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1、北京航空航天大学工程系统工程系可靠性预计 Reliability Prediction1Reliability Prediction课程内容o可靠性预计的目的、用途与分类o可靠性预计的程序 o单元可靠性预计o系统可靠性预计o不同研制阶段可靠性预计方法的选取 o可靠性预计的特点与注意事项2Reliability Prediction目的、用途o可靠性预计目的与用途n评估系统可靠性，审查是否能达到要求的可靠性指 标。n在方案论证阶段，通过可靠性预计，比较不同方案 的可靠性水平，为最优方案的选择及方案优化提供 依据。n在设计中，通过可靠性预计，发现影响系统可靠性 的主要因素，找出薄弱环节，采取设计措
2、施，提高 系统可靠性。n为可靠性分配奠定基础。 3Reliability Prediction分类o根据战术技术中可靠性的定量要求 n基本可靠性预计n任务可靠性预计（任务剖面、工作时间及功能特性 等）o不可修产品o可修产品 o从产品构成角度分析：n单元可靠性预计n系统可靠性预计返回4Reliability Prediction系统可靠性预计程序o程序n明确系统定义n明确系统的故障判据n明确系统的工作条件n绘制系统的可靠性框图n建立系统可靠性数学模型n预计各单元的可靠性n根据系统可靠性模型预计基本可靠性或任务可靠性返回5Reliability Prediction单元可靠性预计o说明n系统可靠性
3、是各单元可靠性的概率综合n单元可靠性预计是系统可靠性预计的基础n直接预计系统各单元的故障率或可靠度o常用的单元可靠性预计方法：n相似产品法n评分预计法n应力分析法 n故障率预计法 n机械产品可靠性预计法返回6Reliability Prediction相似产品法o方法说明n相似产品法就是利用与该产品相似的现有成熟产品 的可靠性数据来估计该产品的可靠性。成熟产品的 可靠性数据主要来源于现场统计和实验室的试验结 果。 o相似产品法考虑的的相似因素一般包括n产品结构、性能的相似性 n设计的相似性n材料和制造工艺的相似性n使用剖面(保障、使用和环境条件) 的相似性7Reliability Predic
4、tion相似产品法o预计过程n确定相似产品n分析相似因素对可靠性的影响n确定相似系数n新产品可靠性预计8Reliability Prediction相似产品法o示例n某型号导弹射程为3500km，已知飞行可靠性指标 为0.8857，各分系统可靠性指标为战斗部： 0.99、安全自毁系统：0.98、弹体结构：0.99、 控制系统：0.98、发动机：0.9409。为了将导弹 射程提高到5000km，对发动机采取了三项改进措 施： n采用能量更高的装药； n发动机长度增加1m； n发动机壳体壁厚由5mm减为4.5mm。n试预计改进后的导弹飞行可靠性。9Reliability Prediction相似产
5、品法o示例n分析计算 o壁厚减薄会使壳体强度下降，会使燃烧室的可靠 性下降从而影响发动机的可靠性。o相似系数d = 9.412106/（9.806106）n发动机的可靠性o R = 0.9409d = 0.9033 返回 10Reliability Prediction评分预计法 o方法说明n在可靠性数据非常缺乏的情况下(可以得到个别产品 的可靠性数据)，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。 n时间基准：系统工作时间（一般）11Reliability P
6、rediction评分预计法 o评分因素 、评分原则 n以产品故障率为预计参数，各种因素评分值范围为 110，评分越高说明可靠性越差。o复杂度它是根据组成单元的元部件数量以及 它们组装的难易程度来评定。 o技术水平根据单元目前技术水平的成熟程度 来评定。o工作时间根据单元工作的时间来评定（前提 是以系统的工作时间为时间基准 ）。o环境条件根据单元所处的环境来评定。12Reliability Prediction评分预计法o方法原理13Reliability Prediction评分预计法o示例n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284.510-6/h，试用评分法求得
7、 其它分系统的故障率。n计算表格返回序号 单元名称 复杂度技术水平工作时 间环境条 件各单元 评分数各单元评 分系数单元的故障 率10-6 1动力装置56557500.385.4 2武器761028400.33695.6 3制导装置10105525001.0284.54飞行控制 装置885722400.896254.95机体421086400.25672.86辅助动力 装置65557500.385.414Reliability Prediction应力分析法 o方法说明n用于产品详细设计阶段的电子元器件失效率预计。n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
8、计而得出该种 元器件 的“基本失效率”。n在预计电子元器件工作失效率时，应根据元器件的 质量等级、应力水平、环境条件等因素对基本失效 率进行修正。n电子元器件的应力分析法已有成熟的预计标准和手 册。15Reliability Prediction应力分析法o失效率模型n晶体管和二极管的失效率计算模型（GJB299） 16Reliability Prediction应力分析法o应力分析法表格编号 型号规格元器件类别 数量N 质量等级 各系数b (10-6/h)工作失效率(10-6/h)pNp17Reliability Prediction应力分析法o预计要求n预计依据的选取n预计环境的选取n预计
9、温度的选取 oTJ=TA+20（二极管）oTJ =TA+30（三极管）oTJ =TA+30（集成电路）n降额系数的选取 n质量系数的选取18Reliability Prediction应力分析法o举例n数字电路54LS00为国产器件，质量等级为B1，环境类 别为AIF，计算该器件的工作失效率。n计算步骤o国产器件，使用GJB/Z 299B-98o双极型数字电路，查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-1， 得失效率模型o质量等级为B1，查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-3，得 质量系数Q=0.5o环境类别为AIF，查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-2， 得环
10、境系数E=1719Reliability Prediction返回应力分析法o举例n计算步骤o查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-4，得成熟系数 L=1.0o查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-8，得温度系数 T=1.35o查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-15，得电路复杂度 失效率C1=0.074，C2=0.005o查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-28，得封装复杂度 C3=0.08320Reliability Prediction返回应力分析法o举例n计算步骤o查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-12，得电压应力系 数V=1.
11、0o工作失效率P =QC1TV+(C2+C3)EL=0.779725(10-6/h)21Reliability Prediction故障率预计法 o方法说明n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同 。n对于非电子产品可考虑降额因子D和环境因子K对失 效率的影响。n非电子产品的工作失效率为：n目前尚无正式可供查阅的数据手册。 返回22Reliability Prediction机械产品可靠性预计方法 o方法说明n对机械类产品而言，它具有一些不同于电子类产品 的特点，诸如：o许多机械产品是为特定用途单独设计的，通用性 不强，标准化程度不高；o机械产品的故障率通常不
12、是常值，其设备的故障 往往是由于耗损、疲劳和其他与应力有关的故障 机理造成；o机械产品的可靠性与电子产品可靠性相比对载荷 、使用方式和利用率更加敏感。23Reliability Prediction机械产品可靠性预计方法 o方法说明n看起来很相似的机械部件，其故障率往往是非常分 散的。n用数据库中已有的统计数据进行预计，其精度是无 法保证的。n目前预计机械产品可靠性尚没有相当于电子产品那 样通用、可接受的方法。 n现阶段参考：o机械设备可靠性预计程序手册(草案)o非电子零部件可靠性数据(NPRD-3) 24Reliability Prediction修正系数法o基本思路n将机械产品分解到零件级
13、，有许多基础零件是通用 的。o将机械零件分成密封件、弹簧、电磁铁、阀门、 轴承、齿轮和花键、作动器、泵、过滤器、制动 器和离合器等十类。n对诸多零件进行失效模式及影响分析，找出其主要 失效模式及影响这些模式的主要设计、使用参数， 通过数据收集、处理及回归分析，可以建立各零件 失效率与上述参数的数学函数关系。25Reliability Prediction相似产品类比论证法 o基本思路n根据仿制或改型的类似国内外产品已知的故障率， 分析两者在以下方面的差异o组成结构o使用环境o原材料o元器件水平o制造工艺水平n通过专家评分给出各修正系数，综合权衡后得出一 个故障率综合修正因子 D: 返回26Re
14、liability Prediction系统可靠性预计概念与分类o系统可靠性预计概念 n系统可靠性预计是以组成系统的各单元产品的预计 值为基础，根据系统可靠性模型，对系统基本/任务 可靠性进行预计。o系统可靠性预计必须注意时间基准的问题。o系统可靠性预计分类n基本可靠性预计n任务可靠性预计o任务期间不可修系统的任务可靠性预计o任务期间可修系统的任务可靠性预计27Reliability Prediction基本可靠性预计的一般方法 o串联模型关系n系统组成单元之间相互独立n各单元均服从指数分布 28Reliability Prediction元件计数法o方法说明n适用于电子设备方案论证阶段和初步
15、设计阶段，元器 件的种类和数量大致已确定，但具体的工作应力和环 境等尚未明确时，对系统基本可靠性进行预计。n基本原理是对元器件“通用失效率”的修正。n计算模型Pi = GiQiNi29Reliability Prediction 元器件计数法预计表元件计数法o预计表格编号元器件类别 数量N质量 等级质量系数 QG (10-6/h)NG (10-6/h)30Reliability Prediction元件计数法o举例n某电子设备由4个调整二极管、2个合成电阻器、4 个云母电容器组成，所有器件都是国产的，质量等 级都是B1。设备的工作环境为战斗机座舱。计算该 设备的基本可靠性。n计算步骤o国产器件
16、，使用GJB/Z 299B-98o确定设备的工作环境类别：AIFo确定元器件的种类：调整二极管、合成电阻器、 云母电容器；o确定元器件的质量等级，全部为B131Reliability Prediction元件计数法举例o举例n计算步骤o查GJB/Z 299B-98中的表5.2-15、表5.2-17、表 5.2-18，确定元器件的通用失效率o查GJB/Z 299B-98中的表5.2-24、表5.2-25，确 定元器件的质量系数o确定元器件的数目o计算设备的基本可靠性设备=N11Q1+ N22Q2+ N33Q3=4.78(10-6/h) MTBF设备=1/设备=209205h 返回32Reliability Prediction任务可靠性预计概念o任务可靠性预计概念n任务可靠性预计即对系统完成某项规定任务成功概 率的估计。n任务可靠性预计是针对某一任务剖面进行的。o在进行任务可靠性预计时，单元的可靠性数据 应当是对影响系统安全和任务完成的故障统计 而得出的数据。o但当缺乏单元任务可靠性
