠性预测3.3可靠性分配3可靠性预测与分配可靠性预测的目的：（1）评估产品可靠性，审查其是否能达到要求的可靠性指标。（2）在确定任务和
8、方案论证阶段，可靠性预计是论证使用方案所提出的可靠性指标是否合理、是否可以实现的重要手段。也是择优选定满足可靠性要求的总体设计方案的依据。233.2可靠性预测（3）通过可靠性预计，发现影响产品可靠性的主要因素，找出工程设计中的薄弱环节及存在的问题，及时采取有效的改进措施，提高产品可靠性。（4）为可靠性增长试验、验证及费用核算等的研究提供依据。（5）可靠性预计是可靠性分配的基础，避免可靠性设计的盲目性。243.2可靠性预测可靠性预测的一般程序：（1）明确系统定义，包括功能、任务和系统的组成及其接口.（2）明确系统的故障判据。（3）明确系统的工作条件。（4）绘制可靠性框图，可靠性框图需绘制到产品最
9、低一级功能层。253.2可靠性预测（5）建立系统可靠性数学模型。（6）预计各单元的可靠性。（7）根据系统可靠性数学模型预计系统的基本可靠性或任务可靠性。（8）可靠性预计结果为可靠性分配提供依据。当实际系统有变动时，进行可靠性再预计。263.2可靠性预测可靠性预计方法：元器件计数预计法应力分析法故障率预计法评分预计法上下限预计法273.2可靠性预测1.元器件计数预计法28产品所有通用元器件的种类及数量；元器件的质量等级；产品的环境。（1）需要预先采集的信息3.2可靠性预测29(2)基本数学公式（31）式中：第i种通用元器件的通用失效率；第i种通用元器件的质量系数；第i种通用元器件数量；不同的通用
10、元器件种类数。3.2可靠性预测30因为只有通用元器件才能在有关手册中查到它的和，可见这种估算方法是预测其可靠性最好情况。为什么只统计通用元器件？3.2可靠性预测31(3)示例：某一电子设备，用五类元件，元件情况如下表所示，请预测该设备工作50小时的可靠性。环境类别为地面良好，查表得各类元件的质量系数，=1种类ABCDE数量11620030050通用失效率510-6h2010-6h1.510-6h110-6h10010-6h3.2可靠性预测32求：该设备的可靠性解：式（31）种类ABCDE数量11620030050通用失效率510-6h2010-6h1.510-6h110-6h10010-6h3
11、.2可靠性预测33即预测该设备在工作50小时的时候可靠概率为:3.2可靠性预测2.应力分析法u用于产品详细设计阶段的电子元器件故障率预计。u对某种电子元器件在实验室的标准应力与环境条件下，通过大量的试验，并对其结果统计而得出该种元器件的“基本故障率”。343.2可靠性预测如分立半导体工作失效率计算模型（GJBZ299C）元器件工作故障率元器件基本故障率环境系数质量系数额定电流系数应用系数配置系数电压应力系数3.2可靠性预测3.故障率预计法u主要用于非电子产品的可靠性预计，其原理与电子元器件的应力分析法基本相似，都是对基本故障率的修正，以获得产品的实际故障率。u于非电子产品可考虑降额因子D和环境
12、因子K对失效率的影响。363.2可靠性预测非电子产品的工作失效率为：工作故障率（h-1）基本故障率（h-1）KD取值由工程经验确定其中，环境因子K可参考电子设备可靠性预计手册中所列的各种环境系数。3.2可靠性预测例：用故障率法预计某系统各单元可靠性。系统单元组成及故障率数据见下表所示。（1）根据相关统计资料获得单元基本故障率见下表。（2）根据系统的使用环境确定各单元的环境因子Ki。（3）根据各单元的实际应力情况，确定降额因子Di。（4）计算得各单元工作故障率，见下表。单单元名称KiDi基本故障率10-6h工作故障率10-6h液压压油箱1.51.034.051.0节节流阀阀1.50.910.01
13、3.5泵泵2.00.71070.01500.0快卸接头头1.51.080.0120.03.2可靠性预测4.评分预计法在可靠性数据非常缺乏的情况下（可以得到个别产品可靠性数据），通过有经验的设计人员或专家对影响可靠性的几种因素评分，对评分进行综合分析而获得各单元产品之间的可靠性相对比值，再以某一个已知可靠性数据的产品为基准，预计其他产品的可靠性。393.2可靠性预测评分原则如下：1）复杂程度它是根据组成系统的单元元部件数量以及它们组装的难易程度来评定，最简单的评为1分，最复杂的为10分。2）技术水平根据单元目前的技术水平的成熟程度来评定，水平最高的给1分，水平最低的给10分。403.2可靠性预测
14、3）工作时间根据单元工作的时间来评定。应用此方法预计是以系统工作时间为基准的，如果单元工作时间和系统工作时间相同，评为10分，而工作时间最短的评为1分。此处需要注意的是如果系统中所有单元故障率以单元自身工作时间为基准，则不考虑此因素。4）环境条件根据单元所处的环境来评定，如果单元在极其恶劣和严酷的环境条件工作则评为10分，环境条件最好的评为1分。413.2可靠性预测计算步骤：1）设计人员及专家打分后，求。42式中rij第i个单元，第j个因素的评分数；j=1复杂度；j=2技术水平；j=3工作时间；j=4环境条件。第i个单元评分数。3.2可靠性预测2）求评分系数Ci43Ci=i式中i第i个单元评分
15、数；故障率为的单元的评分数。3.2可靠性预测3）求单元故障率44待求的某单元的故障率（h-1）。已知的某单元的故障率（h-1）。3.2可靠性预测某飞行器由动力装置、武器等六个分系统组成。已知制导装置故障率284.510-6h，试用评分法求得其它分系统的故障率。序号单单元名称复杂杂度技术术水平工作时间时间环环境条件各单单元评评分数各单单元评评分系数单单元的故障率10-61动动力装置56557500.385.42武器761028400.33695.63制导导装置10105525001.0284.54飞飞行控制装置885722400.896254.95机体421086400.25672.86辅辅助动
16、动力装置65557500.385.43.2可靠性预测465、上下限法-（1）基本思路：对研究系统分别逐步做一些假设简化分别计算出各步（上限m步和下限n步）的简化系统的可靠性上、下限可靠性数值上下限法图解3.2可靠性预测47（2）数学公式设有一系统由个串联单元和个非串联单元组成。其系统可靠性RS计算公式见式(3-11)。（n=1，2，3nk2）（311）（m=1，2，3mk2-1）3.2可靠性预测48：第m次假设简化后计算的系统可靠性上限。（35）第一次假设简化后计算的可靠性上限值，系统可靠性保险不能超过的值，但又1是何值？上式为系统串联单元可靠性计算式，（非串联单元认为可靠性为1）。(1)3.2可靠性预测系统串联单元可靠性确定的情况下，在实际系统中非串联单元中任何2个单元同时失效引起系统失效的概率，（注意此时其他非串联单元可靠度仍均为1），设该种组合有种。(2)计算式为：3.2可靠性预测50系统串联单元可靠性确定
