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1、可靠性设计、分析、试验技术,李良巧,目 录,可靠性基本概念 可靠性模型 可靠性预计 可靠性分配 FMEA/FTA 可靠性设计准则 电路容差分析 元器件降额设计,热设计 安全性设计与分析 机械可靠性概述 软件可靠性 可靠性试验与评价 环境应力筛选 可靠性鉴定验证试验,一、可靠性基本概念 （含维修性、测试性、可用性、保障性）,可靠性定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性的概率度量亦称可靠度。产品指的是新版ISO9000中定义的硬件和流程性材料等有形产品以及软件等无形产品。“规定时间”和产品可靠性关系也极为密切。“规定的功能”指的是产品规格书中给出的正常工作的性能指标。,
2、1.可靠性,产品的可靠性一般可分为固有可靠性和使用可靠性。产品固有可靠性是产品在设计、制造中赋予的，是产品的一种固有特性，也是产品的开发者可以控制的。而产品使用可靠性则是产品在实际使用过程中表现出的一种性能的保持能力的特性，它除了考虑固有可靠性的影响因素之外，还要考虑产品安装、操作使用和维修保障等方面因素的影响。,产品可靠性还可分为基本可靠性和任务可靠性。基本可靠性是产品在规定条件下无故障的持续时间或概率，它反映产品对维修人力的要求。因此在评定产品基本可靠性时应统计产品的所有寿命单位和所有故障，而不局限于发生在任务期间的故障，也不局限于是否危及任务成功的故障。任务可靠性是产品在规定的任务剖面内
3、完成规定功能的能力。评定产品任务可靠性时仅考虑在任务期间发生的影响完成任务的故障。,可靠度函数、累积故障分布函数如前所述，产品可靠度是产品在规定条件下规定时间完成规定功能的概率，描述的是产品功能随时间保持的概率，即产品可靠度是时间的函数，一般用R(t)表示，产品的可靠度函数即： R(t)=P(T t) 式中：T产品发生故障的时间；t规定的时间。,(100h),1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,试验故障统计表,故障及其分类故障是指产品不能执行规定功能的状态。失效是指产品丧失完成规定功能能力的事件。故障模式是指产品故障的表现形式，如三极管的短路或开路、灯丝的烧断等。故障机理是指引起产品故障
4、的物理、化学或生物等变化的内在原因。,按故障的规律可分为偶然故障和耗损故障。偶然故障是由于偶然因素引起的故障，其重复出现的风险可以忽略不计，只能通过概率或统计方法来预测。耗损故障是通过事前检测或监测可预测到的故障，是由于产品的规定性能随时间增加而逐渐衰退引起的。耗损故障可以通过预防维修，防止故障的发生，延长产品的使用寿命。,按故障引起的后果可分为致命性故障和非致命性故障。前者会使产品不能完成规定任务或可能导致人或物的重大损失、最终使任务失败，后者不影响任务完成，但会导致非计划的维修。按故障的统计特性又可分为独立故障和从属故障。前者是指不是由于另一个产品故障引起的故障，后者是由另一产品故障引起的
5、故障。在评价产品可靠性时只统计独立故障。,可靠性常用度量参数,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，一般用 表示。若产品的总数为N0，工作到t时刻产品发生的故障数为r(t) ，则产品在时刻的可靠度的观测值为：,故障率工作到某时刻尚未发生故障的产品数，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。故障率一般用 表示。一般情况下， 可用下式进行工程计算：,平均故障前时间（MTTF）设 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 。其平均故障前时间（MTTF）为：当产品的寿命服从指数分布时，,平均故障间隔时间（MTBF）一个可修产品在使用过程
6、中发生了 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 。其平均故障间隔时间MTBF为：,贮存寿命产品在规定条件下贮存时，仍能满足规定质量要求的时间长度。产品出厂后，即使不工作，在规定的条件下贮存，产品也有一个非工作状态的偶然故障率，非工作的偶然故障率比工作故障率小得多，但贮存产品的可靠性也是在不断下降的。因此，贮存寿命是产品贮存可靠性的一种度量参数。,维修性定义：产品在拟定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力。 概率表示为维修度M 关注焦点：维修简便、快速、经济 维修性是对可靠性的重要补充 维修性是产品固有属性、是设计出来的 维修
7、是一种活动，产品故障后为恢复其性能的活动,2.维修性,维修的种类预防性维修：通过系统维修检查、检测和消除产品的故障征兆，使其保持在规定状态进行的全部活动。包括预先维修，定时维修，视情维修和故障检查等 修复性维修：产品发生故障后，使其恢复到规定状态进行的全部活动。它可以包括下述一个或多个步骤：故障定位，故障隔离，分解、更换、组装、调校及检测等，也称修理。,维修性定性定量要求 定性要求：良好可达性高的标准化和互换性完善的防差错措施及识别标识良好的测试性保障维修安全符合维修的人工程要求,定量要求平均修复时间MTTR最大维修时间M maxct 给定维修度的最大维修时间M一般0.9-0.95M maxc
8、t约等于2-3MTTR修复时间中值M ctM(t)=0.5的维修时间 又叫中位修复时间,可用性：产品在任意时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用的程度。概率度量为可用度开则能动，召之即来固有可用度Ai:仅与工作时间和修复性时间有关的一种可用性。是设计特性MTBFAi=MTBF+MTTR,3.可用性,可达可用性：仅与工作时间和修复性和预防性维修时间有关MTBMAAa=_MTBMA+MMTMTBMA-平均维修活动间隔时间MMT-平均维修时间,使用可用性：与能工作时间和不能工作时间有关的一种可用性MTBMA Ao=_MTBMA+MDTMDT-平均停机时间,系统效能：系统在规定条件和规定时间内满
9、足一组特定任务要求和程度。E= A D C 人的效能=健康可干（A）* 干而无病（D）* 能力（C） 系统效能=召之即来 * 来之能战 * 战之能胜,4.系统效能,测试性：产品能及时并准确地确定其状态（可工作、不可工作或性能下降）并隔离其内部故障的能力。故障检测率：产品在规定时间内，在规定的条件下，用规定的方法能够准确检测出的故障数（No）与所发生故障总数（Nt）之比：rFD =No/Nt * 100 %,5.测试性,故障隔离率:rFI :用规定的方法将检测到的故障正确隔离到不大于规定模糊度的故障数Nl与检测到故障总数NdrFI=-* 100%,Nl,Nd,虚警率：在规定的时间内发生的虚警率数
10、（NFA）与同一时期内故障总数NF之比rFA=_* 100%,NF + NFA,NFA,系统产品的设计特性和计划的保障资源满足平时和战时使用要求的能力称为保障性。保障性也是产品的一种重要的固有属性。它包含两方面含义，即与产品保障有关的设计特性和保障资源的充足和适用程度。,6.保障性,设计特性是指与保障有关的设计特性，如与可靠性和维修性有关的，以及保障资源要求产品所具有的设计特性。这些设计特性可以通过设计直接影响产品的硬件和软件。如使设计的产品便于操作、检测、维修、装卸、运输、消耗品（油、水、气、弹）补给等设计特性。从保障性角度看，良好的保障设计特性是使产品具有可保障特性或者说所设计的产品是可保
11、障的。,保障资源是保证产品完成平时和战时使用的人力和物力。从保障性的角度看，充足的并与产品匹配完善的保障资源说明产品是能得到保障的。产品具有可保障的特性和能保障的特性才是具有完整保障性的产品。,二、可靠性建模,2.1、目的-用于可靠性定量分配、预计和评价（GJB813-90可靠性模型的建立和可靠性预计）2.2、可靠性模型 可靠性框图模型 可靠性数学模型,2.3串联系统可靠性模型,串联系统：系统的所有组成单元中任一单元的故障都会导致整个系统的故障 可靠性框图: 可靠性数学模型： 若单元的寿命分布为指数分布，则：,若每个单元工作时间与系统时间相同，且单元也服从指数分布，则系统平均故障间隔时间MTB
12、F 若由10个都等于0.9的单元组成串联系统，则 s=0.348,2.4串联系统可靠性模型,并联系统：组成系统的所有子系统都发生失效系统才发生故障 框图： 可靠性数学模型,并联系统框图,2.5并联系统可靠性模型,当系统各单元的寿命分布为指数分布时，对n个相同单元的并联系统，有：,2.5并联系统可靠性模型,2.6工程应用要点,系统越复杂，产品可靠性越低因此简化设计是提高产品可靠性最有效的途径 采用并联的系统，可靠性明显提高，尤其当n=2时，提高更明显，当并联过多，可靠度提高大为减慢 并联系统提高的是任务可靠性，但并联会使产品变得复杂，而产品基本可靠性会降低，同时并联会使体积、重量、成本增加因此，
13、是否采用并联要综合权衡一般在涉及安全性和关键任务可靠性要求时采用,三、可靠性预计,3.1目的,大致估计整机可能的可靠性 发现潜在薄弱环节标准： GJB813-90可靠性模型的建立和可靠性预计 GJB/Z299B98电子设备可靠性预计手册 MIL-HDBK217F电子设备可靠性预计,3.2可靠性预计-方法1,方法 元器件计数法Ni 第 i 种元器件数量 b 第 i 种元器件基本失效率(1/h) Q 第 i 种元器件通用质量系数 n 整机所用元器件的种类数,3.3 可靠性预计-方法2,应力分析法：如普通二极管工作失效率预计模型 p = b EQAC RS2 p 工作失效率 b 基本失效率 E 环境
14、系数 Q 质量系数：考虑不同组件的质量水平 A 应用系数：考虑对电路功能影响 C 结构系数：考虑封装影响 R 额定功率或电流系数，与最大功率或电流额定值之比 S2 电压应力系数,3.4可靠性预计-方法3,4,方法相似产品预计法方法专家评分法,3.5可靠性预计工程要点,预计的绝对值意义不大不同方案间预计的相对值更有意义，可比较方案的可靠性好坏 预计时，一定要找出值相对较高的组件，并对其采取措施加以预防 预计值必须大于规定的可靠性要求 系统可靠性预计时要注意各单元的运行比影响,任务可靠性模型只能用于任务可靠性预计，不能用于基本可靠性预计 基本可靠性预计是基于全串联系统的可靠性预计 预计应与功能设计
15、同步进行，功能设计改变，必须再次进行预计,四、可靠性分配,4.1可靠性分配目的,将整机可靠性要求分配到各组成单元 明确设计时对各组成单元控制的重点,4.2可靠性分配方法,评分分配法：由专家根据各组成单元影响可靠性 的各种因素的水平进行打分，通过计算加以分配 因素复杂程度。 最复杂10分，最简单分 因素技术成熟度。最不成熟10分，最成熟分 因素工作时间。 最长10分，最短分 因素环境条件。 最恶劣10分，最不恶劣分 设整机可靠性指标MTBF，则整机故障率s为：,第i个单元的故障率为i，则：iCi sCi=wi/ww整机评分数 wi第i个单元评分数rij 第i个单元第j个因素评分数,评分分配法步骤：确定待分配的可靠性指标，确定评分因素 聘请尽可能多的熟悉产品的有经验的专家，至少名义上 设计人员向专家介绍产品 个专家独立评分 经评分处理，给出各组成单元的指标,注：,4.3 可靠性分配工程应用要点,用于可靠性分配的整机可靠性指标应大于规定的值，留有余量，充分考虑没有列入考虑的因素和其它的系统组成单元 通过各单元的专家评分，如简化设计，促进技术的成熟，采取措施减轻环境的影响等 对评分高的单元采取有针对性的控制措施,五、潜在故障模式影响分析（FMEA）和故障树分析（FTA）,
