系统可靠性基本知识.

《系统可靠性基本知识.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《系统可靠性基本知识.（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、可靠性设计 I.可靠性的基本知识 高嵩 *1可靠性设计 可靠性的基本概念 可靠性的参数体系 提高系统可靠性的途径 系统可靠性设计的内容 本章内容 Date2可靠性设计 1.可靠性的基本概念 *3可靠性设计 可靠性定义 可靠性 产品在规定条件下和规 定时间内，完成规定功能的能力。 产品可靠性定义的要素 是三个“规定” 。 “规定条件”包括 使用时的环境条件和工作条件。 “规定时间”是指 产品规定了的任务时间。 “规定功能”是指 产品规定了的必须具备的功能及其技 术指标。 Date4可靠性设计 故障及其分类 产品或产品的一部分不能或将 不能完成预定功能的事件或状态， 称之为故障（即产品丧失了规定的

2、 功能） 。 对于不可修产品（如电 子元器件）：失效。 故障的表现形式，叫 做故障模式。 引起故障的物理化学 变化等内在原因，称故障机理。 Date5可靠性设计 故障及其分类 产品的故障按其故障规律分为 两大类： 偶然故障 渐变故障 产品的故障按其故障后果分为 两大类： 致命性故障 非致命性故障 产品的故障按其统计特性分为 两大类： 独立故障 从属故障 Date6可靠性设计 寿命剖面 寿命剖面 产品从制造到寿命终结或退 出使用这段时间内所经历的全部事件和环 境的时序描述。它包含一个或多个任务剖 面。 通常把产品的寿命剖面分为 后勤和使用两个阶段。 Date7可靠性设计 寿命剖面示例 事件 （使

3、用 方法） 生 产 验 收 装卸和 公路运 输 装卸和 铁路运 输 装卸 和空 运 装卸和 船运 装卸和后勤 支援运输 （最坏路线） 有遮蔽存贮 ，帐篷，圆 屋顶 无遮蔽 存储 工作准 备阶段 发射 阶段 调整 状态 导弹处 于战斗 位置 发射后第 一个动作 飞行阶段 命中 目标 生产 阶段 后 勤 阶 段 运 输储存/后勤阶段 使用阶段 准备阶段任务阶段 发射段 惯性飞行段 下降段 主 动 段 某导弹的寿命剖面 Date8可靠性设计 任务剖面 产品在完成规定任务这段时间 内所经历的事件和环境的时序描述 。任务剖面一般应包括： 产品的工作状态； 维修方案； 产品工作的时间与顺序 ； 产品所处的

4、环境(外加的 与诱发的)的时间与顺序； 任务成功或致命故障的 定义。 Date9可靠性设计 任务剖面示例 Date10可靠性设计 可靠度 产品在规定的条件下和 规定的时间内，完成规定功能的概 率称为可靠度。依定义可知，系统 的可靠度是时间的函数，表示为： 式中，R(t)可 靠度函数； 产产生 故障前的工作时间时间 ； t 规 定的时间 可靠性的度量可靠度 Date11可靠性设计 可靠度函数 依定义可知，可靠度函 数R(t)为： 式中， N0 t = 0时 ，在规定条件下进行工作的产品数； r(t) 在0到 t 时刻的工作时间内，产品的累计故障 数。 Date12可靠性设计 累积故障分布函数 产

5、品在规定的条件下和规定的 时间内，丧失规定功能的概率称为 累积故障概率（又叫不可靠度）。 依定义可知，产品的累 积故障概率是时间的函数，即 显然，以下关系成立： Date13可靠性设计 可靠度函数与累积故障分布函数的性质 对偶性 非减函数 非增函数 单调性 0，1 0，1 取值范围 R(t)与F(t)的性质如下表所示： Date14可靠性设计 可靠度函数与累积故障分布函数的性质 由密度函数的性质1)( 0 = dttf可知： =-=-= t t dttfdttftFtR)()(1)(1)( 0 因此， R(t)、F(t) 与 f(t) 之间的关系如图所示。 、 Date15可靠性设计 故障率函

6、数 故障率 工作到某时刻尚未发生 故障的产品，在该时刻后单位时间 内发生故障的概率，称之为产品的 故障率。 用数学符号表示为： 式中， (t) 故障率； dr(t) t 时刻后， dt 时间内故障的产品数； Ns(t) 残存产品 数，即到t 时刻尚未故障的产品数。 Date16可靠性设计 故障率函数 可按下式进行工程计算 ： 式中，r(t) t 时刻后， t 时间内故障的产品数； t 所取时间 间隔； Ns(t) 残存产品 数。 对于低故障率的元部件 常以 10-9/h 为故障率的单位，称之 为菲特（Fit）。 Date17可靠性设计 问题 故障率是概率值么？ 故障率有量纲么？ 故障率和累积故

7、障密度之间有 什么关系？ Date18可靠性设计 故障率实例 例 右 表 为 某 产 品 10 万 个 在 18 年 内 的 故 障 数 据 ， 试 计 算 这 批 产 品 1 年 、 2 年 的 故 障 率 。 t（年）r(t) 1000个r(t) 1000个(t)(%/年) 00 101 211 321 431 543 676 71310 82314 93715 17991 18100/ 0 1.00 1.01 1.02 1.03 3.12 6.45 11.49 18.18 23.81 100.0 / Date19可靠性设计 人类健康的曲线 图 人类典型的健康曲线 t (t) 为革命健康工

8、作五十年 年幼体弱 年富力强年老体衰 AB Date20可靠性设计 产品故障浴盆曲线 浴盆曲线 大多数产品的故障率随时间 的变化曲线形似浴盆，称之为浴盆曲线。 由于产品故障机理的不同，产品的故障率 随时间的变化大致可以分为三个阶段： 产品典型的故障率曲线 t 使用寿命 早期 故障 偶然故障耗损故障 AB 规定的 故障率 维修后故障率下降 (t) Date21可靠性设计 对故障发生规律认识的变化 Date22可靠性设计 故障发生规律的六种模式 六种模式所占的比率 （美国联合航空公司统计） Date23可靠性设计 我国的情况 ? 我国海军、装甲兵、通讯装备 的一些统计资料都证明了许多产品 都没有明

9、显的耗损故障区的结论。 Date24可靠性设计 故障率与可靠度、故障密度函数的关系 Date25可靠性设计 故障率与可靠度、故障密度函数的关系 （系统）产品典型的故障率、可靠度和故障密度函数曲线 t (t) 早期 故障 偶然故障耗损故障 f(t) R(t) Date26可靠性设计 平均故障前时间（MTTF） 设N0个不可修复的产品在同样条件 下进行试验，测得其全部故障时间为t1,t2, tN0。其平均故障前时间（用符号TTF表示 ）为： 当N0趋向无穷时，TTF为产品故障时间 这一随机变量的数学期望，因此， 当产品的寿命服从指数分布时， Date27可靠性设计 平均故障间隔时间（MTBF） 一

10、个可修系统在使用过程中发生 了N0 次故障，每次故障修复后又重新投 入使用，测得其每次 工作持续时间为 t1,t2,tN0 。其平均故障间隔时间为 式中，T 产品总的工作 时间。 显然，系统的平均故障间隔时间 与系统的维修效果有关。 Date28可靠性设计 平均故障间隔时间（MTBF） 产品典型的修复状态有基本修 复和完全修复两种。 基本修复与完全修复 t )(t 基本修复 完全修复 t1 0 1 产品修复后瞬间的故 障率与故障前瞬间的 故障率相同 产品修复后瞬间的故 障率与新产品刚投入 使用时的故障率相同 Date29可靠性设计 问题 某微型计算机的MTBF=10000小 时，是否意味着该计

11、算机每工作10000 小时才出一次故障？ 有一计算机系统的MTBF为2000h ，试求失效（故障）率和可靠性。 越小、MTBF越长的机器 就是好机器。可靠性已经成为衡量系统 或产品（计算机）性能的主要指标之一 ，并且通常用MTBF或MTTF来直接表示 其可靠性的大小。 Date30可靠性设计 寿命特征 可靠寿命:指给定的可靠度所对应 的产品工作时间。 使用寿命:指产品在规定的使用条 件下，具有可接受的故障率的工作时间 区间。 可靠寿命使用寿命 (t) * t t )(tR * R t r t Date31可靠性设计 寿命特征 首次翻修期限（首翻期）:指在规定条 件下，产品从开始使用到首次翻修的

12、工作时 间和（或）日历持续时间。翻修是指把产品 分解成零部件，清洗、检查，并通过修复或 替换故障零部件，恢复产品寿命,等于或接 近其首翻期的修理。 翻修间隔期限:指在规定条件下，产品 两次相继翻修间的工作时间、循环次数和（ 或）日历持续时间。 总寿命:指在规定条件下，产品从开始 使用到规定报废的工作时间、循环次数和（ 或）日历持续时间。 贮存期限:在规定条件下，产品能够贮 存的日历持续时间，在此时间内，产品启封 使用能满足规定要求。 Date32可靠性设计 首翻期、翻修间隔期和使用寿命 (t) t 首次翻修期 规定的 故障率 AB (=1/MTBF) 翻修间隔期 使用寿命 Date33可靠性设

13、计 寿命分布 寿命分布（或故障分布、失效分布） 是可靠性工程应用和可靠性研究的基础。寿 命分布的类型各种各样，某一类分布适用于 具有共同故障机理的某类产品，它与装备的 故障机理、故障模式以及施加的应力类型有 关。 寿命分布是将工程问题抽象简化后， 在理论上对其特性进行深入研究。产品的寿 命分布是产品故障规律的具体体现；分析寿 命分布的过程，实际上是从可靠性角度对产 品进行分类的过程，达到在理论上对可靠性 研究的深化，在工程上对可靠性的分析、试 验、验证、评估等的定量化。 Date34可靠性设计 寿命分布 确定产品的寿命分布类型有重要意义， 但要判断其属于哪种分布类型仍很困难。目前 常用方法有两

14、种，一种是通过失效物理分析来 证实该产品的故障模式或失效机理近似地符合 于某种类型分布的物理背景。另一种方法是通 过可靠性试验，利用数理统计中的判断方法来 确定其分布。 Date35可靠性设计 离散型随机变量的常见分布 二项分布（XB(n,p)） 二项分布又称为柏努利分布 。以X表示在n重独立试验中事件A发生的 次数，则X是一个随机变量，它的可能取值 为0,1,2,k,n,共（n+1种），这时X服 从的概率分布称为二项分布。 数学期望、方差、可靠度分 别为 Date36可靠性设计 离散型随机变量的常见分布 二项分布（XB(n,p)） 二项分布的用途很广泛。 如在可靠性设计中，可用来解决冗余 部

15、件的可靠度分配问题。如果要使系 统中的全部元件工作正常时系统工作 才正常，则二项式展开式的第一项便 是系统成功的概率，这种情况实际上 没有冗余度；如果系统中全部元件都 正常或只容许有一个元件失效的系统 ，则系统成功的概率为二项式展开式 的前两项之和；如果容许两个元件失 效，则前三项之和便为系统成功的概 率。一般说来，若容许k个元件失效 ，则系统成功的概率便为前k+1项之 和。 Date37可靠性设计 离散型随机变量的常见分布 泊松分布 二项分布在抽样数n很大而p 较小时，可趋近于泊松分布，即 称概率分布 为泊松分布。 其数学期望、方差、可靠度 为 Date38可靠性设计 连续型随机变量的常见分布 正态分布（XN(,2)） 正态分布即高斯分布，是 电子产品可靠性计算中常用的系统寿命 分布类型。其失效率函数可以描述浴盆 曲线中耗损失效区的失效率随时间的变 化情况。 若随机变量X 的分布函数 为 则称X服从正态分布。 Date39可靠性设计 连续型随机变量的常见分布 正态分布（XN(,2)） Date4