《失效分析》PPT课件.ppt

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1、1896192019872006三三三三 失效分析失效分析失效分析失效分析 失效分析的目的：失效分析的目的：找找出出产产品品的的失失效效特特征征、失失效效模模式式，对对可可靠靠性性加加以以预预测测，明明确确失失效效原原因因，为为提提高高产产品品的可靠性提供依据。的可靠性提供依据。典型失效率曲线典型失效率曲线 产品的可靠性取决于产品的失效率，产品的失产品的可靠性取决于产品的失效率，产品的失效随工作时间的变化可以分为早期失效、随机失效、效随工作时间的变化可以分为早期失效、随机失效、耗损失效耗损失效。1 1 失效率曲线失效率曲线(1)(1)第一段第一段递减型（递减型（DFRDFR）。）。产品投入使用

2、早期，失效率较高而下降很快。产品投入使用早期，失效率较高而下降很快。主要是由于制造缺陷、部件缺陷、差的质量控主要是由于制造缺陷、部件缺陷、差的质量控制、拙劣的工艺所造成。制、拙劣的工艺所造成。改进措施：老练试验、筛选、质量控制、验收改进措施：老练试验、筛选、质量控制、验收试验。试验。(2)(2)第二段第二段恒定型（恒定型（CFRCFR）偶然失效期、随机失效期。产品的有效工作偶然失效期、随机失效期。产品的有效工作时间，有效寿命。时间，有效寿命。主要是由于环境、随机负荷、误操作、意外主要是由于环境、随机负荷、误操作、意外的灾害以及尚不清楚的偶然因素所造成。的灾害以及尚不清楚的偶然因素所造成。可由冗

3、余、额外强度等措施来减少。可由冗余、额外强度等措施来减少。（3 3）第三段）第三段递增型（递增型（IFRIFR）主要是由于产品的疲劳、腐蚀、摩擦、循环载主要是由于产品的疲劳、腐蚀、摩擦、循环载荷、元器件、零部件老化所致。荷、元器件、零部件老化所致。通过加强对产品的降级、检查、监控、预防性通过加强对产品的降级、检查、监控、预防性维修，部件更换使失效率仍不上升，以延长有效寿维修，部件更换使失效率仍不上升，以延长有效寿命命 在规定的使用寿命期内，失效率曲线的全部变在规定的使用寿命期内，失效率曲线的全部变化过程并不全部出现。同样的产品，在不同的条件化过程并不全部出现。同样的产品，在不同的条件下使用，失

4、效率曲线的形状也不同。下使用，失效率曲线的形状也不同。常见失效率曲线常见失效率曲线 （a a）产品在正式使用前经过严格的检查、调试、）产品在正式使用前经过严格的检查、调试、筛选，早期失效期几乎不出现筛选，早期失效期几乎不出现 （b b）产品达到耗损期的时间很长，在使用寿命）产品达到耗损期的时间很长，在使用寿命内不出现耗损期，如计算机设备内不出现耗损期，如计算机设备 （c c）有些产品在整个使用期内失效率一直递增，）有些产品在整个使用期内失效率一直递增，如有缺陷的计算机软件如有缺陷的计算机软件 （d d）产品由于设计、制造不良，或由于技术原）产品由于设计、制造不良，或由于技术原因，使用不久失效率

5、就急剧上升因，使用不久失效率就急剧上升18961920198720062 2 2 2 失效模式失效模式失效模式失效模式 硬硬、软软件件的的失失效效模模式式与与其其物物理理特特性性、内在组成等有关内在组成等有关.机械零件的损坏或退化，从微观上看是起源机械零件的损坏或退化，从微观上看是起源于原子、分子的变化。常见的失效模式有于原子、分子的变化。常见的失效模式有:弹性变形失效弹性变形失效 疲劳断裂失效疲劳断裂失效 磨损失效磨损失效 蠕变失效蠕变失效 电子元件的失效模式通过废次品、早期失电子元件的失效模式通过废次品、早期失效、试验失效等形式表现出来效、试验失效等形式表现出来 。由于软件的错误导致系统输

6、出不满足规定由于软件的错误导致系统输出不满足规定的要求，称为软件失效。的要求，称为软件失效。通常由软件的内在缺陷即软件故障引起。通常由软件的内在缺陷即软件故障引起。软件的失效模式具有如下特点：软件的失效模式具有如下特点：软件的失效主要由设计缺陷造成，与拷贝无关；软件的失效主要由设计缺陷造成，与拷贝无关；软件没有磨损现象；软件没有磨损现象；软件通过纠错其可靠性随时间可能提高；软件通过纠错其可靠性随时间可能提高；软件的可靠性与其使用的环境没有直接的关系；软件的可靠性与其使用的环境没有直接的关系；同样的软件在同样的条件下发生失效，不能通过同样的软件在同样的条件下发生失效，不能通过冗余来提高其可靠性冗

7、余来提高其可靠性 。失效模型分析一般要经过初步估计和检验两个步骤。失效模型分析一般要经过初步估计和检验两个步骤。估计：估计：1 1）根据试验数据作失效频率直方图或可靠度函数图，）根据试验数据作失效频率直方图或可靠度函数图，并与已知图形比较，从而确定模型；并与已知图形比较，从而确定模型；2 2）根据产品的失效模式或以往的经验先确定失效的概）根据产品的失效模式或以往的经验先确定失效的概率分布类型，再用相应的概率纸进行图估，从而确定模型。率分布类型，再用相应的概率纸进行图估，从而确定模型。检验：检验：通过数值分析进行拟和优度检验，常用的有通过数值分析进行拟和优度检验，常用的有2 2检验法检验法和和K

8、-SK-S检验法。检验法。3 失效模型分析 在一批产品中抽取在一批产品中抽取n n个样品进行试验，测得个样品进行试验，测得其失效时间分别为其失效时间分别为t t1 1、t t2 2、t tn n，通过这，通过这些试验数据，作出失效频率直方图些试验数据，作出失效频率直方图.失效频率直方图法按下式计算分组数按下式计算分组数(Sturges(Sturges规则规则)k=1+3.3lgnk=1+3.3lgn.表示取整。按下表进行计算，得到子样分布计表示取整。按下表进行计算，得到子样分布计算表。算表。以失效时间以失效时间t t为横坐标，为横坐标，f fi i为纵坐标，作直方图，为纵坐标，作直方图，并与已

9、知失效密度曲线图形比较，从而确定模型。并与已知失效密度曲线图形比较，从而确定模型。1896192019872006可靠度函数图形法可靠度函数图形法可靠度函数图形法可靠度函数图形法 当试验数据较少时，可改为绘制可靠当试验数据较少时，可改为绘制可靠度函数曲线。度函数曲线。a.a.整理数据整理数据,得到数据表得到数据表 b.b.估计累积分布函数估计累积分布函数F(tF(ti i)当产品数当产品数n20n20时时 F(tF(ti i)=i/(n+1)()=i/(n+1)(平均秩平均秩)F(t F(ti i)=(i-0.3)/(n+0.4)()=(i-0.3)/(n+0.4)(中位秩中位秩)当产品数当产

10、品数n20n20时时 F(tF(ti i)=i/n)=i/n c.c.以失效时间以失效时间t ti i为横坐标，为横坐标，R(tR(ti i)为纵坐标，在直角坐为纵坐标，在直角坐标系中作图，并连成光滑曲线，得到可靠度函数曲线。标系中作图，并连成光滑曲线，得到可靠度函数曲线。d.d.将曲线与已知的各类可靠度函数曲线图形比较，从将曲线与已知的各类可靠度函数曲线图形比较，从而确定模型而确定模型 最小二乘法最小二乘法最小二乘法就是使数据的观测值和回归直线（分最小二乘法就是使数据的观测值和回归直线（分布直线）符合最好的回归系数的估计值。布直线）符合最好的回归系数的估计值。比图估计法精确，其适用于各种试验

11、数据分析。比图估计法精确，其适用于各种试验数据分析。正态分布的参数估计：正态分布的参数估计：回归方程：回归方程：相当于回归方程：相当于回归方程：y=a+bxy=a+bx 因此，对于因此，对于z zi i和和t ti i（i=1,2,ri=1,2,r），用最小），用最小二乘法求出回归系数二乘法求出回归系数a,ba,b 即得：即得：寿命均方差的估计：式中：平均寿命的估计：为了确定总体的分布函数为了确定总体的分布函数F(x)F(x)，根据具体情况和，根据具体情况和获得的数据，对总体的分布规律提出一个假设，即获得的数据，对总体的分布规律提出一个假设，即 H H0 0:F(x)=F:F(x)=F0 0(

12、x,)(x,)其中，其中，F F0 0(x,)(x,)是一个含有不确定参数的分布函数族。是一个含有不确定参数的分布函数族。然后检验假设然后检验假设H H0 0是否成立。是否成立。失效模型的数值检验法失效模型的数值检验法常用的数值检验方法有常用的数值检验方法有 2 2检验法和检验法和K-SK-S检验法检验法 18961920198720062 2 2 2检验法检验法检验法检验法 2 2检验法的基本思想就是对于假设，即检验法的基本思想就是对于假设，即 H H0 0:F(x)=F:F(x)=F0 0(x)(x)通过构造一个统计量，检验一个子样所决定的通过构造一个统计量，检验一个子样所决定的经验分布函

13、数经验分布函数F Fn n(x)(x)是否与是否与F F0 0(x)(x)一致。一致。该统计量可以鉴别该统计量可以鉴别F Fn n(x)(x)与与F F0 0(x)(x)的不同是由于的不同是由于子样的随机性引起的，还是由于子样的随机性引起的，还是由于F Fn n(x)(x)完全不同完全不同于于F F0 0(x)(x)所引起的。所引起的。将区间（将区间（-，）根据具体情况分为）根据具体情况分为k k个不相交个不相交的区间：（的区间：（a a1 1,a,a2 2，（，（a a2 2,a,a3 3，(a(ak k,a,ak+1k+1)。子样观测值子样观测值x x1 1、x x2 2、x xn n落在

14、第落在第i i个区间个区间(a(ai i,a,ai+1i+1)的个数的个数m mi i称为第称为第i i个区间的实际频数，个区间的实际频数，m mi i/n/n为相应的频为相应的频率。在第率。在第i i个区间内的理论概率个区间内的理论概率p pi i由下式决定由下式决定 p pi i=P(a=P(ai ixaxai+1i+1)=F)=F0 0(a(ai+1i+1)-F)-F0 0(a(ai i),i=1,2,k),i=1,2,knpnpi i称为第称为第i i个区间内的理论频数个区间内的理论频数.构造统计量构造统计量 当子样容量当子样容量n n充分大充分大(n50)(n50)时，则不论总体服时

15、，则不论总体服从什么分布，统计量从什么分布，统计量2 2总是近似地服从自由度为总是近似地服从自由度为k-k-r-1r-1的的2 2分布。其中分布。其中r r为当理论分布函数为当理论分布函数F F0 0(x)(x)的参数的参数未知时所需估计的参数个数；未知时所需估计的参数个数；k k为不相交的区间数。为不相交的区间数。取置信概率（显著性水平）为取置信概率（显著性水平）为，对于，对于2 2分分布，有布，有 （上侧分位数）（上侧分位数）因此，对于给定的置信度因此，对于给定的置信度1-1-，否定域为，否定域为 1 1）根据失效模型的估计，假设根据失效模型的估计，假设F F0 0(x)(x)的函数形式的

16、函数形式2 2）估计估计F F0 0(x)(x)中的各参数值中的各参数值3 3）对总体的分布函数对总体的分布函数F(x)F(x)作出假设：作出假设：H H0 0:F(x)=F:F(x)=F0 0(x)(x)4 4）将区间（将区间（-，）根据具体情况分为）根据具体情况分为k k个不个不 相交的区间相交的区间5 5）统计各区间的实际频数统计各区间的实际频数m mi i6 6）计算各区间的理论概率计算各区间的理论概率p pi i检验步骤：7 7）计算称各区间的理论频数计算称各区间的理论频数npnpi i8 8）计算统计量计算统计量2 29 9）给定置信概率（显著性水平）为给定置信概率（显著性水平）为

17、1010）查上侧分位数查上侧分位数1111）确定否定域，作出拒绝或接受的判断确定否定域，作出拒绝或接受的判断 例例:220220个产品的失效时间记录如下所示个产品的失效时间记录如下所示.试检验试检验该产品的寿命是否服从指数分布该产品的寿命是否服从指数分布.时间时间t/h0-100100-200200-300300-400400-500500-600600-700700-800800-900失效数/个3950353228181242解解:假设服从指数分布假设服从指数分布,参数参数未知未知,其估计值其估计值:假设假设:其中计算其中计算:取显著水平取显著水平=0.10,r=k-m-1=6,=0.10

18、,r=k-m-1=6,查表查表:由于由于:故拒绝原假设故拒绝原假设.K-SK-S检验法检验法(亦称亦称d d检验法检验法)比比X X方检验法精确方检验法精确,而且还适合子样容量较小的情况。而且还适合子样容量较小的情况。其基本思想为：其基本思想为：构造统计量构造统计量可以证明随机变量可以证明随机变量z z的分布函数为的分布函数为2 2检验法相同，对于给定的置信度检验法相同，对于给定的置信度1-1-，K-SK-S检验检验法的否定域为法的否定域为其中，其中，z z为随机变量为随机变量z z分布的上侧分位数。分布的上侧分位数。K-SK-S检验法的检验步骤与检验法的检验步骤与2 2检验法类似。检验法类似。