可靠性综合设计技术

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1、可靠性设计科技名词定义中文名称：可靠性设计英文名称：reliability design 定义 1：对系统和结构进行可靠性分析和预测，采用简化系统和结构、余度设计和可维修设计等措施以提高系统和结构可靠度的设计。所属学科：航空科技（一级学科）；飞行器结构及其设计与强度理论（二级学科）定义 2：为了满足产品的可靠性要求而进行的设计。所属学科：机械工程 （一级学科）； 可靠性 （二级学科）； 产品可靠性 （三级学科）保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法。包括对产品的可靠性进行预计、分配、技术设计、评定等工作。所谓可靠性，则是指产品在规定的时间内和给定的条件下，完成规定功能的能力。

2、它不但直接反映产品各组成部件的质量，而且还影响到整个产品质量性能的优劣。可靠性分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。可靠性的度量指标一般有可靠度、无故障率、失效率3 种。概述可靠性问题的研究是因处理电子产品不可靠问题于第二次世界大战期间发展起来的。可靠性设计用在机械方面的研究始于20 世纪 60 年代，首先应用于军事和航天等工业部门，随后逐渐扩展到民用工业。 对于一个复杂的产品来说，为了提高整体系统的性能，都是采用提高组 成产品的每个零部件的制造精度来达到；这样就使得产品的造价昂贵，有时 甚至难以实现（例如对于由几万甚至几十万个零部件组成的很复杂的产 品）。事实上可靠性设计所要解决的问题就是

3、如何从设计中入手来解决产品 的可靠性，以改善对各个零部件可靠度（表示可靠性的概率）的要求。可靠 度的分配是可靠性设计的核心。原则按重要程度分配可靠度。按复杂程度分配可靠度。按技术水平、任务情况等的综合指标分配可靠度。按相对故障率分配可靠度。 各部分有了明确的可靠性指标后，根据不同计算准则，进行零件的设计 计算。主要的计算方法为：根据载荷和强度的分布计算可靠度或所需尺寸； 根据载荷和寿命的分布计算可靠度或安全寿命；求出可靠度与安全系数间的 定量关系，沿用常规设计方法计算所需尺寸或验算安全系数。与可靠性设计 有关的载荷、强度、尺寸和寿命等数据都是随机变量，必须用概率统计方法 进行处理。辅助措施为了

4、使设计时能充分地预测 和预防故障，把更多的失效经验设计到产品中，因而必须邦助设计人员掌握充可靠性设计分的故障情报资料和设计依据。采取以下措施：（1）可靠性检查表，从可靠性观点出发，列出设计中应考虑的重点。设计时逐项检查。考虑预防的对策。（2）推行 FMEA ，FTA方法。 FMEA （失效模式影响分析）和FTA（故障树分析 ）是可靠性分析中的重要手段。FMEA 是从零部故障模式入手分析，评定它对整机或系统发生故障的影响程度，以此确定关键的零件和故障模式。FTA则是从整机或系统故障开始，逐步分析到基本零件的失效原因。这两种方法在国外被看作是设计图纸一样重要，作为设计的技术标准 资料，它收集总结了

5、该种产品所有可能预料到的故障模式和原因。设计者可以较直观地看到设计中存在的问题。（3）故障事例集。把过去技术上的失败和改进的事例作成手册，供设计者随进参考。通常用简图表示，将故障和改进作对比。对故障的原因、情况附有简单说明。这手册是各公司积累的技术财富，视同设计规范同等重要。（4）数据库。广泛有效地收集设计、制造中的失败和改进经验，试验和实际用的数据形成检索系统和可靠性设计数据库，使设计者能超越本单位充分利用别人实践过的经验。如电子产品已形成世界性可靠性信息交换网。 （5）设计、试验规范的不断充实、改善 。从使用实际得来的故障 教训要反馈到设计、试验方法的改进中，要将这些改进效果作为产品设计

6、规 范（包括材料选定，结构形式，许用应力，安全系数值）和试验标准的改进 依据，使它们成为设计技术的一部分。随着可靠性工作开展。必须加强设 计、试验规范的研究，命名如试验规范的制定要以实地使用条件分析为基 础，要调查出场的回收品和试验室加速试验 件作对比，计算强化系数。通过 失效分析反推，验证试验条件是否合适，从而不断改进试验方法和标准。因 而这些规范都是公司的财富，对外不轻易泄密。如日本小松 10 年中试验标 准增加三倍， 丰田 的试验标准有1500 项之多。也可见各公司对试验的重视 程度。1内容通过设计实现产品可靠性指标的方法。产品的可靠性是通过设计、生产和管理而实现的，而首先是产品的设计。

7、它决定着产品的固有可靠性。电子产品可靠性设计技术包括许多内容，主要有可靠性分配、可靠性预测、冗余技术、漂移设计、故障树分析和故障模式、效应和致命度分析、元件器件的优选和筛选、应力-强度分析、降负荷使用、热设计、潜在通路分析、电磁兼容和设计评审等。可靠性分配根据用户对系统或设备提出的可靠性指标，对分系统、整机等组成部分提出相应的可靠性指标，逐级向可靠性设计下，直到元件、器件、工艺、材料等的可靠性指标。可靠性分配是系统或设备的总体部门的一项可靠性设计任务。 对于有 L 个组成成分的系统, 最简单的情况是这些组成成分的可靠 性是互相独立的。若第i组成分不可靠 , 则系统就不可靠，系统可靠性为q q1

8、q2qL 若第i 组成分的不可靠性为Pi 1qi ，则系统的不可靠性为P1- q1-(1 P1)(1 P2)(1 PL) P1P2 PL。这是系统可靠性 分配的基本公式。可靠性分配本质上不是数学问题，而是人力、物力的统一 调度和运用的工程管理问题。因为不同整机、元件、器件的现实可靠性水平 是很不相同的，而把它们的可靠性提高到一定水平所需要的人力、物力和时 间往往差别很大，因而不能采取均匀提高的纯数学方案。在实际工作中，需 进行多个方案的协调、比较后才能决定。可靠性预测主要是根据电子元件、器件的故障和产品设计时所用的元件、器件数和使用条件，对产品的可靠性进行估计。最简单的情况是：产品由k种电子元

9、件、器件组成，第i种元件、器件的寿命为指数分布,故障率为i，用量为ni。任一元件和器件发生故障都会引起产品故障，故产品的故障率为n11n22nkk 这是在设计阶段根据元件、器件的故障率对产品故障率提出预测的基本公式。在实际使用时，还要增加一些修正和补充。元件、器件的故障率还会随环境和其他条件而发生变化。若实验室条件下的元件、器件的故障率，则在环境A 下的故障率为公式式中为元件、器件在环境A 下的环境因子。在恶劣环境下，环境因子值可能很大。例如，导弹发射环境下的环境因子可能达到20 80。用预测公式测得的值还需要乘上一个修正因子(1+)。对于比较成熟的设计，可取 10 左右；对不太成熟的设计 ,

10、可取 30 以上。预测的故障率与实际投入使用后的现场故障率有一些差异是正常的。事实上，在设计阶段可靠性预测主要是相对可靠性，而不是绝对可靠性。冗余技术当产品设计中发现某个组成部分的可靠性过低，影响产品的总可靠性指标时，便采取所谓冗余技术来提高这一部分的可靠性。有k个组成部分的产品，各组成部分的可靠性是互相独立的。若其中一个部分出故障，产品就出故障，则这些组成部分构成一个可靠性串联系统。若产品的第i部分的可靠性为qi,则产品的可靠性q=q1q2qk；若其中的一个部分不出故障,产品就能完成预定任务，则这些组成部分构成一个可靠性并联系统。这时，q1-(1-q1)(1-q2) (1 -qi)。如果k=

11、2 ，q1=q2=0.99 ，则组成可靠性并联系统后，q=0.9999 。即经可靠性并联后大大提高了可靠性。所谓“ 多数表决 ” 冗余技术 ,是只要k个组成部分中多数不出故障，产品就能完成预定任务。一般说来，很少使用整机作为冗余的组成部分，通常是对整机的薄弱环节进行冗余处理。漂移设计元件、器件的性能参数容许有一定的散布。其上限为上公差，下限为下公差。随着出厂时间的增加，性能参数产生漂移。温度和其他环境条件的变化也会造成参数漂移。只要元件、器件的漂移不超过公差的上、下限,就是合格的。电路的设计应该是 ,只要所用的元件、器件性能参数在规定的容许上、下限以内，电路的性能参数就应该是合格的，即使元件、

12、器件的参数值到了规定容许的上、下限的边缘，也应如此，这称为电路的漂移设计。在满足元件、器件规定容许的上、下限前提下，在理论分析上，元件、器件有一些最坏组合，使电路的性能参数产生最大的偏离。如果这些最坏组合产生的电路仍能满足要求，则电路就满足漂移设计要求，这也可以通过最坏组合的实际电路加以验证，称漂移试验。但是，最坏组合方法往往偏于过分保守。如果能知道元件、器件性能参数的概率分布，则可以分析出电路性能参数的概率分布，从而作漂移分析和漂移试验，这称为概率法。这往往比最坏组合法更符合实际情况。可靠性设计故障树分析故障树分析是美国贝尔实验室1961 年首创的一种系统分析方法。其优点是较易处理复杂系统，

13、容易发现可能导致系统出现故障的情况，有利于消除潜在故障。在设计阶段 ,它有助于发现系统的薄弱环节,是改进和提高设计可靠性的有力工具。故障树是一种树状的逻辑因果关系图，它利用一系列符号和逻辑门来描述各种事件之间的因果关系，使人们对这些关系一目了然。例如，基本事件的符号为 、结果事件的符号为嘑。逻辑门的输入事件为因，输出事件为果。以某房间照明系统为例，其原理和故障树如图。故障树的定量分析是根据基本事件出现的概率,计算出系统不希望发生的故障事件的出现概率,定量地计算出系统薄弱环节的不可靠性，找出对系统可靠性有关键作用的元件、部件，通常是从求最小割集着手。一个最小割集包括若干个基本事件。如果这些基本事

14、件都出现，系统就出故障。只要其中有一个不出现，割集中的其他基本事件都出现也不会使系统出故障。寻找所有最小割集的方法很多，但都未彻底解决工作量随基本事件数的增加而指数增大这一困难。一个系统的故障树是一本很好的故障维修指南。它能使维修人员迅速发现故障，进而迅速排除故障。故障模式、效应、致命度分析这种分析方法是将系统分成若干个组成部分。如果发生故障，分析它属于哪种故障模式（不必一定查清故障的确切原因）；分析各组成部分可能出现的故障模式对系统有什么影响；对各种故障模式的影响进行半定性半定量的评价，对那些具有致命性影响的故障模式制定适当的解决措施或改进设计方案。这种分析方法是由系统的基本故障事件上推到系

15、统故障，而傅里叶变换则是由系统故障下推到基本故障事件。两者结合起来，相辅相成，可以在设计阶段找出潜在的可靠性问题。元件、器件的可靠性可靠性质量保证体系的元件、器件的可靠性部门，通过调查研究制订出本部门的元件、器件优选目录，尽量压缩元件、器件的品种、规格和生产厂点。设计人员不得选用目录以外的元件、器件。如果设计人员认为必须选用目录外的元件、器件，则应经过元件、器件可靠性部门调查试验认为可用后，再正式补入目录，以备选用。元件、器件可靠性部门与生产厂保持密切的联系，监督元件、器件生产质量的一致性和稳定性。必要时，派出专人监督本部门定购批次的生产。不论对元件、器件的生产过程如何严格控制，材料、工艺、生

16、产环境等并不能绝对一致。因此，不可避免地有一部分产品会存在一些潜在的缺陷和弱点。这些有缺陷和弱点的电子元件、器件的平均寿命比正常产品的平均寿命短得多，使电子元件、器件的早期故障率较高。如果对电子元件、器件不加处理就装入整机，便会使整机的早期故障率大大增加。因此，在把电子元件、器件装入整机前，应采取施加强应力或其他手段，尽可能地剔除这种早期故障的产品。这就是电子元件、器件的可靠性筛选。筛选所加的强应力，可以是电的、热的、机械的或综合的。筛选项目须根据元件、器件的主要故障模式和故障机理，结合元件、器件的工艺设计、结构材料以及质量控制的情况而定。筛选不是提高产品的可靠性，它只能排除早期故障产品,使产品恢复其固有可靠性,但不能提高固有可靠性。如果元件、器件的筛选淘汰率较高，则说明设计、工艺或生产管理上存在较多问题，不易筛选彻底。这样的元件和器件不宜用于高可靠性要求的部位。元件、器件可靠性部门应根据本部门的需要制订元件、器件筛选条例，并规定出容许的筛选淘汰率。在一般情况下，元件、器件出厂越久，可靠性也就越