飛行器可靠性設(shè)計(jì)

1、,可靠性、維修性、保障性基礎(chǔ),航空學(xué)院 喻天翔,在生活中,對(duì)于任何一種民用產(chǎn)品或者武器系統(tǒng)，人們希望它不但具有優(yōu)良的性能，價(jià)格適中，而且不易發(fā)生故障，經(jīng)久耐用。后兩者就是指產(chǎn)品的可靠性和耐久性。,美國空軍的提法，“可靠性與維修性是戰(zhàn)斗力的乘數(shù)，今天的可靠性與維修性，就是明天的戰(zhàn)斗力”。,產(chǎn)品的質(zhì)量低劣，可靠性不高，耐久性很差，不僅會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，工廠信譽(yù)下降，甚至?xí)＜叭松戆踩皣业陌踩?。例如：前蘇聯(lián)的“聯(lián)盟11號(hào)”宇宙飛船返

2、回時(shí)，因壓力閥門提前打開而造成三名宇航員全部死亡。,課程目標(biāo),1、理解和掌握可靠性、維修性和保障性基本概念；2、了解可靠性、維修性和保障性的發(fā)展；3、通過調(diào)研獲悉某個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和趨勢(shì)。,第一章 基本概念,一、可靠性定義,1、從工程角度：可靠性可直觀定義為產(chǎn)品無故障完成任 務(wù)的能力,2、從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度：1957年美國電子設(shè)備咨詢組發(fā)表的報(bào)告中把可靠性定義為“在規(guī)定的時(shí)間和給定的條件下無故障完成規(guī)定功能的概率，即

3、可靠度。,4、進(jìn)入90年代后，可靠性的概念有了新的發(fā)展，1991年美國國防部指令《國防采辦管理政策和程序》把可靠性定義為“系統(tǒng)及其組成部分在無故障、無退化或不要求保障系統(tǒng)的情況下執(zhí)行其功能的能力?！?3、我國國軍標(biāo)GJB451-90把可靠性定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。可靠性的概率度量亦稱可靠度。,5、70年代是可靠性發(fā)展步入成熟的階段……,6、80年代以來，可靠性向著更深、更廣的方向發(fā)展……,三、可靠性

4、問題的分類,二、可靠性問題的提出與發(fā)展,1、可靠性的概念最早來源于航空領(lǐng)域：二戰(zhàn)期間……,2、40年代是可靠性萌芽時(shí)期……,3、50年代是可靠性興起和形成的年代……,4、60年代是可靠性工程全面發(fā)展的階段……,2、從設(shè)計(jì)的角度分：基本可靠性和任務(wù)可靠性 前者考慮要求保障的所有故障的影響，用于度量產(chǎn)品無需保障的工作能力，包括與維修和供應(yīng)有關(guān)的可靠性，通常用平均故障間隔時(shí)間（MTBF）來度量；后者僅考慮造成任務(wù)失敗的故障影響，用

5、于描述產(chǎn)品完成任務(wù)的能力，通常用任務(wù)可靠度（MR）和致命性故障間隔任務(wù)時(shí)間（MTBCF）來度量。,1、從應(yīng)用的角度分：固有可靠性和使用可靠性 前者僅考慮承制方在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中能控制的故障事件，用于描述產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造的可靠性水平，后者綜合考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、安裝環(huán)境、維修策略等因素，用于描述產(chǎn)品在計(jì)劃的環(huán)境中使用的可靠性水平。,2、可靠性物理：主要研究元器件、系統(tǒng)失效的機(jī)理、物理原因和物理模型，提出改進(jìn)措施。,3、可靠性工程：

6、其內(nèi)容包含有可靠性分析、預(yù)測(cè)與評(píng)估、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性管理、可靠性生產(chǎn)、可靠性維修、可靠性試驗(yàn)以及可靠性數(shù)據(jù)收集處理和交換技術(shù)等。,四、可靠性研究的主要內(nèi)容,1、可靠性數(shù)學(xué)：主要研究可靠性定量描述方法；研究可靠性理論及數(shù)學(xué)規(guī)律；研究計(jì)算可靠性各種指標(biāo)的方法，提出完善產(chǎn)品可靠性的方法。,五、現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)思想涉及的主要概念及關(guān)系圖,1、可靠性：系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無故障完成規(guī)定功能的能力，它是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特性。常用的可靠度指標(biāo)是平

7、均無故障工作時(shí)間(MTBF或MTTF)。,2、維修性：系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的能力。維修性是可靠性的重要補(bǔ)充，指的是系統(tǒng)維修的難易程度，是設(shè)計(jì)決定的質(zhì)量特性，其概率度量為維修度。常用的維修度指標(biāo)是平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)。,3、保障性：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特性和計(jì)劃的保障資源滿足平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)使用要求的能力。保障性包含了兩個(gè)不同性質(zhì)的內(nèi)容，即設(shè)計(jì)特性和保障資源。,4、可用性：系統(tǒng)在任一

8、隨機(jī)時(shí)刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度。它是將飛機(jī)系統(tǒng)R&M&S（即可靠性、維修性、保障性）特性變換成效能時(shí)的一個(gè)綜合參數(shù)。,5、任務(wù)可靠性：系統(tǒng)在規(guī)定的任務(wù)剖面內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。它反映了系統(tǒng)對(duì)任務(wù)成功性的要求，是在平時(shí)的自然環(huán)境中和戰(zhàn)時(shí)的敵對(duì)環(huán)境中，不考慮人為敵對(duì)因素的情況下，系統(tǒng)完成任務(wù)的能力。,6、生存性：飛機(jī)系統(tǒng)避開或承受人為敵對(duì)環(huán)境的能力,,,7、可信性：是指整個(gè)任務(wù)期間，飛機(jī)系統(tǒng)持續(xù)工

9、作的能力。它綜合了飛機(jī)的生存性及任務(wù)可靠性，是反映系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)能力的重要特性。,8、能力：是指飛機(jī)在自然使用環(huán)境及敵對(duì)環(huán)境下均正常連續(xù)工作時(shí)，飛機(jī)能否完成任務(wù)(如摧毀目標(biāo))，它給出的是理想任務(wù)狀態(tài)下可能的結(jié)果，代表系統(tǒng)純粹的作戰(zhàn)能力，它受系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性、武器的精度、作用距離、殺傷力及其他設(shè)備的性能影響。,9、有效性：飛機(jī)系統(tǒng)的效能是其可用性、可信性及性能的綜合反映，它是系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)能力的最終量度。有效性可寫作E=A?D?C，式中E為系統(tǒng)有效性。飛

10、機(jī)的可用性、可信性及能力是在作戰(zhàn)任務(wù)的不同環(huán)境及不同時(shí)期中起作用的，三者是互相依托的。若可用性不高，則在任務(wù)初期就只有很低的出動(dòng)架次率，那么成功完成任務(wù)的可能性顯然就很小。類似地，可用性高但可信性不高或者可用性、可信性均高而能力不高等都會(huì)對(duì)任務(wù)的完成有很大的影響。,10、全壽命周期費(fèi)用：費(fèi)用問題是飛機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。隨著設(shè)計(jì)技術(shù)與設(shè)計(jì)要求的提高，各項(xiàng)費(fèi)用均大幅度提高。主要涉及到的費(fèi)用有：研制費(fèi)用、生產(chǎn)費(fèi)用、使用和保障費(fèi)用。,六、可靠

11、性術(shù)語,故障：系統(tǒng)或（元件）沒有完成預(yù)定功能，稱其發(fā)生了故障，也稱失效、破壞等。,1、故障概率函數(shù),（1）故障累積函數(shù),是產(chǎn)品在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)失效的概率，其值等于1減可靠度,T是壽命隨機(jī)變量，t是某個(gè)固定壽命值。即,是系統(tǒng),（或元件）壽命T不超過t的概率，也就是在t時(shí)刻之前，系統(tǒng)（或元件）的破壞概率。,（2）故障密度函數(shù),顯然,累積失效概率對(duì)時(shí)間的變化率，產(chǎn)品在單位時(shí)間內(nèi)的失效概率。,,,2、可靠度函數(shù),（1）可靠度函數(shù)R(t)是

12、產(chǎn)品使用到t時(shí)刻不破壞的概率。,可見,（2）可靠度R(t) 的性質(zhì),3、故障率（失效率）,（1）區(qū)間故障率,指在一個(gè)區(qū)間[t1，t2]，產(chǎn)品在區(qū)間點(diǎn)t1以前沒有發(fā)生故障，在該區(qū)間中單位時(shí)間發(fā)生故障的概率與該故障發(fā)生總概率的比值。,可見，區(qū)間故障率,表示的是單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品可靠度,的相對(duì)損失。,（2）瞬時(shí)故障率,可見，瞬時(shí)故障率表示的是產(chǎn)品使用到t時(shí)刻未破壞，再繼續(xù)使用下去，在隨后的單位時(shí)間內(nèi)的破壞概率。,4、四個(gè)函數(shù)之間的關(guān)系圖,可見,、

13、,、,、,四者之間只要知道其中,中一個(gè)，就可以求得其余三者,例1：假設(shè)某電子產(chǎn)品壽命,，求,、,、,解：根據(jù)已知條件有：,因此：,故,可見，對(duì)于壽命服從指數(shù)分布的情況，失效率函數(shù)是一個(gè)常數(shù)。,5、電子元件常見的典型失效分布,對(duì)于電子元件，常用失效率函數(shù)（風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)） 來描述其失效情況。 失效率函數(shù)有三種類型：（1）隨時(shí)間的增長而增長；（2）隨時(shí)間增長而下降；（3）與時(shí)間無關(guān)。如圖2-1所示。,圖2-1

14、 、 、 間的關(guān)系圖,對(duì)應(yīng)于上述三種失效率函數(shù)的形態(tài)，在不進(jìn)行預(yù)防性維修時(shí)，或者對(duì)于不可修復(fù)的產(chǎn)品，其失效率曲線的典型形態(tài)如圖2-2所示。由于它的形狀與浴盆的剖面相似，所以又稱為浴盆曲線(Bath-Tub Curve)。,圖2-1 電子產(chǎn)品典型失效率曲線,（1） 早期失效期 這一階段失效較高，但隨著時(shí)間增加而迅速下降。這一階段產(chǎn)品失效的原因大多是由于設(shè)計(jì)、原料和制造過程中的缺陷所造成的。,（

15、2） 偶然失效期 這一階段也稱隨機(jī)失效期或穩(wěn)定工作階段。在此期間，產(chǎn)品的失效往往帶有某種隨機(jī)性。它們是極端環(huán)境環(huán)境條件下與偶遇過大載荷引起，所對(duì)應(yīng)的失效率函數(shù)為常數(shù)。,（3） 耗損失效期 在此期間，產(chǎn)品由于老化、磨損、損耗和疲勞等綜合原因造成，失效率明顯上升。,壽命指標(biāo),1、產(chǎn)品的壽命指標(biāo),定義：對(duì)于不可修產(chǎn)品，壽命指產(chǎn)品發(fā)生失效前的工作時(shí)間或工作次數(shù)；對(duì)于可修復(fù)產(chǎn)品，壽命指產(chǎn)品兩次修復(fù)之間的工作時(shí)間或工作次數(shù)。,（1）

16、 平均壽命,平均壽命就是壽命的數(shù)學(xué)期望,在實(shí)際應(yīng)用中，常常以子樣平均壽命作為母體平均壽命的近似估計(jì)值，樣本數(shù)n越大，估計(jì)值的準(zhǔn)確性越高。,例2：假設(shè)某電子產(chǎn)品壽命,，求其平均壽命,解：根據(jù)已知條件有：,因此：,即當(dāng)壽命T為指數(shù)分布時(shí)，平均壽命等于失效率的倒數(shù)。,當(dāng),時(shí)，,即能夠工作到平均壽命的產(chǎn)品僅有36.79%左右，在這種簡單指數(shù)分布的情況下，約有63.21%的產(chǎn)品將在達(dá)到平均壽命前失效，這是它的特征。 可見平均壽命只能大致

17、反映產(chǎn)品壽命的平均壽命水平，不能真正反映產(chǎn)品的壽命情況。,（2） 壽命方差及標(biāo)準(zhǔn)差,壽命方差及標(biāo)準(zhǔn)差是用來反映產(chǎn)品壽命離散程度的特征值。,對(duì)于離散型壽命,對(duì)于連續(xù)型壽命,（3） 可靠壽命與中位壽命,可靠壽命：設(shè)產(chǎn)品的可靠度函數(shù)為 ，使可靠度等于給定值 的時(shí)間 稱為可靠壽命，其中 為可靠性水平。,中位壽命：產(chǎn)品壽命可靠性水平 時(shí)對(duì)應(yīng)的可靠壽命,例3：已知失效率函數(shù)

18、 ， 求任意可靠度 時(shí)的可靠壽命,解：,因此,例4：已知某產(chǎn)品的失效率為常數(shù)： ， 可靠度函數(shù) ，試求可靠度 的相應(yīng)可靠壽命 和中位壽命 。,解：因 ，故有 兩邊取對(duì)數(shù),得,

19、中位壽命：,有效壽命：偶然失效期的壽命成為有效壽命,也叫使用壽命,更換壽命:到了一定時(shí)間必須更換,失效率遞增階段,篩選壽命:失效率函數(shù)遞減階段，在某時(shí)刻t前進(jìn)行更換或者篩選,在這時(shí)刻以后可不必更換,此時(shí)t稱為篩選壽命,特征壽命：,可靠度 的可靠壽命稱為特征壽命,七、維修性術(shù)語及衡量尺度,定義：為了保持元器件、零部件、機(jī)器、設(shè)備及系統(tǒng)等產(chǎn)品在使用中的規(guī)定功能及其指標(biāo)，或?yàn)榱耸构ぷ髦谐霈F(xiàn)故障或缺陷的產(chǎn)品得以修復(fù)，而采取的各種措施和

20、進(jìn)行的各項(xiàng)工作，稱為對(duì)產(chǎn)品的維修。為了確保產(chǎn)品在故障后迅速維持良好狀態(tài)，用來衡量這種易于維修的性能，叫維修性。用維修度來衡量：對(duì)可能維修產(chǎn)品在發(fā)生故障或失效后在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間（0，t)內(nèi)完成修復(fù)的概率。,,平均修理時(shí)間,(Mean Time To Repair)指可修復(fù)的產(chǎn)品的平均修理時(shí)間(總維修活動(dòng)時(shí)間(h)／維修次數(shù))。MTTR為指數(shù)分布時(shí)候,修復(fù)率,修復(fù)率是指“維修時(shí)間已達(dá)到某一時(shí)刻但尚未修復(fù)的產(chǎn)品在該時(shí)刻后的單位時(shí)間

21、內(nèi)完成修理的概率”，,,,,維修三要素：(1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的維修方便性(2)修理人員的修理技能(3)維修系統(tǒng)的效能,八、保障性術(shù)語及衡量尺度,保障性是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特性和計(jì)劃的保障資源能滿足平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)使用要求的能力(GJB 451-90)。保障性是裝備系統(tǒng)的固有屬性，它包括兩方面的含義，即與裝備保障有關(guān)的設(shè)計(jì)特性和保障資源的充足和適用程度。1）保障性的設(shè)計(jì)特性；2）保障資源；,保障性參數(shù)是用于定性和定量地描述裝備保障性的參數(shù)。保障性

22、參數(shù)可分為三類：1）保障性綜合參數(shù)； 戰(zhàn)備完好性目標(biāo)值，使用可用度；2）保障性設(shè)計(jì)參數(shù)； MTBF；MTTR。。。3）保障資源參數(shù)； 人員數(shù)量與技術(shù)等級(jí)；保證設(shè)備和工具類型，備件種類和數(shù)量；,九、可靠性及維修性中常見的統(tǒng)計(jì)分布,指數(shù)分布,,,威布爾分布,,,,,,正態(tài)分布,,,,,,,,(a) 兩個(gè)正態(tài)分布，同標(biāo)準(zhǔn)差但不同均值 （b）三個(gè)正態(tài)分布，同均值但不同標(biāo)準(zhǔn)差,,對(duì)數(shù)正態(tài)分布,,,,,,,極值分布,,

23、,,,,,,,極小值分布,極大值分布,伽馬分布,,,,,,,,,,,二項(xiàng)分布,,,,,,,,,,泊松分布,,,,,,,,,,,如果隨機(jī)事件在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的平均次數(shù)是一個(gè)常數(shù)，事件在任一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的次數(shù)與在任一其他時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的次數(shù)無關(guān)，并且兩個(gè)或更多個(gè)事件同時(shí)發(fā)生的機(jī)會(huì)很小(可以忽略不計(jì))，則該隨機(jī)事件服從泊松分布。,大作業(yè),電子可靠性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析結(jié)構(gòu)可靠性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可靠性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

24、分析機(jī)構(gòu)可靠性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析系統(tǒng)可靠性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析維修性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析保障性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析可靠性物理方法技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析軟件可靠性技術(shù)發(fā)展及趨勢(shì)分析Weibull分布的分析技術(shù)發(fā)展等等….,要求：10-20篇近10年（2000年后的）國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展論文；國外論文要求至少5-10篇；國內(nèi)期刊要求期刊級(jí)別至少核心期刊以上；條理清晰，邏輯關(guān)系嚴(yán)謹(jǐn)；自選主題，圍繞某個(gè)主題技術(shù)發(fā)