工程可靠性分析.ppt
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1、,工程可靠性分析基础,第一章 基本概念,一、可靠性定义,1、从工程角度:可靠性可直观定义为产品无故障完成任 务的能力,2、从统计学角度:1957年美国电子设备咨询组发表的报告中把可靠性定义为“在规定的时间和给定的条件下无故障完成规定功 能的概率,即可靠度。,3、我国国军标GJB451-90把可靠性定义为: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。,4、进入90年代后,可靠性的概念有了新的发展,1991年美国国防部指令国防采办管理政策和程序把可靠性定义为“系统及其组成部分在无故障、无退化或不要求保障系统的情况下执行其功能的能力。”,对于任何一种民用产品或者
2、武器系统,人们希望它不但具有优良的性能,价格适中,而且不易发生故障,经久耐用。后两者就是指产品的可靠性和耐久性。,产品的质量低劣,可靠性不高,耐久性很差,不仅会造成极大的经济损失,工厂信誉下降,甚至会危及人身安全及国家的安全。例如:前苏联的“联盟11号”宇宙飞船返回时,因压力阀门提前打开而造成三名宇航员全部死亡。,5、70年代是可靠性发展步入成熟的阶段,6、80年代以来,可靠性向着更深、更广的方向发展,三、可靠性问题的分类,二、可靠性问题的提出与发展,1、可靠性的概念最早来源于航空领域:二战期间,2、40年代是可靠性萌芽时期,3、50年代是可靠性兴起和形成的年代,4、60年代是可靠性工程全面发
3、展的阶段,2、从设计的角度分:基本可靠性和任务可靠性 前者考虑要求保障的所有故障的影响,用于度量产品无需保障的工作能力,包括与维修和供应有关的可靠性,通常用平均故障间隔时间(MTBF)来度量;后者仅考虑造成任务失败的故障影响,用于描述产品完成任务的能力,通常用任务可靠度(MR)和致命性故障间隔任务时间(MTBCF)来度量。,1、从应用的角度分:固有可靠性和使用可靠性 前者仅考虑承制方在设计和生产中能控制的故障事件,用于描述产品的设计和制造的可靠性水平,后者综合考虑产品设计、制造、安装环境、维修策略等因素,用于描述产品在计划的环境中使用的可靠性水平。,2、可靠性物理:主要研究元器件、系统失效的机
4、理、物理原因和物理模型,提出改进措施。,3、可靠性工程:其内容包含有可靠性分析、预测与评估、可靠性设计、可靠性管理、可靠性生产、可靠性维修、可靠性试验以及可靠性数据收集处理和交换技术等。,四、可靠性研究的主要内容,1、可靠性数学:主要研究可靠性定量描述方法;研究可靠性理论及数学规律;研究计算可靠性各种指标的方法,提出完善产品可靠性的方法。,五、现代飞机设计思想涉及的主要概念及关系图,1、可靠性:系统在规定的条件下和规定的时间内无故障完成规定功能的能力,它是系统的设计特性。常用的可靠度指标是平均无故障工作时间(MTBF或MTTF)。,2、维修性:系统在规定的条件下和规定的时间内,按规定的程序和方
5、法进行维修时,保持或恢复其规定状态的能力。维修性是可靠性的重要补充,指的是系统维修的难易程度,是设计决定的质量特性,其概率度量为维修度。常用的维修度指标是平均修复时间(MTTR)。,3、保障性:系统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。保障性包含了两个不同性质的内容,即设计特性和保障资源。,4、可用性:系统在任一随机时刻需要和开始执行任务时,处于可工作或可使用状态的程度。它是将飞机系统R&M&S(即可靠性、维修性、保障性)特性变换成效能时的一个综合参数。,5、任务可靠性:系统在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。它反映了系统对任务成功性的要求,是在平时的自然环境中和战时的敌对
6、环境中,不考虑人为敌对因素的情况下,系统完成任务的能力。,6、生存性:飞机系统避开或承受人为敌对环境的能力,7、可信性:是指整个任务期间,飞机系统持续工作的能力。它综合了飞机的生存性及任务可靠性,是反映系统实战能力的重要特性。,8、能力:是指飞机在自然使用环境及敌对环境下均正常连续工作时,飞机能否完成任务(如摧毁目标),它给出的是理想任务状态下可能的结果,代表系统纯粹的作战能力,它受系统的机动性、武器的精度、作用距离、杀伤力及其他设备的性能影响。,9、有效性:飞机系统的效能是其可用性、可信性及性能的综合反映,它是系统实战能力的最终量度。有效性可写作E=ADC,式中E为系统有效性。飞机的可用性、
7、可信性及能力是在作战任务的不同环境及不同时期中起作用的,三者是互相依托的。若可用性不高,则在任务初期就只有很低的出动架次率,那么成功完成任务的可能性显然就很小。类似地,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会对任务的完成有很大的影响。,10、全寿命周期费用:费用问题是飞机设计的一个重要因素。随着设计技术与设计要求的提高,各项费用均大幅度提高。主要涉及到的费用有:研制费用、生产费用、使用和保障费用。,一、可靠性术语,故障:系统或(元件)没有完成预定功能,称其发生了故 障,也称失效、破坏等。,1、故障概率函数,(1)故障累积函数,第二章 电子元件及系统可靠性分析,T是寿命随机变量
8、,t是某个固定寿命值。即,是系统,(或元件)寿命T不超过t的概率,也就是在t时刻之前,系统(或元件)的破坏概率。,(2)故障密度函数,显然,2、可靠度函数,(1)可靠度函数R(t)是产品使用到t时刻不破坏的概率。,可见,(2)可靠度R(t) 的性质,3、故障率(失效率),(1)区间故障率,指在一个区间t1,t2,产品在区间点t1以前没有发生故障,在该区间中单位时间发生故障的概率与该故障发生总概率的比值。,可见,区间故障率,表示的是单位时间内产品可靠度,的相对损失。,(2)瞬时故障率,可见,瞬时故障率表示的是产品使用到t时刻未破坏,再继续使用下去,在随后的单位时间内的破坏概率。,4、四个函数之间
9、的关系图,可见,、,、,、,四者之间只要知道其中,中一个,就可以求得其余三者,例1:假设某电子产品寿命,,求,、,、,解:根据已知条件有:,因此:,故,可见,对于寿命服从指数分布的情况,失效率函数是一个常数。,二、电子元件的可靠性分析,1、产品的寿命指标,定义:对于不可修产品,寿命指产品发生失效前的工作时间或工作次数;对于可修复产品,寿命指产品两次修复之间的工作时间或工作次数。,(1) 平均寿命,平均寿命就是寿命的数学期望,在实际应用中,常常以子样平均寿命作为母体平均寿命的近似估计值,样本数n越大,估计值的准确性越高。,例2:假设某电子产品寿命,,求其平均寿命,解:根据已知条件有:,因此:,即
10、当寿命T为指数分布时,平均寿命等于失效率的倒数。,当,时,,即能够工作到平均寿命的产品仅有36.79%左右,在这种简单指数分布的情况下,约有63.21%的产品将在达到平均寿命前失效,这是它的特征。 可见平均寿命只能大致反映产品寿命的平均寿命水平,不能真正反映产品的寿命情况。,(2) 寿命方差及标准差,寿命方差及标准差是用来反映产品寿命离散程度的特征值。,对于离散型寿命,对于连续型寿命,(3) 可靠寿命与中位寿命,可靠寿命:设产品的可靠度函数为 ,使可靠度等于给定值 的时间 称为可靠寿命,其中 为可靠性水平。,中位寿命:产品寿命可靠性水平 时对应的可靠寿命,例3:已知失效率函数 , 求任意可靠度
11、 时的可靠寿命,解:,因此,例4:已知某产品的失效率为常数: , 可靠度函数 ,试求可靠度 的相应可靠寿命 和中位寿命 。,解:因 ,故有 两边取对数,得,中位寿命:,2、电子元件常见的典型失效分布,对于电子元件,常用失效率函数(风险函数) 来描述其失效情况。 失效率函数有三种类型:(1)随时间的增长而增长;(2)随时间增长而下降;(3)与时间无关。如图2-1所示。,图2-1 、 、 间的关系图,对应于上述三种失效率函数的形态,在不进行预防性维修时,或者对于不可修复的产品,其失效率曲线的典型形态如图2-2所示。由于它的形状与浴盆的剖面相似,所以又称为浴盆曲线(Bath-Tub Curve)。,
12、图2-2 电子产品典型失效率曲线,(1) 早期失效期 这一阶段失效较高,但随着时间增加而迅速下降。这一阶段产品失效的原因大多是由于设计、原料和制造过程中的缺陷所造成的。,(2) 偶然失效期 这一阶段也称随机失效期或稳定工作阶段。在此期间,产品的失效往往带有某种随机性。它们是极端环境环境条件下与偶遇过大载荷引起,所对应的失效率函数为常数。,(3) 耗损失效期 在此期间,产品由于老化、磨损、损耗和疲劳等综合原因造成,失效率明显上升。,1 、串联模型,定义:组成系统的所有单元中任一个单元的故障均会导致整 个系统的故障,即称为串联系统。,假设一个系统中由n个元件组成,各元件的寿命为 ,且相互独立。系统
13、的寿命为:,三 、电子系统的可靠性分析,(2)系统可靠度,(1)系统的分布函数,(3)系统失效率,假设各元件 的失效率为 ,则,因此,(4)平均寿命,例1:假设某电子产品由 个元件串联组成,各元件寿命服从指数分布 ,求 、,解:因 ,故有,所以,2、并联模型,定义:组成系统的所有单元都发生故障时,系统发生故障,称为并联系统。,系统的寿命:,假设一个系统中由n个元件组成,各元件的寿命为 ,且相互独立。,(1)系统的分布函数,(2)系统可靠度,(3)系统失效率,例2:假设某电子产品由 个元件并联组成,各元件寿命服从指数分布 ,求 、,解:因 ,故有,所以,3、表决系统,定义: 个元件中, 个或 个
14、以上元件正常工作时系统才能正常工作。,一表决系统有n个元件,各元件的寿命为 ,且相互独立,假设每个元件的可靠度均为 。则:,(1)系统可靠度,(2)平均寿命,另一种形式,个元件中,当 个或 个以上元件失效时,系统即失效。,特殊情况,4、冷储备系统,备用部件在储备过程中不失效和退化。储备时间长短对以后工作也无影响。,系统的寿命:,假设一旁路系统中有n个元件,各元件的寿命为 ,且相互独立。则:,(1)系统的分布函数,用联合概率密度函数表示:,由于各元件寿命 相互独立,故:,(2)系统的平均寿命,和 比较复杂,第三章 故障树方法,一、引言,1、定义,故障树分析法是一种图形演绎方法,是故障事件在一定条
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