可靠性预计资料课件.ppt

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1、Reliability Prediction1可靠性预计Reliability PredictionReliability Prediction2课程内容课程内容o可靠性预计的目的、用途与分类o可靠性预计的程序 o单元可靠性预计o系统可靠性预计o不同研制阶段可靠性预计方法的选取 o可靠性预计的特点与注意事项Reliability Prediction3目的、用途目的、用途o可靠性预计目的与用途n评估系统可靠性，审查是否能达到要求的可靠性指标。n在方案论证阶段，通过可靠性预计，比较不同方案的可靠性水平，为最优方案的选择及方案优化提供依据。n在设计中，通过可靠性预计，发现影响系统可靠性的主要因素，

2、找出薄弱环节，采取设计措施，提高系统可靠性。n为可靠性分配奠定基础。Reliability Prediction4分类分类o根据战术技术中可靠性的定量要求 n基本可靠性预计n任务可靠性预计（任务剖面、工作时间及功能特性等）o不可修产品o可修产品 o从产品构成角度分析：n单元可靠性预计n系统可靠性预计返回Reliability Prediction5系统可靠性预计程序系统可靠性预计程序o程序n明确系统定义n明确系统的故障判据n明确系统的工作条件n绘制系统的可靠性框图n建立系统可靠性数学模型n预计各单元的可靠性n根据系统可靠性模型预计基本可靠性或任务可靠性返回Reliability Predict

3、ion6单元可靠性预计单元可靠性预计o说明n系统可靠性是各单元可靠性的概率综合n单元可靠性预计是系统可靠性预计的基础n直接预计系统各单元的故障率或可靠度o常用的单元可靠性预计方法：n相似产品法n评分预计法n应力分析法 n故障率预计法 n机械产品可靠性预计法返回Reliability Prediction7相似产品法相似产品法o方法说明n相似产品法就是利用与该产品相似的现有成熟产品的可靠性数据来估计该产品的可靠性。成熟产品的可靠性数据主要来源于现场统计和实验室的试验结果。o相似产品法考虑的相似因素一般包括n产品结构、性能的相似性 n设计的相似性n材料和制造工艺的相似性n使用剖面(保障、使用和环境

4、条件)的相似性Reliability Prediction8相似产品法相似产品法o预计过程n确定相似产品n分析相似因素对可靠性的影响n确定相似系数n新产品可靠性预计Reliability Prediction9相似产品法相似产品法o示例n某型号导弹射程为3500km，已知飞行可靠性指标为0.8857，各分系统可靠性指标为战斗部：0.99、安全自毁系统：0.98、弹体结构：0.99、控制系统：0.98、发动机：0.9409。为了将导弹射程提高到5000km，对发动机采取了三项改进措施：n采用能量更高的装药；n发动机长度增加1m；n发动机壳体壁厚由5mm减为4.5mm。n试预计改进后的导弹飞行可靠

5、性。Reliability Prediction10相似产品法相似产品法o示例n分析计算 o壁厚减薄会使壳体强度下降，会使燃烧室的可靠性下降从而影响发动机的可靠性。o相似系数d=9.412106/（9.806106）n发动机的可靠性o R=0.9409d=0.9033 返回Reliability Prediction11评分预计法评分预计法 o方法说明n在可靠性数据非常缺乏的情况下(可以得到个别产品的可靠性数据)，通过有经验的设计人员或专家对影响可靠性的几种因素评分，对评分进行综合分析而获得各单元产品之间的可靠性相对比值，再以某一个已知可靠性数据的产品为基准，预计其他产品的可靠性。n时间基准：

6、系统工作时间（一般）Reliability Prediction12评分预计法评分预计法 o评分因素、评分原则 n以产品故障率为预计参数，各种因素评分值范围为110，评分越高说明可靠性越差。o复杂度它是根据组成单元的元部件数量以及它们组装的难易程度来评定。o技术水平根据单元目前技术水平的成熟程度成熟程度来评定。o工作时间根据单元工作的时间来评定（前提是以系统的工作时间为时间基准）。o环境条件根据单元所处的环境来评定。Reliability Prediction13评分预计法评分预计法o方法原理Reliability Prediction14评分预计法评分预计法o示例n某飞行器由动力装置、武器等

7、六个分系统组成。已知制导装置故障率284.510-6/h，试用评分法求得其它分系统的故障率。n计算表格返回序号序号 单单元名称元名称 复复杂杂度度技技术术水水平平工作工作时时间间环环境条境条件件各各单单元元评评分数分数各各单单元元评评分系数分系数单单元的故障元的故障率率10-61动动力装置力装置56557500.385.42武器武器761028400.33695.63制制导导装置装置10105525001.0284.54飞飞行控制行控制装置装置885722400.896254.95机体机体421086400.25672.86辅辅助助动动力力装置装置65557500.385.4Reliabili

8、ty Prediction15应力分析法应力分析法 o方法说明n用于产品详细设计阶段的电子元器件失效率预计。n对某种电子元器件在实验室的标准应力与环境条件下，通过大量的试验，并对其结果统计而得出该种元器件 的“基本失效率”。n在预计电子元器件工作失效率时，应根据元器件的质量等级、应力水平、环境条件等因素对基本失效率进行修正。n电子元器件的应力分析法已有成熟的预计标准和手册。Reliability Prediction16应力分析法应力分析法o失效率模型n晶体管和二极管的失效率计算模型（GJB299）Reliability Prediction17应力分析法应力分析法o应力分析法表格编编号号 型

9、号型号规规格格 元器件元器件类别类别 数量数量N 质质量等量等级级 各各系数系数b(10-6/h)工作失效率工作失效率(10-6/h)pNpReliability Prediction18应力分析法应力分析法o预计要求n预计依据的选取n预计环境的选取n预计温度的选取 n降额系数的选取 n质量系数的选取具体选取原则参见（GJB299）Reliability Prediction19应力分析法应力分析法o举例n数字电路54LS00为国产器件，质量等级为B1，环境类别为AIF，计算该器件的工作失效率。n计算步骤o国产器件，使用GJB/Z 299B-98o双极型数字电路，查GJB/Z 299B-98的

10、表5.1.1.1-1，得失效率模型o环境类别为AIF，查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-2，得环境系数E=17o质量等级为B1，查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-3，得质量系数Q=0.5Reliability Prediction20应力分析法应力分析法o举例n计算步骤o查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-4，得成熟系数L=1.0o查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-8，得温度系数T=1.35o查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-12，得电压应力系数V=1.0o查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-15，得电路复杂度失效

11、率C1=0.074，C2=0.005Reliability Prediction21返回应力分析法应力分析法o举例n计算步骤o查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-28，得封装复杂度C3=0.083o工作失效率P=QC1TV+(C2+C3)EL =0.779725(10-6/h)Reliability Prediction22故障率预计法故障率预计法 o方法说明n主要用于非电子产品的可靠性预计，其原理与电子元器件的应力分析法基本相同。n对于非电子产品可考虑降额因子D和环境因子K对失效率的影响。n非电子产品的工作失效率为：n目前尚无正式可供查阅的数据手册。返回Reliability P

12、rediction23机械产品可靠性预计方法机械产品可靠性预计方法 o方法说明n对机械类产品而言，它具有一些不同于电子类产品的特点，诸如：o许多机械产品是为特定用途单独设计的，通用性不强，标准化程度不高；o机械产品的故障率通常不是常值，其设备的故障往往是由于耗损、疲劳和其他与应力有关的故障机理造成；o机械产品的可靠性与电子产品可靠性相比对载荷、使用方式和利用率更加敏感。Reliability Prediction24机械产品可靠性预计方法机械产品可靠性预计方法 o方法说明n看起来很相似的机械部件，其故障率往往是非常分散的。n用数据库中已有的统计数据进行预计，其精度是无法保证的。n目前预计机械产

13、品可靠性尚没有相当于电子产品那样通用、可接受的方法。n现阶段参考：o机械设备可靠性预计程序手册(草案)o非电子零部件可靠性数据(NPRD-3)Reliability Prediction25修正系数法修正系数法o基本思路n将机械产品分解到零件级，有许多基础零件是通用的。o将机械零件分成密封件、弹簧、电磁铁、阀门、轴承、齿轮和花键、作动器、泵、过滤器、制动器和离合器等十类。n对诸多零件进行失效模式及影响分析，找出其主要失效模式及影响这些模式的主要设计、使用参数，通过数据收集、处理及回归分析，可以建立各零件失效率与上述参数的数学函数关系。Reliability Prediction26相似产品类比

14、论证法相似产品类比论证法 o基本思路n根据仿制或改型的类似国内外产品已知的故障率，分析两者在以下方面的差异o组成结构o使用环境o原材料o元器件水平o制造工艺水平n通过专家评分给出各修正系数，综合权衡后得出一个故障率综合修正因子 D:返回Reliability Prediction27系统可靠性预计概念与分类系统可靠性预计概念与分类o系统可靠性预计概念 n系统可靠性预计是以组成系统的各单元产品的预计值为基础，根据系统可靠性模型，对系统基本/任务可靠性进行预计。o系统可靠性预计必须注意时间基准的问题。o系统可靠性预计分类n基本可靠性预计n任务可靠性预计o任务期间不可修系统的任务可靠性预计o任务期间

15、可修系统的任务可靠性预计Reliability Prediction28基本可靠性预计的一般方法基本可靠性预计的一般方法 o串联模型关系n系统组成单元之间相互独立n各单元均服从指数分布 Reliability Prediction29元件计数法元件计数法o方法说明n适用于电子设备方案论证阶段和初步设计阶段，元器件的种类和数量大致已确定，但具体的工作应力和环境等尚未明确时，对系统基本可靠性进行预计。n基本原理是对元器件“通用失效率”的修正。n计算模型 Pi=GiQiNiReliability Prediction30元器件计数法预计表元件计数法元件计数法o预计表格编编号号元器件元器件类别类别 数

16、量数量N质质量量等等级级质质量系数量系数QG(10-6/h)NG(10-6/h)Reliability Prediction31元件计数法元件计数法o举例n某电子设备由4个调整二极管、2个合成电阻器、4个云母电容器组成，所有器件都是国产的，质量等级都是B1。设备的工作环境为战斗机座舱。计算该设备的基本可靠性。n计算步骤o国产器件，使用GJB/Z 299B-98o确定设备的工作环境类别：AIFo确定元器件的种类：调整二极管、合成电阻器、云母电容器；o确定元器件的质量等级，全部为B1Reliability Prediction32元件计数法举例元件计数法举例o举例n计算步骤o查GJB/Z 299B

17、-98中的表5.2-15、表5.2-17、表5.2-18，确定元器件的通用失效率o查GJB/Z 299B-98中的表5.2-24、表5.2-25，确定元器件的质量系数o确定元器件的数目o计算设备的基本可靠性设备=N11Q1+N22Q2+N33Q3 =4.78(10-6/h)MTBF设备=1/设备=209205.0h返回Reliability Prediction33任务可靠性预计概念任务可靠性预计概念o任务可靠性预计概念n任务可靠性预计即对系统完成某项规定任务成功概率的估计。n任务可靠性预计是针对某一任务剖面进行的。o在进行任务可靠性预计时，单元的可靠性数据应当是对影响系统安全和任务完成的故障

18、统计而得出的数据。o但当缺乏单元任务可靠性数据时，也可用基本可靠性的预计值代替，但系统预计结果偏保守。Reliability Prediction34任务可靠性预计概念任务可靠性预计概念o系统的任务可靠性预计过程如下n建立系统的任务可靠性框图，确定飞行时间T；n确定系统内各电子设备的工作时间t；n计算电子设备的运行比S/F；n将设备的MTBF单元转换为MTBCF单元：MTBCF单元=MTBF单元/(S/F)n电子设备的可靠度为：R单元(T)=EXP(-T/MTBCF单元)n根据可靠性框图计算系统的可靠度。返回Reliability Prediction35不可修系统的任务可靠性预计不可修系统的

19、任务可靠性预计o可靠性框图法n以系统组成单元的预计值为基础，依据建立的可靠性框图及数学模型计算得出系统任务可靠度。o根据任务剖面建立系统任务可靠性框图；o预计单元的故障率或MTBCF；o确定单元的工作时间；o根据可靠性框图计算系统任务可靠度。Reliability Prediction36可靠性框图法可靠性框图法o示例n某飞机共有六个任务剖面，完成复杂特技的任务可靠性框图如下图所示Reliability Prediction37可靠性框图法可靠性框图法o示例n假设各单元产品均以指数分布，工作时间均为1.0小时，其故障率如下表所示。单单元名称元名称故障率故障率10-6(1/h)单单元名称元名称故

20、障率故障率10-6(1/h)燃油燃油泵泵(A)900油箱油箱(H)1切数开关切数开关(B)30油量指油量指标标器器(I)50发动发动机低机低压压燃油燃油泵泵(C)800耗量耗量伟伟感器感器(J)45冲冲压压口口(D)20油尽信量器油尽信量器(K)30安全活安全活门门(E)30主油路主油路压压力信号器力信号器(L)35喷喷射射泵泵(F)700低油面信号器低油面信号器(M)20连连通通单单向活向活门门(G)40Reliability Prediction38可靠性框图法可靠性框图法o示例n其任务可靠度预计如下o串联单元1，由A、B组成，其可靠度为o旁联单元2，由1、C组成，其可靠度为 Reliab

21、ility Prediction39可靠性框图法示例可靠性框图法示例o示例n其任务可靠度预计如下o串联单元3，由D、E、F、G、H、I、J、K，其可靠性为Reliability Prediction40可靠性框图法可靠性框图法o示例n其任务可靠度预计如下o并联单元4，由L、M组成，其可靠度为o则燃油系统任务可靠度为Reliability Prediction41不可修系统的任务可靠性预计不可修系统的任务可靠性预计o多任务剖面任务可靠度综合预计n在对飞机等武器装备的可靠性指标要求中，一个重要的指标是完成任务成功概率（MCSP），即整机总的任务可靠度。它是多种任务剖面的综合任务可靠度指标。n如前所

22、述在任务可靠性预计时必须根据不同的任务剖面，预计其各自的任务可靠度。n需要将各任务剖面的任务可靠度综合，预计出整机总的任务可靠度。1 整机各任务剖面的任务可靠度整机各任务剖面的任务可靠度Reliability Prediction422 整机完成任务成功概率（整机完成任务成功概率（MCSP）Reliability Prediction43当各任务的执行时间不同时按下式计算 的计算的计算Reliability Prediction44Reliability Prediction45返回Reliability Prediction46可修系统的可用度预计可修系统的可用度预计o可修系统n在任务执行期

23、间，当系统故障而不能执行任务时允许修理，修复后继续执行任务。o其任务可靠性不仅受各单元可靠性的影响，而且受到各单元维修特性的影响。o可修系统的可用度n研究系统开始工作后，在任意时刻系统处于工作状态的概率。o预计方法n解析法n马尔可夫过程法n仿真法Reliability Prediction47马尔可夫过程马尔可夫过程o随机过程n随机事件的变化过程，它无法用确定性的形式来描述。n在使用期间可以修复的复杂系统，由系统部件的可靠性和维修性决定了系统在任务期间的某一时刻，系统可能随机地处于某种状态：o正常状态o故障状态或修理状态n状态转移是个随机过程，要用系统在各种状态下的概率来描述，是一个典型的时间

24、连续和状态离散的随机过程。Reliability Prediction48马尔可夫过程马尔可夫过程o马尔可夫过程是一种随机过程n无后效性：当过程在某一时刻ti的状态已知，那么在ti以后的任意时刻tj，过程处于各种状态的可能性就完全确定，而不受ti之前任意时刻过程所处状态的影响。n可用于在任务期间部件的寿命和修复时间均服从指数分布的系统可用度的描述。o只要已知系统开始工作时的状态，就可以确定以后任意时刻，系统处于可工作状态的概率，而与以前的状态无关。返回Reliability Prediction49各研制阶段预计方法的选取各研制阶段预计方法的选取 o选取依据返回研制阶段研制阶段 方案方案设计设

25、计 初步初步设计设计 详详细细设设计计适用范围适用范围 预预计计方方法法相似产品相似产品法法 非电产品、有相似产品数据的改进改型产非电产品、有相似产品数据的改进改型产品品 专家评分专家评分法法 非电产品、新研产品，无相似产品数据的非电产品、新研产品，无相似产品数据的改进改型产品改进改型产品 元件计数元件计数法法 电子产品电子产品 应力分析应力分析法法 电子产品电子产品Reliability Prediction50可靠性预计的特点可靠性预计的特点o及时性，与功能性能设计并行o与故障定义和任务剖面的相关性o在产品研制的各个阶段，可靠性预计应反复迭代进行o可靠性预计结果的相对意义比绝对值更为重要Reliability Prediction51可靠性预计的注意事项可靠性预计的注意事项o对系统故障明确的定义 o明确任务定义o可靠性模型的正确性 o时间基准：各分系统的实际工作时间的精确性 o明确单元故障（率）定义o正确获得系统所用元器件、零部件的基本失效率数据 o不同研制阶段可靠性预计方法的选取 Reliability Prediction52谢谢谢谢