系统可靠性模型与分析.pptx

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1、可靠性设计的主要内容可靠性设计的主要内容建立系统的可靠性模型，表示出各单元之间的功能逻辑关系；对系统进行可靠性预计，确定产品的可靠性指标；对系统进行可靠性分配，确定其零部件的可靠性指标；对系统进行故障模式、影响及危害度分析FMECA和故障树分析FTA，找出系统的薄弱环节，采取预防措施；制定可靠性准则，对零部件进行可靠性设计。第1页/共120页本章主要内容研究由单元、部件等的组成以及系统可靠性研究可靠性建模，分析并介绍几种系统可靠性的计算方法第2页/共120页可靠性建模可靠性建模的目的是产生一个系统在其使用环境中的可靠性建模的目的是产生一个系统在其使用环境中的数学描述。数学描述。可靠性模型实际上

2、是可靠性模型实际上是系统失效定义系统失效定义的模型。的模型。系统内功能关系必须通过组件到部件系统内功能关系必须通过组件到部件/零件级逐级来零件级逐级来开发。对于大系统，通常最好先确定主要分系统间的开发。对于大系统，通常最好先确定主要分系统间的关系，然后再单独考虑每个分系统。关系，然后再单独考虑每个分系统。表示系统内的可靠性关系的常用方法是可靠性框图表示系统内的可靠性关系的常用方法是可靠性框图（RBDRBD）第3页/共120页4.0 系统、单元产品p系统由相互作用和相互依赖的若干单元结合成的具有特定功能的有机整体。p 系统和单元是相对的概念u系统包括单元，其层次高于单元u可以是按产品层次划分：零

3、部件、组件、设备、分系统、系统中任何相对的两层。p产品可以指任何层次第4页/共120页系统实例第5页/共120页n可靠性模型u描述了系统及其组成单元之间的故障逻辑关系。n多种可靠性建模方法p可靠性框图p网络可靠性模型p故障树模型p事件数模型p马尔可夫模型pPetri网模型pGO图模型第6页/共120页4.1 模型原理图反映了系统及其组成单元之间的物理上的连接与组合关系 功能框图、功能流程图反映了系统及其组成单元之间的功能关系 系统的原理图、功能框图和功能流程图是建立系统可靠性模型的基础 第7页/共120页第8页/共120页第9页/共120页可靠性框图 可靠性框图（RBD）是将产品（系统）的结构

4、功能按着可靠性要求进行分析的表示方法，该框图能清晰准确地描述产品（系统）的各元器件间的可靠性关系与功能。可靠性框图是在完全了解产品任务和寿命周期模型的基础上，通过简要的直观方法表示出产品能成功地完成任务时所有单元之间的相互依赖关系。第10页/共120页在分析系统可靠性时，要透彻了解系统中每个单元的功能，各在分析系统可靠性时，要透彻了解系统中每个单元的功能，各单元之间在可靠性功能上的联系，以及这些单元功能、失效模单元之间在可靠性功能上的联系，以及这些单元功能、失效模式对系统功能的影响，即就其式对系统功能的影响，即就其功能功能研究系统可靠性。研究系统可靠性。系统功能逻辑框图系统功能逻辑框图：用方框

5、表示单元功能，每一个方框表示一：用方框表示单元功能，每一个方框表示一个单元，方框之间用短线连接起来，表示单元功能与系统功能个单元，方框之间用短线连接起来，表示单元功能与系统功能的关系。的关系。第11页/共120页 为预计或估算产品的可靠性所建立的可靠性方框图和数学模型。方框：产品或功能逻辑关系：功能布局连线：系统功能流程的方向 节点（节点可以在需要时才加以标注）输入节点：系统功能流程的起点 输出节点：系统功能流程的终点 中间节点 第12页/共120页第13页/共120页建立框图时要充分掌握产品结构性能特征与可靠性框图的关系注：注：建立系统逻辑框图时绝不能从结构上判定系统类型，而应从功能上研究系

6、统类型。例：BAC2C1ABC1C2如果分析的是短路失效，只要一个短路，系统即短路，其系统逻辑框图为：第14页/共120页如果分析的是开路失效，当两个电容同时失效，才会引起系统失效。其逻辑框图为：ABC1C2第15页/共120页AB12例：如果研究的是液体“流通”：1、2都实现自己的功能“开启”，系统才能实现液体“流通”。其逻辑框图为：AB12如果研究的是液体“被截流”：1、2只要有一个功能正常“关闭”，系统就可实现“被截流”。其逻辑框图为：AB12第16页/共120页第17页/共120页系统功能分析系统功能分析对系统的构成、原理、功能、接口等各方面深入的分析是建立正确的系统模型的前导。前导工

7、作的主要任务就是进行系统的功能分析功能的分解与分类功能框图与功能流程图时间分析任务定义及故障判据第18页/共120页功能的分解系统往往是多任务与多功能的一个系统及功能是由许多分系统级功能实现的通过自上而下的功能分解过程，可以得到系统功能的层次结构功能的逐层分解可以细分到可以获得明确的技术要求的最低层次（如部件）为止。进行系统功能分解可以使系统的功能层次更加清晰，同时也产生了许多低层次功能的接口问题。对系统功能的层次性以及功能接口的分析，是建立可靠性模型的重要一步。第19页/共120页功能的分解功能的分解第20页/共120页用以描述在系统功能分解的过程中，较低层次功能间的接口与关联关系。功能框图

8、功能流程图功能框图与功能流程图的逐级细化过程是与系统的功能分解相协调的。功能框图与功能流程图第21页/共120页第22页/共120页某家用热水器原理图 第23页/共120页第24页/共120页第25页/共120页串联模型定义组成系统的所有单元中任一单元的故障都会导致整个系统故障的称为串联系统。串联系统是最常用和最简单的模型之一。串联系统的逻辑图如下图所示：第26页/共120页串联模型串联模型当几个单元相互独立，系统可靠度：S系统正常xi单元i正常x1x3x2S=x1 x2x3第27页/共120页串联系统数学模型当各单元服从指数分布时：第28页/共120页串联系统数学模型串联系统数学模型当各单元

9、的寿命分布均为指数分布时，系统的寿命也服从指数分布，系统的故障率为单元的故障率之和：系统的平均故障间隔时间：第29页/共120页串联模型串联模型在设计时，为提高串联系统的可靠性，可从下列三方面考虑：(a)尽可能减少串联单元数目(b)提高单元可靠性，降低其故障率(c)缩短工作时间第30页/共120页例4.1 一个电子系统由串联方式运行的两个部件组成。假设第i个部件的故障率为常数i i，试求：（1 1）系统故障率；（2 2）1000h1000h任务时间时的系统可靠度；（3 3）系统平均故障时间。1 1个故障（10106 6h h）2 2个故障（10106 6h h）解：对于常故障率，第i个的可靠度

10、为则串联系统的可靠度为第31页/共120页对于假设部件具有常故障率的串联系统，系统故障率可由给定值代入得到因此，1000h任务时间时的可靠度为系统的平均故障时间为第32页/共120页例4-2第33页/共120页第34页/共120页并联模型并联模型组成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障的称为并联系统。并联系统是最简单的冗余系统（有贮备模型）。并联系统的逻辑图如图所示，其数学模型为：第35页/共120页并联模型并联模型B1B3B2B系统故障Bi单元i故障B=B1 B2B3当个单元相互独立，系统不可靠度：第36页/共120页并联模型并联模型系统可靠度当系统各单元的寿命分布为指数分布时，对于最

11、常用的两单元并联系统，有第37页/共120页 即使单元故障率都是常数，而并联系统的故障率不再是常数。当系统各单元的寿命分布为指数分布时，对于n个相同单元的并联系统，有 并联模型并联模型第38页/共120页并联系统并联系统与无贮备的单个单元相比，并联可明显提高系统可靠性（特别是n=2时）当并联过多时可靠性增加减慢 并联单元数与系统可靠度的关系tRs(t)1.00.80.60.40.2n=5n=4n=3n=2n=1第39页/共120页第40页/共120页第41页/共120页例4-3第42页/共120页例4-4第43页/共120页第44页/共120页第45页/共120页混联系统第46页/共120页第

12、47页/共120页k/n表决系统第48页/共120页第49页/共120页第50页/共120页2/3(G)表决模型其可靠性数学模型为（表决器可靠度为1 1，组成单元的故障率均为常值 ）：第51页/共120页例4-5第52页/共120页第53页/共120页第54页/共120页例4.6 已知某型飞机安装3台同类型、同一功率的发动机。发动机寿命数据服从指数分布，其失效率均为-1-1.该飞机要求2 2台发动机正常工作，飞机就能正常工作，设工作100h100h。假设3 3台发动机同时工作，试求2 2台发动机与2/3G2/3G工作时系统可靠性与平均寿命。又假设采用4 4台发动机时，求每2 2台并联后再串联的

13、可靠度与平均寿命。第55页/共120页第56页/共120页第57页/共120页非工作贮备模型（旁联、冷贮备）非工作贮备模型（旁联、冷贮备）组成系统的各单元只有一个单元工作，当工作单元故障时，通过转换装置接到另一个单元继续工作，直到所有单元都故障时系统才故障，称为非工作贮备系统，又称旁联系统。非工作贮备系统的可靠性框图如下图。故障检测和转换装置非工作贮备系统可靠性框图第58页/共120页如汽车的轮胎作为备用单元的系统旁联系统又根据备用单元在备用期间失效与否分为两大系统，即冷贮备系统与热贮备系统。冷贮备系统是当贮备单元在贮备期间失效率为零的系统。热贮备系统是当贮备单元在贮备期间失效率不为零的系统。

14、第59页/共120页非工作储备模型非工作储备模型 非工作贮备系统的可靠性数学模型如下：（a a）假设：转换装置可靠度为1 1，则系统的S S等于各单元i i之和。第60页/共120页第61页/共120页第62页/共120页第63页/共120页第64页/共120页第65页/共120页第66页/共120页第67页/共120页第68页/共120页第69页/共120页例4-7第70页/共120页桥联系统第71页/共120页第72页/共120页复杂系统可靠性模型1.虚单元2.不含桥联的系统可靠性模型3.含桥联的系统可靠性模型第73页/共120页1.虚单元第74页/共120页不含桥联的系统可靠性模型第75

15、页/共120页3.含桥联的系统可靠性模型第76页/共120页网络系统可靠性模型第77页/共120页布尔真值表法（状态枚举法）第78页/共120页第79页/共120页思考题：列出下图所示系统的布尔真值表，并计算系统的可靠度RS，设各系统的子可靠度分别为r。第80页/共120页第81页/共120页第82页/共120页概率图法：第83页/共120页第84页/共120页第85页/共120页概率图法思考题第86页/共120页第87页/共120页全概率分解法第88页/共120页第89页/共120页第90页/共120页全概率分解法例题如图所示，已知X1=X2，X3=X4，X5，求系统可靠度。解：选取X5为分

16、解单元，如上所示分别是X5正常和失效时系统可靠性框图第91页/共120页第92页/共120页第93页/共120页最小路集法1、路集、最小路集路集。可靠性框图分析状态变量的一个子集，可靠性框图分析中的成功路线的集合最小路集。当研究的子集中所有单元完好时，系统完好，其中任一单元故障时，系统故障（假设除该子集以外的单元均是故障的）2、割集、最小割集割集。可靠性框图分析状态变量的一个子集，可靠性分析中失效线路的集合。最小割集。当研究的子集中所有单元故障时系统故障，当其中任一单元完好时，系统也不发生故障（假设研究的子集以外的单元均是完好的）。第94页/共120页第95页/共120页第96页/共120页用

17、最小割集和最小路集表示结构函数第97页/共120页第98页/共120页第99页/共120页第100页/共120页第101页/共120页第102页/共120页第103页/共120页第104页/共120页第105页/共120页第106页/共120页第107页/共120页第108页/共120页第109页/共120页第110页/共120页第111页/共120页第112页/共120页已知，。试用全概率分析法求系统可靠度。第113页/共120页第114页/共120页第115页/共120页1、某仪器的寿命符合指数分布，且失效率，求该仪器工作到可靠度为90%90%时的时间。2、3、第116页/共120页4、5、第117页/共120页班级团队项目组成一个5个人组成的team，分别代表市场设计试验质量与可靠性客户支持Team成员确定一个感兴趣的产品确定产品的可靠性指标、条件、判别依据可靠度（R(t)）平均寿命（MTTF/MTBF)失效率(%fail/hour)画出产品的结构逻辑图，功能逻辑图（可靠性框图）选出一个代表作team的可靠性陈述提交写有所有团队成员名单的书目报告第118页/共120页谢谢！第119页/共120页感谢您的观看！第120页/共120页