飛行器可靠性工程

1、飛行器可靠性工程,哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院航天工程系,前 言,?可靠性工程的概念 可靠性工程（Reliability Engineering）：為了達(dá)到產(chǎn)品的可靠性要求所進(jìn)行的一系列技術(shù)與管理活動，貫穿了產(chǎn)品的方案論證、工程研制、生產(chǎn)和使用等壽命周期過程。,,,可靠性要求: 可靠度、失效率等；,技術(shù)與管理活動: 可靠性試驗、可靠性模型分析、故障樹分析、耐環(huán)境設(shè)計等；,?可靠性與產(chǎn)品質(zhì)量特性的關(guān)系,?維修性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下

2、和規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時，保持或恢復(fù)到其規(guī)定狀態(tài)的能力，即反映產(chǎn)品是否易修的能力。?測試性是產(chǎn)品能及時、準(zhǔn)確地確定其工作狀態(tài)并隔離其內(nèi)部故障的能力。?保障性是產(chǎn)品設(shè)計特性和計劃的保障資源滿足平時使用和利用率要求的能力，包括維修保障能力和使用保障能力。?安全性是產(chǎn)品所具有的不導(dǎo)致人員傷亡、產(chǎn)品毀壞，不危及人員健康和環(huán)境的能力。?可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。,?可靠性的重要意義

3、 1、可以防止故障和事故的發(fā)生，尤其是避免災(zāi)難性的事故發(fā)生； 2、能使產(chǎn)品總的費用降低； 3、可以減少停機(jī)時間，提高產(chǎn)品可用率； 4、對于企業(yè)來講，可以改善企業(yè)信譽，增強(qiáng)競爭力。?可靠性的發(fā)展概況 1、產(chǎn)生 20世紀(jì)40年代； 2、發(fā)展 20世紀(jì)50年代-20世紀(jì)70年代； 3、成熟與拓展 20世紀(jì)80年代-至今。,國際可靠性組織： 國際電工委員會（ Int

4、ernational Electrotechnical Commission，IEC） 可靠性分析中心（RAC） 美國質(zhì)量協(xié)會(American Society of Quality, ASQ),年薪： 質(zhì)量審計員：$49,429.00 質(zhì)量工程師：$56,367.00 質(zhì)量管理者：$69,688.00 質(zhì)量技術(shù)員：$34,947.00 可靠性工程師：$69,130.00

5、 軟件質(zhì)量工程師：$60,899.00,?可靠性工程的研究內(nèi)容 1、可靠性設(shè)計： 目的：奠定產(chǎn)品的可靠性基礎(chǔ)； 任務(wù)：在設(shè)計階段預(yù)測和預(yù)防故障及隱患。 2、可靠性試驗： 目的：驗證和提高產(chǎn)品的可靠性 ； 任務(wù)：找出薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)措施。 3、制造階段的可靠性： 目的：實現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性； 任務(wù)：控制制造偏差、處理缺陷和排除早期故障。 4、使用階段的可靠性： 目的：保持產(chǎn)品的可靠性；

6、任務(wù)：產(chǎn)品運行中的監(jiān)視、診斷、預(yù)測，以及售后服務(wù)與維修策略。,?本門課程內(nèi)容 第1章 可靠性數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 第2章 可靠性基本概念與表示 第3章 可靠性試驗與可靠性增長 第4章 系統(tǒng)可靠性模型與分析 第5章 故障模式影響與故障樹分析 第6章 可靠性設(shè)計 參考教材：姜興渭 可靠性工程技術(shù) 哈工大出版 2005,第二章 可靠性的基本概念和表示,§2.1 可靠性概念 可靠性：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力

7、。,,,,,§2.2 可靠性的特征量1、可靠度(Reliability)：是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。,產(chǎn)品：器件和系統(tǒng)；,條件：使用、維護(hù)條件；,時間：工作期限；,功能：性能指標(biāo)。,t-為規(guī)定的時間；T-表示產(chǎn)品壽命；P-表示概率 。,在t=0時，有N件產(chǎn)品開始工作，而到t時刻，有r(t)個產(chǎn)品失效，則可靠度R(t)的估計值為 ：,例：電視機(jī)1200臺，工作5年失效100臺，工作十年失效600

8、臺，求5，10年的可靠度。,2、不可靠度：或者叫累積故障概率，是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)失效的概率。,t-為規(guī)定的時間；T-表示產(chǎn)品壽命；P-表示概率 。,3、故障概率密度 ：不可靠度對時間的導(dǎo)數(shù)。 設(shè)有N個燈泡，在t1，t2，…tn，時刻，累積失效數(shù)為 r1， r2，…rn；令 △ti= ti -ti-1 ， △ri= ri -ri-1則在△t1，△t2，…△tn時間段，失效數(shù)分別為△r1，△r2，…△rn，則在tn

9、時刻：,含義：產(chǎn)品在t時刻后的單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率。,4、失效率或叫故障率 ：是工作到t時刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時刻t后的單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率 。,失效率的單位：菲特(Fit -Failure Unit ) ，1Fit=10-9/h，是時間的倒數(shù)，分子代表產(chǎn)品個數(shù)，分母代表工作時間。,浴盆曲線(Bathtub-curve),早期失效期：遞減型。這一階段失效的原因是由于設(shè)計，原料和制造過程中的缺陷造成的。偶然失效期：恒定型。一

10、些不重要的偶然因素引起 。損耗失效期: 遞增型。由全局性的原因如老化、疲勞等造成。,偶然失效期：,5、失效率λ(t)與R(t),F(t),f(t)的關(guān)系,§2.3 可靠性的壽命特性1、平均壽命?(1) MTTF(Mean Time To Failure)：不可維修產(chǎn)品的平均壽命。?(2) MTBF(Mean Time Between Failures)：可維修產(chǎn)品的平均壽命。,離散型隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望:,連續(xù)型隨機(jī)變量

11、的數(shù)學(xué)期望:,如果：,則,2、可靠壽命、中位壽命和特征壽命 基本思想：當(dāng)R(t)已知時，可以求出任意時間t的可靠度; 反之，若確定了可靠度，也可以求出相應(yīng)的工作壽命t。 可靠壽命：就是指可靠度等于給定值r時產(chǎn)品的壽命，即t=R-1(r)。 中位壽命：當(dāng)R=0.5 時產(chǎn)品的壽命。,特征壽命：當(dāng)R=1/e=0.368 時產(chǎn)品的壽命。,3、常用的失效分布 確定產(chǎn)品的壽命分布類型的方法： 一、根據(jù)產(chǎn)品的物理背景

12、來定 ； 二、是通過可靠性壽命試驗，獲得失效數(shù)據(jù)，用統(tǒng)計推斷的方法來判斷它是屬于何種分布。 （1）均勻分布,（2）指數(shù)分布,（3）正態(tài)分布,（4）威布爾分布,（a）形狀參數(shù)m,（b）位置參數(shù)?,（c）尺度參數(shù)?,第三章 可靠性試驗,§3.1、可靠性試驗的目的 1、在研制階段使產(chǎn)品達(dá)到預(yù)定的可靠性指標(biāo)；2、在產(chǎn)品研制定型時進(jìn)行可靠性鑒定；3、在生產(chǎn)過程中控制產(chǎn)品的質(zhì)量；4、對產(chǎn)品進(jìn)行篩選，以提高整批產(chǎn)品的可靠性水平

13、；5、研究產(chǎn)品的故障機(jī)理。 根本目的：增長和驗證。,§3.2、可靠性試驗的分類 1、按試驗環(huán)境分類 （1）、實驗全模擬試驗：在實驗室中模擬產(chǎn)品實際使用條件和環(huán)境條件的一種試驗。 （2）、使用現(xiàn)場試驗：在產(chǎn)品實際使用現(xiàn)場進(jìn)行的試驗。2、按試驗?zāi)康姆诸?（1）、工程（增長）試驗 （a）可靠性篩選試驗: 在產(chǎn)品出廠前，有意向電子產(chǎn)品施加合理的環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力，將其內(nèi)部的潛在缺陷(不良零件、元

14、器件、工藝缺陷等)加速發(fā)展變成早期故障，通過檢驗發(fā)現(xiàn)并加以排除，從而提高產(chǎn)品的使用可靠性。,（b）可靠性增長試驗： 通過試驗和初始使用，發(fā)現(xiàn)故障和問題，有計劃地采取糾止措施，根除故障發(fā)生的原因，逐步改正產(chǎn)品設(shè)計和制造中的缺陷，從而提高產(chǎn)品的可靠性，逐步達(dá)到規(guī)定的可靠性要求。 （2）、驗證試驗 （a）可靠性鑒定試驗： 為了驗證產(chǎn)品在設(shè)計、工藝方面能否在規(guī)定的條件下滿足規(guī)定的性能及可靠性要求，由訂購

15、方用有代表性的產(chǎn)品在規(guī)定的條件下所做的試驗，并以此作為批準(zhǔn)定型的依據(jù)。 （b）可靠性驗收試驗： 為了保證產(chǎn)品的可靠性不隨生產(chǎn)期間工藝、工裝、工作流程，零部件質(zhì)量變化而降低，以及當(dāng)產(chǎn)品定型后，為考核成批生產(chǎn)的產(chǎn)品是否達(dá)到規(guī)定的可靠性指標(biāo)所作的試驗。,§3.3、可靠性篩選試驗1、環(huán)境應(yīng)力篩選-ESS （ Environment stress screen ）的應(yīng)用,各種應(yīng)力篩選效果的比較圖,典型篩選應(yīng)力,溫

16、度循環(huán)過程圖,高低溫沖擊箱,高低溫箱,變頻振動臺D-100-1,額定載荷：70kg頻率范圍：5-4500Hz額定加速度：50g額定正弦推力：980N額定位移：25mm運動部件有效載荷：2kg,2、測試篩選 （1）、初始參數(shù)篩選,（2）、線性判別篩選 先對批產(chǎn)品作摸底試驗，通過計算建立一個線性判別數(shù)據(jù)，然后根據(jù)每個被判別產(chǎn)品的原始數(shù)據(jù)和試驗一段時間后的測試數(shù)據(jù)，來判斷是否應(yīng)該淘汰。（3）、漂移失效篩選技術(shù)

17、 掌握產(chǎn)品參數(shù)漂移與可靠性之間的量的關(guān)系后，依據(jù)產(chǎn)品在篩選過程中參數(shù)隨時間漂移的情況來判斷未來的使用可靠性情況，而決定取舍。,3、檢查篩選 （1）目鏡篩選； （2）紅外線非破壞性檢查篩選； （3）X射線非破壞性檢查篩選； （4）顆粒碰撞噪聲檢測； （5）密封性檢查篩選。 4、壽命篩選 （1）貯存篩選； （2）工作壽命篩選。5、電子元器件老煉 有的元器件的參數(shù)、性能不穩(wěn)定，這些產(chǎn)品需要放一段時間或

18、通電工作一段時間后其參數(shù)才能穩(wěn)定。這種使性能參數(shù)穩(wěn)定的過程叫老煉,集成電路高溫動態(tài)老煉系統(tǒng),6、環(huán)境應(yīng)力篩選實施中應(yīng)注意的問題 (1)環(huán)境應(yīng)力篩選試驗不應(yīng)改變產(chǎn)品失效機(jī)理。如某產(chǎn)品故障主要是由于高溫使表面氧化、電氣特性退化引起的，則篩選中不能使它由于沖擊而故障； (2)由于篩選的目的是剔除早期故障，因此不必準(zhǔn)確模擬產(chǎn)品真實的環(huán)境條件； (3)篩選可以提高批產(chǎn)品的可靠性水平，但它不能提高產(chǎn)品的固有可靠性，只有改進(jìn)設(shè)計、工藝等才能提高

19、固有可靠性； (4)對于關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)實施三級(元器件級、電路板級、設(shè)備級)100％的環(huán)境應(yīng)力篩選； (5)它不是可靠性鑒定、驗收試驗，但經(jīng)過篩選的產(chǎn)品有利于鑒定和驗收試驗的順利進(jìn)行。,7、可靠性篩選的效果 （1）、篩選性剔除率Q,（2）、篩選效果,§3.4 可靠性增長試驗1、基本過程,三個要素: ?通過分析和試驗發(fā)現(xiàn)故障源； ?發(fā)現(xiàn)問題的反饋； ?根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題，采取有效的改正措施。,可靠性增長試驗的目的是在研制階段

20、保證產(chǎn)品在進(jìn)入批生產(chǎn)前的可靠性達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。 可靠性增長試驗的一般方法是制定增長目標(biāo)、確定增長模型, 通過試驗發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品故障, 根據(jù)故障分析,改進(jìn)設(shè)計的這樣一個不斷反復(fù)試驗改進(jìn)過程。,2、基本方法(1)試驗、分析與糾正試驗 （a）實驗-改進(jìn)-再試驗 （b）試驗-發(fā)現(xiàn)問題-再試驗-改進(jìn) （c）待延緩改進(jìn)的試驗-改進(jìn)-再試驗,(2)計劃、跟蹤與控制 對預(yù)期的增長目標(biāo)、增長規(guī)律與所需資源作出明確的規(guī)定與估算； 在可

21、靠性增長試驗實施過程中，為使增長過程按規(guī)定的增長規(guī)律進(jìn)行，必須對增長過程進(jìn)行控制。 (3)增長模型 描述產(chǎn)品在可靠性增長試驗過程中可靠性增長的規(guī)律，它是制定可靠性計劃增長曲線的依據(jù)。,擬合優(yōu)度檢驗-相關(guān)系數(shù)的估計量：,顯著性水平α：是一個臨界概率值。它表示在“統(tǒng)計假設(shè)檢驗”中，用樣本資料推斷總體時，犯拒絕“假設(shè)”錯誤的可能性大小。α越小，犯拒絕“假設(shè)”的錯誤可能性越小。,若：,則擬合良好，為杜安模型。,§3.5

22、可靠性驗證試驗 1、試驗分類（1）、按產(chǎn)品壽命特點分類 (a)成敗型試驗方案 成功率是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下試驗成功的概率。 觀測的成功率可以定義為在試驗結(jié)束時，成功的試驗次數(shù)與總試驗次數(shù)的比值。 (b)連續(xù)型試驗方案 當(dāng)產(chǎn)品的壽命為指數(shù)、威布爾、正態(tài)、對數(shù)正態(tài)等分布時，可采用連續(xù)型統(tǒng)計試驗方案。 確定壽命分布類型，求出相關(guān)參數(shù)，從而確定可靠性。,(2)、按試驗的截尾方式分 (a)

23、定時截尾試驗方案 對n個樣品進(jìn)行試驗，事先規(guī)定試驗截尾時間t0，到時刻t0，所有試驗樣品停止試驗，利用試驗數(shù)據(jù)評估產(chǎn)品的可靠性特征量。 (b)定數(shù)截尾試驗方案 對n個樣品進(jìn)行試驗，事先規(guī)定試驗截尾的故障數(shù)r，試驗進(jìn)行到出現(xiàn)r個故障數(shù)為止，利用試驗數(shù)據(jù)評估產(chǎn)品的可靠性特征量。 (c)序貫截尾試驗方案 按事先擬定的接收、拒收及截尾時間線，在試驗期間，對受試產(chǎn)品進(jìn)行連續(xù)地觀測，并將累積的相關(guān)試驗時間和故障數(shù)與

24、規(guī)定的接收、拒收或繼續(xù)試驗的判據(jù)做比較的一種試驗。,,序貫截尾試驗,,,,,拒收區(qū),接收區(qū),,繼續(xù)試驗區(qū),,,,,,,,,接收,,,拒 收,,,,一次抽樣檢驗方案的框圖,2、成敗型一次抽樣檢驗方案的原理 一次抽樣檢驗：根據(jù)從批產(chǎn)品中一次抽取的樣本的檢驗結(jié)果，決定是否接收該批產(chǎn)品。,（1）、接收概率與抽樣特性曲線 產(chǎn)品總體不合格率為p，則在容量為n的樣本中，出現(xiàn)r個失效的概率為：,接收概率為：,理想的OC

25、曲線,棄真錯誤：產(chǎn)品合格而被當(dāng)成不合格加以拒收，從而使生產(chǎn)方受到損失。又稱為生產(chǎn)方風(fēng)險，記為?；納偽錯誤：產(chǎn)品不合格而被當(dāng)作合格加以接收，從而導(dǎo)致用戶受到損失。又稱為使用方風(fēng)險，記為?。,典型的OC曲線,(2)抽樣檢驗方案的確定,P0：可接受質(zhì)量水平；P1：允許不合格品率；D=p1/p0：合格率鑒別比。,成敗型可靠性一次抽樣表,§3.6 壽命試驗和加速壽命試驗 1、壽命試驗的分類 （1）長期壽命試驗

26、 ?長期貯存試驗； ?長期工作壽命試驗 （2）加速壽命試驗 在不改變產(chǎn)品失效機(jī)理、不引入新的失效因子的前提下，提高試驗應(yīng)力S，加速產(chǎn)品失效進(jìn)程，再根據(jù)加速試驗結(jié)果，預(yù)計正常應(yīng)力下的產(chǎn)品壽命。,2、加速壽命試驗的設(shè)計問題 （1）加速應(yīng)力S的選擇 (a)估計電子元器件在常溫下的貯存壽命特征 選擇環(huán)境作為加速應(yīng)力：,,d、c-正的常數(shù)；t-壽命；v-電壓。,(b)估計電子元件在額定條件下的工作壽命特征 選

27、擇直流電壓{或電流、功率}作為加速應(yīng)力,（2）確定加速應(yīng)力水平,溫度：,,恒定應(yīng)力加速壽命的測試時間,電壓：,（3）確定測試周期和停試時間,（4）加速壽命試驗的前提條件,(a)應(yīng)力不改變壽命分布類型；,(b)產(chǎn)品壽命T和應(yīng)力S滿足如下關(guān)系；,§3.7 電子產(chǎn)品加速壽命試驗,1、試驗課目的（《可靠性試驗》指導(dǎo)書） （1）學(xué)習(xí)掌握可靠性加速壽命試驗及可靠度測定試驗的原理和技術(shù)；（2）熟悉掌握儀器的性能與操作方法；（3）掌握測

28、試數(shù)據(jù)處理與試驗結(jié)果的分析方法；,2、試驗系統(tǒng)及試驗設(shè)備 （1）試驗系統(tǒng)構(gòu)成及試驗設(shè)備的連接,（2）主要部件性能指標(biāo) a.穩(wěn)壓電源：SVC(TN)高精度全自動單相交流穩(wěn)壓電源 輸入電壓范圍：160V~250V； 輸出電壓范圍：220V/110V；過壓保護(hù)值：246±4V； 欠壓保護(hù)值：184±4V； 穩(wěn)壓精度：±3%； 頻率：50Hz~60Hz。 b.調(diào)壓器：TDGC2-

29、0.5型接觸調(diào)壓器： 額定容量：0.5kVA 額定頻率：50Hz 額定輸入電壓：220V 額定輸出電壓：0~250V 額定輸出電流：2A,c.互感器：全稱WBV412S01型電壓隔離傳感器輸入/輸出：50V/5V；精度等級：0V~5V、0V~10V；線性范圍：0%~120%標(biāo)稱輸入；頻率響應(yīng)：25Hz~5kHz；響應(yīng)時間：300mS。d.采集器：PCI8360數(shù)據(jù)采集卡輸入通道數(shù)：單

30、端32路，雙端16路；輸入信號范圍：0~10V,-5V~+5V,0~20mA；輸入精度：12Bit；最大采樣頻率：75KHz。e.燈泡：額定電壓6V，額定電流0.7A。,3、試驗原理 （1）加速壽命試驗原理,T為壽命，V為電壓，d、c為正的常數(shù)。 （2）加速壽命試驗原理,Te，Tf分別為額定電壓和非額定電壓對應(yīng)的壽命，Ve，Vf分別為額定電壓和非額定電壓。,第四章 系統(tǒng)可靠性建模與分析,§4.1、系統(tǒng)可靠性框圖及其

31、特點,工程原理圖,可靠性框圖,§4.2、典型串并聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型1、串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型 n個單元組成的串聯(lián)系統(tǒng)：表示當(dāng)這n個單元都正常工作時，系統(tǒng)才正常工作。,結(jié)構(gòu)函數(shù)：在可靠性問題中，研究產(chǎn)品的成功或失?。ㄕ；蚬收希﹥煞N狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為結(jié)構(gòu)函數(shù)。,串聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)：,,例1：已知某衛(wèi)星電子設(shè)備由四個分系統(tǒng)組成，系統(tǒng)可靠性框圖如圖所示,各分系統(tǒng)的壽命分布為指數(shù)分布，設(shè)失效率分別為:,試求:,各時刻該電子設(shè)備的可靠度

32、。,2、并聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型 n個單元組成的并聯(lián)系統(tǒng)：表示當(dāng)這n個單元都失效時，系統(tǒng)才失效。,3、串-并聯(lián)系統(tǒng) 由一部分單元先串聯(lián)組成一個子系統(tǒng)，再由這些子系統(tǒng)組成一個并聯(lián)系統(tǒng) 。,4、并-串聯(lián)系統(tǒng) 由一部分單元先并聯(lián)組成一些子系統(tǒng)，再由這些子系統(tǒng)組成一個串聯(lián)系統(tǒng) 。,5、簡單混聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型 混聯(lián)系統(tǒng)：串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)混合而成的 系

33、統(tǒng)。,局部代替法：簡單的串或并聯(lián)部分用一個單元來代替，逐漸進(jìn)行計算直到全部系統(tǒng)分析完為止。,惠更斯電橋,復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析方法：最小路集法，最小割集法，狀態(tài)枚舉法，全概率分析法等。,§4.3、復(fù)雜系統(tǒng)可靠性分析1、最小路集法,網(wǎng)絡(luò)圖,,路集：是可靠性框圖分析狀態(tài)變量的一個子集，當(dāng)集合中所有變量完好時，則系統(tǒng)完好，是可靠性框圖分析中的成功路線的集合。 {DEF}，{DE}，{F}，{AC}，{BC}， {ACDE

34、F}，{ABCEDF}等。 最小路集：當(dāng)研究的子集中所有單元完好時，系統(tǒng)完好，其中任一單元故障時，系統(tǒng)故障（假設(shè)除該子集以外的單元均是故障的），用L來表示。 {AC}，{BC} ，{DE}，{F}。,基本思路：只要有一個路集存在系統(tǒng)即正常。找出所有最小路集，則系統(tǒng)正常應(yīng)表示為路集間“或”的關(guān)系：,例：電橋的可靠性框圖如下，應(yīng)用最小路集法求系統(tǒng)可靠度。 已知：,,2、最小割集法,割集：可靠性框圖分析狀態(tài)變量的

35、一個子集，當(dāng)集合中所有變量故障，則系統(tǒng)故障,在可靠性分析中系統(tǒng)失效線路的集合。 {ABCDF}，{ABEF}，{CDF}，{CEF}等。最小割集：當(dāng)研究的子集中所有單元故障時系統(tǒng)故障，當(dāng)其中任一單元完好時，系統(tǒng)也不發(fā)生故障（假設(shè)研究的子集以外的單元均是完好的），用C來表示。 {ABDF}，{ABEF}， {CDF}，{CEF}。 割集內(nèi)的單元數(shù)是割集的階數(shù)。,,基本思路：只要有一個割集存在系統(tǒng)即故障。找出所有最小割集，

36、則系統(tǒng)故障應(yīng)表示為割集間“或”的關(guān)系：,,對偶函數(shù) ：若兩個函數(shù)滿足如下關(guān)系式，則兩個函數(shù)互為對偶函數(shù) 。,對偶函數(shù)性質(zhì)：一結(jié)構(gòu)函數(shù)對應(yīng)可靠性框圖的所有最小路集（或最小割集）組成的集合，為其對偶函數(shù)對應(yīng)可靠性框圖的所有最小割集（或最小路集）組成的集合。,,最小路集與最小割集的轉(zhuǎn)換,規(guī)則：,,,,3、狀態(tài)枚舉法 狀態(tài)枚舉法是從分析各單元的狀態(tài)對系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，計算系統(tǒng)的可靠度的方法。,局部代替法：,S(i)-系統(tǒng)正常; i-正常單元個

37、數(shù);F(i)-系統(tǒng)故障; i-故障單元個數(shù),4、全概率分析法 基本思想：將一個復(fù)雜的系統(tǒng)分解成若干個相對簡單的子系統(tǒng)，先求出各子系統(tǒng)可靠度，再利用全概率公式計算系統(tǒng)總的可靠度。如果事件組B1，B2，……Bn滿足：(1)B1，B2，……Bn兩互不相容，且P（Bi）>0（i=1,2,……n）；(2)B1+B2+……+Bn=Ω。 我們稱事件組B1，B2，……Bn為一完備事件組，則對任一事件A則有全概率公式為：,例1

38、,例2,§4.4、表決系統(tǒng)1、n中取k的好系統(tǒng)：當(dāng)組成系統(tǒng)的n個單元中，有k個或k個以上的單元完好時，系統(tǒng)完好。記為：k/n[G]。2、n中取k的壞系統(tǒng)：當(dāng)組成系統(tǒng)的n個單元中，有k個或k個以上的單元失效時，系統(tǒng)不能正常工作。記為：k/n[F]。,2/3[G/F]：,例：已知某型飛機(jī)安裝三臺同類型、同一功率的發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)壽命數(shù)據(jù)服從指數(shù)分布，其失效率均為λ=0.001/h。該飛機(jī)要求兩臺發(fā)動機(jī)正常工作，飛機(jī)就能正常工作，

39、設(shè)工作100h。假設(shè)三臺發(fā)動機(jī)同時工作，試求兩臺發(fā)動機(jī)與2/3[G]時系統(tǒng)可靠度與平均壽命。又假設(shè)采用四臺發(fā)動機(jī)時，每兩臺并聯(lián)后再串聯(lián)的可靠度與平均壽命。,§4.5、儲備系統(tǒng) 儲備系統(tǒng)：也稱旁聯(lián)系統(tǒng) ，是系統(tǒng)在關(guān)鍵單元處設(shè)置備用單元，當(dāng)工作單元失效時備用單元立刻替代工作單元工作。1、冷儲備系統(tǒng) 儲備單元完全可靠的旁聯(lián)系統(tǒng)。,轉(zhuǎn)換裝置安全可靠。,2、熱儲備系統(tǒng)儲備單元不完全可靠的旁聯(lián)系統(tǒng)。,第五章 故障模式影響與嚴(yán)

40、重度分析及故障樹分析,§5.1、故障模式影響與嚴(yán)重度分析 Failure Mode Effect and Criticality Analysis –FMECA。 ?故障模式影響分析 ：FMEA ； ?嚴(yán)重度分析 ：CA 。1、FMEA 故障模式影響分析是在產(chǎn)品設(shè)計過程中，通過對產(chǎn)品各個組成單元潛在的各種故障模式及其對產(chǎn)品功能的影響進(jìn)行分析，提出可能采取的預(yù)防改進(jìn)措施，以提高產(chǎn)品可靠性的一種

41、設(shè)計分析方法。,2、FMEA的方法和程序 (1)明確系統(tǒng)組成、任務(wù)、功能、工作過程和各種工作方法及其使用環(huán)境；明確系統(tǒng)可能失效的全部故障(失效)模式,并對系統(tǒng)故障(失效)進(jìn)行分類、分級。(2)畫出可靠性結(jié)構(gòu)框圖。在此框圖中要明確表示組成系統(tǒng)的零件、部件發(fā)生故障對系統(tǒng)的影響。這種框圖自系統(tǒng)、子系統(tǒng)一直往下面，逐級細(xì)分，直到每個元件、接點、和導(dǎo)線。(3)列出所有元器件，以至接點、導(dǎo)線的各種失效形式(模式)。(4)填寫故障模式影響分析

42、表。,故障模式及影響分析表,初始約定層次產(chǎn)品 任 務(wù) 審核 第 頁·共 頁約定層次產(chǎn)品 分析人員 批準(zhǔn) 填表日期,,約定層次-根據(jù)分析的需要，按產(chǎn)品的功能關(guān)系或復(fù)雜程度劃分的產(chǎn)品功能層次或結(jié)構(gòu)層次。這

43、些層次一般從比較復(fù)雜的系統(tǒng)到比較簡單的零件進(jìn)行劃分；初始約定層次-進(jìn)行FMECA總的完整的產(chǎn)品所在的層次，它是約定的產(chǎn)品第一分析層次；其他約定層次-相繼的約定層次（第二、第三、第四等）、這些層次表明了直至較簡單的組成部分的有順序的排列；最低約定層次-約定層次中最低層的產(chǎn)品所在層次。它決定了FMECA工作深入、細(xì)致的程度。,某型戰(zhàn)斗機(jī)液壓系統(tǒng)約定層次示例圖,,嚴(yán)酷度類別： Ⅰ類-災(zāi)難的，引起人員死亡或系統(tǒng)毀壞； Ⅱ類-致命的

44、，引起人員的嚴(yán)重傷害、重大經(jīng)濟(jì)損失或?qū)е氯蝿?wù)失效的系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p壞； Ⅲ類-臨界的，引起人員的輕度損害延遲或降級的系統(tǒng)輕度損壞； Ⅳ類-輕度的，不足以導(dǎo)致人員傷害、一定的經(jīng)濟(jì)損失或系統(tǒng)損壞的故障，但它會導(dǎo)致非計劃性維修。3、嚴(yán)重度分析 (1)定性分析方法 K ：產(chǎn)品工作期間內(nèi)某一故障模式的發(fā)生概率與產(chǎn)品在該期間內(nèi)總的故障概率的比值。 A級是經(jīng)常發(fā)生的，K＞20％；

45、 B級是有時發(fā)生的，10%＜K＜20%； C級是偶然發(fā)生的，1％＜K＜10％； D級是很少發(fā)生的，0.1%＜K＜1％； E級是極少發(fā)生的，K＜0.1%。,嚴(yán) 重 度 矩 陣,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（2）定量分析方法-嚴(yán)重度分析表,固體火箭發(fā)動機(jī)失效模式后果分析,4、 FMEA和CA的目的、用途總結(jié),（1）找出產(chǎn)品的所有可能的故

46、障模式及其影響，并進(jìn)行定性分析，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施（2）為確定嚴(yán)酷度為Ⅰ、Ⅱ類故障模式清單和單點故障模式清單提供定性依據(jù)（3）作為維修性、安全性、測試性、保障性設(shè)計與分析的輸入（4）為確定可靠性試驗、壽命試驗的產(chǎn)品項目清單提供依據(jù)（5）為確定關(guān)鍵、重要件清單提供定性信息,用途,按每一個故障模式的嚴(yán)酷度及其發(fā)生的概率所產(chǎn)生的綜合影響進(jìn)行劃等分類。主要從風(fēng)險分析的角度對FMEA進(jìn)行補充、擴(kuò)展。,分析產(chǎn)品中所有可能產(chǎn)生的故障模式

47、及其對產(chǎn)品所造成的所有可能影響,并按每一個故障模式的嚴(yán)酷度予以分類的一種自下而上進(jìn)行歸納的分析技術(shù),目的,CA,FMEA,,,,,,,,,§5.2 故障樹分析 1、FTA -Fault Tree Analysis 故障樹分析是一種針對某個特定的不希望發(fā)生的事件的演繹推理分析，是一種將系統(tǒng)故障形成的原因進(jìn)行由上而下由總體至部件按樹枝狀逐級細(xì)化的分析方法。2、故障樹的建造 （1）建造故障樹使用的符號

48、 ?事件符號 ?邏輯門符號 ?轉(zhuǎn)移符號,（2）建樹的一般步驟 （a）把最不希望發(fā)生的系統(tǒng)故障事件作為頂事件； （b）找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的必要的或充分的直接原因，把它們作為第二級 ； （c）再找出導(dǎo)致第二級故障事件發(fā)生的直接因素作為第三級，如此依次逐級展開，一直追溯到那些不能再展開或毋需再深究的最基本的故障事件為止 ； （d）把頂事件、中間事件和底事件用適當(dāng)?shù)倪壿?/p>

49、門自上而下逐級連結(jié)起來 。,室內(nèi)照明電路的故障樹構(gòu)造,示例＿不同頂事件１,示例＿不同頂事件2,,3、故障樹的數(shù)學(xué)描述（1）故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù),,（2）故障樹“與門”結(jié)構(gòu)函數(shù),（3）故障樹“或門”的結(jié)構(gòu)函數(shù),（4）n中取k的結(jié)構(gòu)函數(shù),（5）簡單“與”“或”門混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)函數(shù),局部代替法:,4、可靠性框圖與故障樹的等價關(guān)系（1）可靠性串聯(lián)系統(tǒng),（2）可靠性并聯(lián)系統(tǒng),（3）混合門故障樹,,,（4）n中取k的故障樹,,,5、故障樹的定性分析

50、（1）用最小割集表示故障樹,故障樹割集：故障樹中一些底事件的集合，當(dāng)這些底事件發(fā)生時，頂事件必然發(fā)生。,故障樹最小割集：若將割集中所含的底事件任意去掉一個就不再成為割集了，最小割集用C表示。,故障樹中有一個最小割集發(fā)生，頂事件就發(fā)生：,（2）最小路集表示故障樹,故障樹路集：故障樹中一些底事件的集合，當(dāng)這些底事件不發(fā)生時，頂事件必然不發(fā)生。,故障樹最小路集：若將路集中所含的底事件任意去掉一個就不再成為路集了，最小路集用L表示。,只要有一個

51、最小路集存在，頂事件就不發(fā)生：,（3）對偶函數(shù)用于故障樹分析,,（a）,（b）,對偶故障樹性質(zhì)： 原樹的最小割集是其對偶樹的最小路集；原樹的最小路集是其對偶樹的最小割集。（4）最小割集的求法 （a）下行法 沿著故障樹自上而下進(jìn)行，即從頂事件開始，順次將上排事件置換為下排事件。遇到“與”門，將門的輸入橫向并列寫出，遇到“或”門則將門的輸入豎向串列寫出，直到全部門都置換為底事件為止。 集合運算規(guī)則：,最小割集為：,（b）上行

52、法 由下至上，把上一層事件表示成下一層事件之“積”或“和”的形式，“與門”表示為積，“或門”表示為和，直至頂事件為止。,（5）最小路集求法 （a）利用對偶函數(shù)性質(zhì) 變換故障樹的邏輯關(guān)系，“與”門換為“或”門，“或”門換為“與”門 ，該樹最小割集即原樹的最小路集 。,（b）補函數(shù)法 先求最小割集，用最小割集表示故障樹；然后將頂事件與底事件用補函數(shù)代替，并消去補函數(shù)。,?最小割集表示故障樹：,?頂事件與底事件取補：,?消

53、去補函數(shù)得，最小路集表示故障樹：,（6）用最小割集對故障樹進(jìn)行定性評價 最小割集的“階數(shù)”：最小割集所含底事件數(shù)目。 定性分析比較規(guī)則： （a）比較小概率失效元件組成的各系統(tǒng)故障概率時，其故障樹所含最小割集的最小階數(shù)越小，系統(tǒng)故障率越高；當(dāng)最小階數(shù)相同時，該階數(shù)的最小割集個數(shù)越多，系統(tǒng)故障率越高。 （b）比較同一系統(tǒng)中各底事件的重要性時，按各底事件在不同階數(shù)的最小割集中出現(xiàn)的次數(shù)來確定其重要性

54、大小。所在最小割集的階數(shù)越小，出現(xiàn)次數(shù)越多，重要性越大。,6、故障樹定量計算（1）利用概率加法公式計算頂事件發(fā)生概率 設(shè)有n個任意集合，則:,例，求下圖頂事件發(fā)生概率，已知各底事件不可靠度為：,最小割集為：,（2）不交并運算：也稱邏輯不交和，是首先把輸入變量不交化處理，再進(jìn)行 “并”運算的一種方法。 運算符號為 。,,,,,不交并公式：,例，解：,例，求下圖頂事件發(fā)生概率，已知各底事件不可靠度為：,最小路集為：,（

55、3）底事件重要度分析及計算 (a)單元概率重要度 含義：單元故障概率變化對頂事件故障概率變化的影響大小。,-第i個單元的概率重要度；,-系統(tǒng)的故障概率 ；,-第i個單元的故障概率。,例：故障樹如下圖所示，求各單元概率重要度，已知：,(b)單元結(jié)構(gòu)重要度 臨界狀態(tài)：系統(tǒng)中某個單元從正常變?yōu)槭В◤?變?yōu)?），假設(shè)其他單元狀態(tài)不變，若系統(tǒng)從正常變?yōu)槭В◤?變?yōu)?） ，即認(rèn)為系統(tǒng)處于臨界狀態(tài) 。,單元X1對應(yīng)的臨界狀

56、態(tài)數(shù)為3。,單元X2對應(yīng)的臨界狀態(tài)數(shù)為1。,第j個單元的臨界狀態(tài)數(shù)：,第j個單元的單元結(jié)構(gòu)重要度 ：,-第j個單元結(jié)構(gòu)重要度；,n- 系統(tǒng)中全部單元的個數(shù) ；,-第j個單元的臨界狀態(tài)數(shù) 。,單元結(jié)構(gòu)重要度是反映各單元在故障樹結(jié)構(gòu)中重要程度的量值，與該單元的發(fā)生概率大小無關(guān)。,例：求下圖所示故障樹各單元結(jié)構(gòu)重要度。,（c）單元相對概率重要度,不僅反映該單元故障概率重要度的影響，而且還反映該單元故障概率改進(jìn)的難易程度。相對概率越大，改進(jìn)

57、越容易；越小，改進(jìn)越難。,例：求下圖故障樹中各單元的相對概率重要度。,7、故障樹分析的特點（1）、直觀、形象的邏輯演繹 故障樹分析是一種事件邏輯圖解，以清晰的圖形表述了系統(tǒng)的內(nèi)在邏輯關(guān)系。從上向下分析，就可找出系統(tǒng)故障與哪些部件、零件的狀態(tài)有關(guān)，全面弄清引起系統(tǒng)故障的原因和部位；由下端往上追溯，則可分辨零件、部件故障對系統(tǒng)故障的影響及其傳播途徑。（2）、靈活、方便 不僅可以分析系統(tǒng)硬件本身固有的故障對系統(tǒng)的影響，還可以對

58、導(dǎo)致這些元部件的環(huán)境的和人為的原因進(jìn)行分析。 （3）、通用、可算 既可進(jìn)行定性分析，又可進(jìn)行定量分析。,,FTA與FMECA兩種方法對比,第六章 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計,§6.1 概述 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計：是指在遵循系統(tǒng)工程規(guī)范的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用一些專門技術(shù)，將可靠性“設(shè)計”到系統(tǒng)中去，以滿足系統(tǒng)可靠件的要求。 1、可靠性設(shè)計的重要性 (1)設(shè)計規(guī)定了系統(tǒng)的固有可靠性; (2)有

59、利于同類產(chǎn)品之間的競爭; (3)在設(shè)計階段采取措施，提高產(chǎn)品的可靠性，耗資最少，效果最佳。 2、可靠性設(shè)計的目的、任務(wù)和內(nèi)容 (1)可靠性設(shè)計的目的和任務(wù) 目的：就是在綜合考慮產(chǎn)品的性能、可靠性、費用和時間等因素的基礎(chǔ)上，通過采用相應(yīng)的可靠性設(shè)計技術(shù)，使產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)符合所規(guī)定的可靠性要求。,任務(wù)：通過設(shè)計，基本實現(xiàn)系統(tǒng)固有可靠性。（2）可靠性設(shè)計的主要內(nèi)容 (a)建立可靠性模型，進(jìn)行可靠性指

60、標(biāo)的預(yù)計和分配； 可靠性模型：指系統(tǒng)的可靠性結(jié)構(gòu)模型(也稱為可靠性方框圖)及其數(shù)學(xué)模型。 (b)進(jìn)行各種可靠性分析：FMECA、FTA、熱分析； (c)采取各種有效的可靠性設(shè)計方法:電磁兼容性設(shè)計、冗余設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、潛在通路分析 。 ?§6.2 可靠性預(yù)計 1、定義 可靠性預(yù)計：是一種預(yù)測方法，是在產(chǎn)品可靠性結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)同類產(chǎn)品在研制過程及使用中所得到的失效數(shù)據(jù)

61、和有關(guān)資料，預(yù)測產(chǎn)品及其單元在今后的實際使用中，所能達(dá)到的可靠性水平。,2、可靠性預(yù)計方法 （1）元器件計數(shù)法 元器件計數(shù)法：根據(jù)設(shè)備中各種元器件的數(shù)量，以及該種元器件的基本失效率、元器件的質(zhì)量等級及設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境類別來估算產(chǎn)品可靠性的一種方法。,-系統(tǒng)總的失效率；,-第i種元器件的失效率；,-第i種元器件的質(zhì)量系數(shù)；,-第i種元器件的數(shù)量；,-系統(tǒng)所用元器件的種類數(shù)。,（2）上下限法 基本思想：要預(yù)計某一個系統(tǒng)的可靠性，

62、首先預(yù)計兩個近似值，其中一個稱為可靠度的上限，另一個稱為可靠度的下限。然后取上下限的幾何平均值作為系統(tǒng)可靠度的預(yù)計值(Rs)。 上限(R上)：在2n個狀態(tài)中，選出概率值較大、計算較方便的故障狀態(tài)，用1減去它們的概率之和得出系統(tǒng)可靠度的上限； 下限(R下) ：在2n個狀態(tài)中選出概率值較大、計算較方便的正常工作狀態(tài)，它們的概率之和作為系統(tǒng)可靠度的下限。,(a)上限的預(yù)計 ①第一次預(yù)計 只考慮所有串聯(lián)單元中至少有一個故障

63、的故障狀態(tài)。,m-串聯(lián)單元的個數(shù)。,②第二次預(yù)計 考慮當(dāng)串聯(lián)單元是正常時，同一并聯(lián)單元中兩個元件同時發(fā)生故障所引起系統(tǒng)故障的情況。,x-同一并聯(lián)單元中二個元件同時故障引起系統(tǒng)故障的狀態(tài)數(shù)。,(b)下限R下的預(yù)計 ①下限第一次預(yù)計 只考慮沒有單元故障時，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)的倩況。,n-整個系統(tǒng)的單元數(shù) 。,②下限第二次預(yù)計 考慮并聯(lián)單元中只有一個元件故障時，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)的情況。,q-并聯(lián)單元中一個元件故障發(fā)生后

64、，系統(tǒng)能正常工作的狀態(tài)數(shù)。,③下限第三次預(yù)計 考慮處于同一并聯(lián)單元中，有兩個元件發(fā)生故障時，系統(tǒng)正常工作狀態(tài)的情況。,p-并聯(lián)單元中二個元件故障后系統(tǒng)能正常工作的狀態(tài)數(shù)。,系統(tǒng)可靠度的預(yù)計值：,§6.3 可靠性指標(biāo)分配1、可靠性指標(biāo)分配的定義、目的 可靠性指標(biāo)分配：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)書中規(guī)定的可靠性指標(biāo)，按照一定的分配原則和分配方法，合理的分配給組成該系統(tǒng)的各分系統(tǒng)、設(shè)備、單元和元器件，并將它們寫入相應(yīng)的設(shè)計任務(wù)書或

65、經(jīng)濟(jì)技術(shù)合同中。 目的：使各級設(shè)計人員明確產(chǎn)品可靠性設(shè)計的要求，將產(chǎn)品的可靠性定量要求分配到規(guī)定的層次中去，通過定量分配，使整體和部分的可靠性定量要求協(xié)調(diào)一致。,2、可靠性指標(biāo)分配的準(zhǔn)則 (1)對于復(fù)雜度高的分系統(tǒng)、設(shè)備等，應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)； (2)對于技術(shù)上不成熟的產(chǎn)品，分配較低的可靠性指標(biāo)； (3)對丁處于惡劣環(huán)境條件下工作的產(chǎn)品，應(yīng)分配較低的可靠性指標(biāo)； (4)對于需要長期工作的產(chǎn)品，分配較低的可靠性指標(biāo)；

66、(5)對于重要度高的產(chǎn)品，應(yīng)分配較高的可靠性指標(biāo)。,3、可靠性指標(biāo)的分配方法（1）串聯(lián)系統(tǒng)可靠性分配 (a)等分配法,(b)評分分配法 ?復(fù)雜度：分配可靠度的設(shè)備元部件數(shù)目占系統(tǒng) 元部件總數(shù)的百分比。最低評1分，最高評10分。 ?技術(shù)成熟程度：最成熟評1分，最不成熟評10分。 ?環(huán)境條件：環(huán)境條件最好的評1分，最惡劣的評10分。 ?重要度：分配可靠度的設(shè)備故障引起的系統(tǒng)故障的概率最高評1分，最低評10

67、分。,分配給第個單元的失效率：,-第i個單元的分配系數(shù)；,-系統(tǒng)失效率。,-第i個單元的評分?jǐn)?shù)；,-系統(tǒng)的總評分?jǐn)?shù)。,-第i個單元；,-第j個因素的評分?jǐn)?shù)；,-某單元代號 。,某型發(fā)動機(jī)統(tǒng)計數(shù)據(jù),(c)失效率加權(quán)分配法 適用于壽命服從指數(shù)分布的串聯(lián)系統(tǒng)中，分配給各單元的失效率：,-系統(tǒng)的總失效率；,-各單元的權(quán)值 。,-各單元的失效率初值。,驗證是否成立：,(d)重要度與復(fù)雜度分配法（AGREE）,-第i個單元的零部件數(shù)；,-系

68、統(tǒng)中零部件總數(shù)；,-第i個單元的重要度。,-第i個單元故障引起系統(tǒng)故障次數(shù)；,-第i個單元故障總次數(shù)。,指數(shù)分布：,(2)并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性分配 (a)冗余系統(tǒng)等分配法,-系統(tǒng)的故障概率；,-并聯(lián)單元的故障概率；,-系統(tǒng)的并聯(lián)單元數(shù)。,(b)經(jīng)驗比例分配法,-單元的失效率估計值。,3、可靠性分配與預(yù)計的關(guān)系,§6.4 潛在通路分析1、定義 潛在通路：指的是在某種條件下，電路中產(chǎn)生不希望有的通路，它能引起系統(tǒng)功能異?；?/p>

69、抑制正常功能 。,2、潛在通路的分析方法(1)進(jìn)行電路數(shù)據(jù)的搜集； (2)簡化電路； (3)形成網(wǎng)絡(luò)樹。,判斷潛在通路的三條線索，如下三條有一條回答 “是”，則存在潛在通路：?當(dāng)需要負(fù)載L時，開關(guān)S是否處于斷開狀態(tài);?當(dāng)不需要負(fù)載L時，開關(guān)S是否處于閉合狀態(tài);?負(fù)載L接入或脫離電路時S是否指示斷開或閉合。,3、潛在通路的主要表現(xiàn)形式(1)潛在電路：在某種條件下，電路中產(chǎn)生不希望的通路，它會引起功能異?；蛞种普５墓δ?。(