可靠性設(shè)計分析ReliabilityDesignand

可靠性設(shè)計分析ReliabilityDesignand課程內(nèi)容可靠性預(yù)計的目的、用途與分類可靠性預(yù)計的程序單元可靠性預(yù)計系統(tǒng)可靠性預(yù)計不同研制階段可靠性預(yù)計方法的選取可靠性預(yù)計的特點與注意事項2目的、用途可靠性預(yù)計目的與用途評估系統(tǒng)可靠性，審查是否能達到要求的可靠性指標(biāo)。在方案論證階段，通過可靠性預(yù)計，比較不同方案的可靠性水平，為最優(yōu)方案的選擇及方案優(yōu)化提供依據(jù)。在設(shè)計中，通過可靠性預(yù)計，發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)可靠性的主要因素，找出薄弱環(huán)節(jié)，采取設(shè)計措施，提高系統(tǒng)可靠性。為可靠性分配奠定基礎(chǔ)。3分類根據(jù)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)中可靠性的定量要求基本可靠性預(yù)計任務(wù)可靠性預(yù)計（任務(wù)剖面、工作時間及功能特性等）不可修產(chǎn)品可修產(chǎn)品從產(chǎn)品構(gòu)成角度分析：單元可靠性預(yù)計系統(tǒng)可靠性預(yù)計返回4系統(tǒng)可靠性預(yù)計程序程序明確系統(tǒng)定義明確系統(tǒng)的故障判據(jù)明確系統(tǒng)的工作條件繪制系統(tǒng)的可靠性框圖建立系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型預(yù)計各單元的可靠性根據(jù)系統(tǒng)可靠性模型預(yù)計基本可靠性或任務(wù)可靠性返回5單元可靠性預(yù)計說明系統(tǒng)可靠性是各單元可靠性的概率綜合單元可靠性預(yù)計是系統(tǒng)可靠性預(yù)計的基礎(chǔ)直接預(yù)計系統(tǒng)各單元的故障率或可靠度常用的單元可靠性預(yù)計方法：相似產(chǎn)品法評分預(yù)計法應(yīng)力分析法故障率預(yù)計法機械產(chǎn)品可靠性預(yù)計法返回6相似產(chǎn)品法方法說明相似產(chǎn)品法就是利用與該產(chǎn)品相似的現(xiàn)有成熟產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)來估計該產(chǎn)品的可靠性。成熟產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)主要來源于現(xiàn)場統(tǒng)計和實驗室的試驗結(jié)果。相似產(chǎn)品法考慮的的相似因素一般包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能的相似性設(shè)計的相似性材料和制造工藝的相似性使用剖面(保障、使用和環(huán)境條件)的相似性7相似產(chǎn)品法預(yù)計過程確定相似產(chǎn)品分析相似因素對可靠性的影響確定相似系數(shù)新產(chǎn)品可靠性預(yù)計8相似產(chǎn)品法示例某型號導(dǎo)彈射程為3500km，已知飛行可靠性指標(biāo)為0.8857，各分系統(tǒng)可靠性指標(biāo)為——戰(zhàn)斗部：0.99、安全自毀系統(tǒng)：0.98、彈體結(jié)構(gòu)：0.99、控制系統(tǒng)：0.98、發(fā)動機：0.9409。為了將導(dǎo)彈射程提高到5000km，對發(fā)動機采取了三項改進措施：采用能量更高的裝藥；發(fā)動機長度增加1m；發(fā)動機殼體壁厚由5mm減為4.5mm。試預(yù)計改進后的導(dǎo)彈飛行可靠性。9相似產(chǎn)品法示例分析計算壁厚減薄會使殼體強度下降，會使燃燒室的可靠性下降從而影響發(fā)動機的可靠性。相似系數(shù)d=9.412×106/（9.806×106）發(fā)動機的可靠性R=0.9409×d=0.9033返回10評分預(yù)計法方法說明在可靠性數(shù)據(jù)非常缺乏的情況下(可以得到個別產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù))，通過有經(jīng)驗的設(shè)計人員或?qū)＜覍τ绊懣煽啃缘膸追N因素評分，對評分進行綜合分析而獲得各單元產(chǎn)品之間的可靠性相對比值，再以某一個已知可靠性數(shù)據(jù)的產(chǎn)品為基準(zhǔn)，預(yù)計其他產(chǎn)品的可靠性。時間基準(zhǔn)：系統(tǒng)工作時間（一般）11評分預(yù)計法評分因素、評分原則以產(chǎn)品故障率為預(yù)計參數(shù)，各種因素評分值范圍為1~10，評分越高說明可靠性越差。復(fù)雜度——它是根據(jù)組成單元的元部件數(shù)量以及它們組裝的難易程度來評定。技術(shù)水平——根據(jù)單元目前技術(shù)水平的成熟程度來評定。工作時間——根據(jù)單元工作的時間來評定（前提是以系統(tǒng)的工作時間為時間基準(zhǔn)）。環(huán)境條件——根據(jù)單元所處的環(huán)境來評定。12評分預(yù)計法方法原理13評分預(yù)計法示例某飛行器由動力裝置、武器等六個分系統(tǒng)組成。已知制導(dǎo)裝置故障率284.5×10-6/h，試用評分法求得其它分系統(tǒng)的故障率。計算表格返回序號單元名稱復(fù)雜度技術(shù)水平工作時間環(huán)境條件各單元評分?jǐn)?shù)各單元評分系數(shù)單元的故障率×10-61動力裝置56557500.385.42武器761028400.33695.63制導(dǎo)裝置10105525001.0284.54飛行控制裝置885722400.896254.95機體421086400.25672.86輔助動力裝置65557500.385.414應(yīng)力分析法方法說明用于產(chǎn)品詳細設(shè)計階段的電子元器件失效率預(yù)計。對某種電子元器件在實驗室的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力與環(huán)境條件下，通過大量的試驗，并對其結(jié)果統(tǒng)計而得出該種元器件的“基本失效率”。在預(yù)計電子元器件工作失效率時，應(yīng)根據(jù)元器件的質(zhì)量等級、應(yīng)力水平、環(huán)境條件等因素對基本失效率進行修正。電子元器件的應(yīng)力分析法已有成熟的預(yù)計標(biāo)準(zhǔn)和手冊。15應(yīng)力分析法失效率模型晶體管和二極管的失效率計算模型（GJB299）16應(yīng)力分析法應(yīng)力分析法表格編號型號規(guī)格元器件類別數(shù)量N質(zhì)量等級各π系數(shù)λb(10-6/h)工作失效率(10-6/h)λpNλp17應(yīng)力分析法預(yù)計要求預(yù)計依據(jù)的選取預(yù)計環(huán)境的選取預(yù)計溫度的選取TJ=TA+20（二極管）TJ=TA+30（三極管）TJ=TA+30（集成電路）降額系數(shù)的選取質(zhì)量系數(shù)的選取18應(yīng)力分析法舉例數(shù)字電路54LS00為國產(chǎn)器件，質(zhì)量等級為B1，環(huán)境類別為AIF，計算該器件的工作失效率。計算步驟國產(chǎn)器件，使用GJB/Z299B-98雙極型數(shù)字電路，查GJB/Z299B-98的表，得失效率模型質(zhì)量等級為B1，查GJB/Z299B-98的表，得質(zhì)量系數(shù)πQ=0.5環(huán)境類別為AIF，查GJB/Z299B-98的表，得環(huán)境系數(shù)πE=1719返回應(yīng)力分析法舉例計算步驟查GJB/Z299B-98的表，得成熟系數(shù)πL=1.0查GJB/Z299B-98的表，得溫度系數(shù)πT=1.35查GJB/Z299B-98的表，得電路復(fù)雜度失效率C1=0.074，C2=0.005查GJB/Z299B-98的表，得封裝復(fù)雜度C3=0.08320返回應(yīng)力分析法舉例計算步驟查GJB/Z299B-98的表，得電壓應(yīng)力系數(shù)πV=1.0工作失效率λP

=πQ[C1πTπV+(C2+C3)πE]πL=0.779725(10-6/h)21故障率預(yù)計法方法說明主要用于非電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計，其原理與電子元器件的應(yīng)力分析法基本相同。對于非電子產(chǎn)品可考慮降額因子D和環(huán)境因子K對失效率的影響。非電子產(chǎn)品的工作失效率為：

目前尚無正式可供查閱的數(shù)據(jù)手冊。返回22機械產(chǎn)品可靠性預(yù)計方法方法說明對機械類產(chǎn)品而言，它具有一些不同于電子類產(chǎn)品的特點，諸如：許多機械產(chǎn)品是為特定用途單獨設(shè)計的，通用性不強，標(biāo)準(zhǔn)化程度不高；機械產(chǎn)品的故障率通常不是常值，其設(shè)備的故障往往是由于耗損、疲勞和其他與應(yīng)力有關(guān)的故障機理造成；機械產(chǎn)品的可靠性與電子產(chǎn)品可靠性相比對載荷、使用方式和利用率更加敏感。23機械產(chǎn)品可靠性預(yù)計方法方法說明看起來很相似的機械部件，其故障率往往是非常分散的。用數(shù)據(jù)庫中已有的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行預(yù)計，其精度是無法保證的。目前預(yù)計機械產(chǎn)品可靠性尚沒有相當(dāng)于電子產(chǎn)品那樣通用、可接受的方法?，F(xiàn)階段參考：《機械設(shè)備可靠性預(yù)計程序手冊》(草案)《非電子零部件可靠性數(shù)據(jù)》(NPRD-3)24修正系數(shù)法基本思路將機械產(chǎn)品分解到零件級，有許多基礎(chǔ)零件是通用的。將機械零件分成密封件、彈簧、電磁鐵、閥門、軸承、齒輪和花鍵、作動器、泵、過濾器、制動器和離合器等十類。對諸多零件進行失效模式及影響分析，找出其主要失效模式及影響這些模式的主要設(shè)計、使用參數(shù)，通過數(shù)據(jù)收集、處理及回歸分析，可以建立各零件失效率與上述參數(shù)的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。25相似產(chǎn)品類比論證法基本思路根據(jù)仿制或改型的類似國內(nèi)外產(chǎn)品已知的故障率，分析兩者在以下方面的差異組成結(jié)構(gòu)使用環(huán)境原材料元器件水平制造工藝水平通過專家評分給出各修正系數(shù)，綜合權(quán)衡后得出一個故障率綜合修正因子D:返回26系統(tǒng)可靠性預(yù)計概念與分類系統(tǒng)可靠性預(yù)計概念系統(tǒng)可靠性預(yù)計是以組成系統(tǒng)的各單元產(chǎn)品的預(yù)計值為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)可靠性模型，對系統(tǒng)基本/任務(wù)可靠性進行預(yù)計。系統(tǒng)可靠性預(yù)計必須注意時間基準(zhǔn)的問題。系統(tǒng)可靠性預(yù)計分類基本可靠性預(yù)計任務(wù)可靠性預(yù)計任務(wù)期間不可修系統(tǒng)的任務(wù)可靠性預(yù)計任務(wù)期間可修系統(tǒng)的任務(wù)可靠性預(yù)計27基本可靠性預(yù)計的一般方法串聯(lián)模型關(guān)系系統(tǒng)組成單元之間相互獨立各單元均服從指數(shù)分布

28元件計數(shù)法方法說明適用于電子設(shè)備方案論證階段和初步設(shè)計階段，元器件的種類和數(shù)量大致已確定，但具體的工作應(yīng)力和環(huán)境等尚未明確時，對系統(tǒng)基本可靠性進行預(yù)計?；驹硎菍υ骷巴ㄓ檬省钡男拚?。計算模型

Pi

=Gi

QiNi29元器件計數(shù)法預(yù)計表元件計數(shù)法預(yù)計表格編號元器件類別數(shù)量N質(zhì)量等級質(zhì)量系數(shù)πQλG(10-6/h)NλG(10-6/h)30元件計數(shù)法舉例某電子設(shè)備由4個調(diào)整二極管、2個合成電阻器、4個云母電容器組成，所有器件都是國產(chǎn)的，質(zhì)量等級都是B1。設(shè)備的工作環(huán)境為戰(zhàn)斗機座艙。計算該設(shè)備的基本可靠性。計算步驟國產(chǎn)器件，使用GJB/Z299B-98確定設(shè)備的工作環(huán)境類別：AIF確定元器件的種類：調(diào)整二極管、合成電阻器、云母電容器；確定元器件的質(zhì)量等級，全部為B131元件計數(shù)法舉例舉例計算步驟查GJB/Z299B-98中的表5.2-15、表5.2-17、表5.2-18，確定元器件的通用失效率查GJB/Z299B-98中的表5.2-24、表5.2-25，確定元器件的質(zhì)量系數(shù)確定元器件的數(shù)目計算設(shè)備的基本可靠性λ設(shè)備=N1λ1πQ1+N2λ2πQ2+N3λ3πQ3=4.78(10-6/h)MTBF設(shè)備=1/λ設(shè)備=209205h返回32任務(wù)可靠性預(yù)計概念任務(wù)可靠性預(yù)計概念任務(wù)可靠性預(yù)計即對系統(tǒng)完成某項規(guī)定任務(wù)成功概率的估計。任務(wù)可靠性預(yù)計是針對某一任務(wù)剖面進行的。在進行任務(wù)可靠性預(yù)計時，單元的可靠性數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)是對影響系統(tǒng)安全和任務(wù)完成的故障統(tǒng)計而得出的數(shù)據(jù)。但當(dāng)缺乏單元任務(wù)可靠性數(shù)據(jù)時，也可用基本可靠性的預(yù)計值代替，但系統(tǒng)預(yù)計結(jié)果偏保守。返回33任務(wù)可靠性預(yù)計概念系統(tǒng)的任務(wù)可靠性預(yù)計過程如下建立系統(tǒng)的任務(wù)可靠性框圖，確定飛行時間T；確定系統(tǒng)內(nèi)各電子設(shè)備的工作時間t；計算電子設(shè)備的運行比S/F；將設(shè)備的MTBF單元轉(zhuǎn)換為MTBCF單元： MTBCF單元=MTBF單元/(S/F)電子設(shè)備的可靠度為： R單元(T)=EXP(-T/MTBCF單元)根據(jù)可靠性框圖計算系統(tǒng)的可靠度。返回34不可修系統(tǒng)的任務(wù)可靠性預(yù)計可靠性框圖法以系統(tǒng)組成單元的預(yù)計值為基礎(chǔ)，依據(jù)建立的可靠性框圖及數(shù)學(xué)模型計算得出系統(tǒng)任務(wù)可靠度。根據(jù)任務(wù)剖面建立系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖；預(yù)計單元的故障率或MTBCF；確定單元的工作時間；根據(jù)可靠性框圖計算系統(tǒng)任務(wù)可靠度。35可靠性框圖法示例某飛機共有六個任務(wù)剖面，完成復(fù)雜特技的任務(wù)可靠性框圖如下圖所示36可靠性框圖法示例假設(shè)各單元產(chǎn)品均以指數(shù)分布，工作時間均為1.0小時，其故障率如下表所示。單元名稱故障率×10-6(1/h)單元名稱故障率×10-6(1/h)燃油泵(A)900油箱(H)1切數(shù)開關(guān)(B)30油量指標(biāo)器(I)50發(fā)動機低壓燃油泵(C)800耗量偉感器(J)45沖壓口(D)20油盡信量器(K)30安全活門(E)30主油路壓力信號器(L)35噴射泵(F)700低油面信號器(M)20連通單向活門(G)4037可靠性框圖法示例其任務(wù)可靠度預(yù)計如下串聯(lián)單元1，由A、B組成，其可靠度為旁聯(lián)單元2，由1、C組成，其可靠度為38可靠性框圖法示例示例其任務(wù)可靠度預(yù)計如下串聯(lián)單元3，由D、E、F、G、H、I、J、K，其可靠性為39可靠性框圖法示例其任務(wù)可靠度預(yù)計如下并聯(lián)單元4，由L、M組成，其可靠度為則燃油系統(tǒng)任務(wù)可靠度為40不可修系統(tǒng)的任務(wù)可靠性預(yù)計多任務(wù)剖面任務(wù)可靠度綜合預(yù)計在對飛機等武器裝備的可靠性指標(biāo)要求中，一個重要的指標(biāo)是完成任務(wù)成功概率（MCSP），即整機總的任務(wù)可靠度。它是多種任務(wù)剖面的綜合任務(wù)可靠度指標(biāo)。如前所述在任務(wù)可靠性預(yù)計時必須根據(jù)不同的任務(wù)剖面，預(yù)計其各自的任務(wù)可靠度。需要將各任務(wù)剖面的任務(wù)可靠度綜合，預(yù)計出整機總的任務(wù)可靠度。返回41可修系統(tǒng)的可用度預(yù)計可修系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行期間，當(dāng)系統(tǒng)故障而不能執(zhí)行任務(wù)時允許修理，修復(fù)后繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。其任務(wù)可靠性不僅受各單元可靠性的影響，而且受到各單元維修特性的影響。可修系統(tǒng)的可用度研究系統(tǒng)開始工作后，在任意時刻系統(tǒng)處于工作狀態(tài)的概率。預(yù)計方法解析法馬爾可夫過程法仿真法42馬爾可夫過程隨機過程隨機事件的變化過程，它無法用確定性的形式來描述。在使用期間可以修復(fù)的復(fù)雜系統(tǒng)，由系統(tǒng)部件的可靠性和維修性決定了系統(tǒng)在任務(wù)期間的某一時刻，系統(tǒng)可能隨機地處于某種狀態(tài)：正常狀態(tài)故障狀態(tài)或修理狀態(tài)