可靠性工程可靠性预计.pptx

可靠性工程可靠性工程专题专题 可靠性可靠性预计预计现代航天企业制造信息化技术现代航天企业制造信息化技术 学习内容1.可靠性预计的目的、用途与分类2.可靠性预计的程序 3.单元可靠性预计4.系统可靠性预计5.不同研制阶段可靠性预计方法的选取 6.可靠性预计的特点与注意事项目的、用途l可靠性预计目的与用途l评估系统可靠性，审查是否能达到要求的可靠性指标。l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。l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，找出薄弱环节，采取设计措施，提高系统可靠性。l为可靠性分配奠定基础。分类l根据战术技术中可靠性的定量要求 l基本可靠性预计l任务可靠性预计（任务剖面、工作时间及功能特性等）l不可修产品l可修产品 l从产品构成角度分析：l单元可靠性预计（元件、部件或设备等）l系统可靠性预计返回系统可靠性预计程序l程序l明确系统定义l明确系统的故障判据l明确系统的工作条件l绘制系统的可靠性框图l建立系统可靠性数学模型l预计各单元、设备的可靠性l根据系统可靠性模型预计基本可靠性或任务可靠性返回单元可靠性预计l说明l系统可靠性是各单元可靠性的概率综合l单元可靠性预计是系统可靠性预计的基础l直接预计系统各单元的故障率或可靠度l常用的单元可靠性预计方法：l相似产品法l评分预计法l应力分析法 l故障率预计法 l机械产品可靠性预计法返回相似产品法l方法说明l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。l相似产品法考虑的的相似因素一般包括l产品结构、性能的相似性 l设计的相似性l材料和制造工艺的相似性l使用剖面(保障、使用和环境条件)的相似性相似产品法l预计过程l确定相似产品l分析相似因素对可靠性的影响l确定相似系数l新产品可靠性预计相似产品法l示例l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：采用能量更高的装药；发动机长度增加1m；发动机壳体壁厚由5mm减为4.5mm。l试预计改进后的导弹飞行可靠性。返回相似产品法l示例l分析计算 l壁厚减薄会使壳体强度下降，会使燃烧室的可靠性下降影响发动机的可靠性。l相似系数d=9.412106/（9.806106）l发动机的可靠性l R=0.9409d=0.9033 返回评分预计法 l方法说明l在可靠性数据非常缺乏的情况下(可以得到个别产品可靠性数据)，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。l时间基准：系统工作时间（一般）评分预计法 l评分因素、评分原则 l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。l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。l技术发展水平根据单元目前的技术水平的成熟来评定。l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）。l环境条件根据单元所处的环境来评定。评分预计法l方法原理评分预计法l示例l某飞行器由动力装置、武器等六个分系统组成。已知制导装置故障率284.510-6，试用评分法求得其它分系统的故障率。l计算表格返回序号序号单元名称单元名称复杂复杂度度技术技术水平水平工作工作时间时间环境环境条件条件各单元各单元评分数评分数各单元评各单元评分系数分系数单元的故障单元的故障率率10-61 动力装置动力装置56557500.385.42武器武器761028400.33695.63 制导装置制导装置10105525001.0284.54飞行控制飞行控制装置装置885722400.896254.95机体机体421086400.25672.86辅助动力辅助动力装置装置65557500.385.4应力分析法 l方法说明l用于产品详细设计阶段的电子元器件失效率预计。l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”。l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。l电子元器件的应力分析法已有成熟的预计标准和手册。应力分析法l失效率模型l晶体管和二极管的失效率计算模型（GJB299）应力分析法l应力分析法表格编号编号型号型号规格规格元器件类元器件类别别数量数量N质量质量等级等级各各系系数数b(10-6/h)工作失效率（工作失效率（10-6/h）pNp应力分析法l预计要求l预计依据的选取l预计环境的选取l预计温度的选取 lTJ=TA+20（二极管）lTJ=TA+30（三极管）lTJ=TA+30（集成电路）l降额系数的选取 l质量系数的选取应力分析法l举例l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。l计算步骤l国产器件，使用GJB/Z 299B-98l双极型数字电路，查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-1，得失效率模型l质量等级为B1，查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-3，得质量系数Q=0.5l环境类别为AIF，查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-2，得环境系数E=17返回应力分析法l举例l计算步骤l查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-4，得成熟系数L=1.0l查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-8，得温度系数T=1.35l查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-15，得电路复杂度失效率C1=0.074，C2=0.005l查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-28，得封装复杂度C3=0.083返回应力分析法l举例l计算步骤l查GJB/Z 299B-98的表5.1.1.1-12，得电压应力系数V=1.0l工作失效率l P=QC1TV+(C2+C3)EL =0.779725(10-6/h)故障率预计法 l方法说明l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。l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。l非电子产品的工作失效率为：l目前尚无正式可供查阅的数据手册。返回机械产品可靠性预计方法 l方法说明l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：l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；l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。l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。机械产品可靠性预计方法 l方法说明l看起来很相似的机械部件，其故障率往往是非常分散的。l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。l目前预计机械产品可靠性尚没有相当于电子产品那样通用、可接受的方法。l现阶段参考：l机械设备可靠性预计程序手册(草案)l非电子零部件可靠性数据(NPRD-3)修正系数法l基本思路l将机械产品分解到零件级，有许多基础零件是通用的。l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。l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。相似产品类比论证法 l基本思路l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l组成结构l使用环境l原材料l元器件水平l制造工艺水平l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:返回系统可靠性预计概念与分类l系统可靠性预计概念 l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，对系统可靠性进行预计。l系统可靠性预计必须注意时间基准的问题。l系统可靠性预计分类l基本可靠性预计l任务可靠性预计l任务期间不可修系统的任务可靠性预计l任务期间可修系统的任务可靠性预计基本可靠性预计的一般方法 l串联模型关系l系统组成单元之间相互独立l各单元均服从指数分布 元件计数法l方法说明l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。l基本原理是对元器件“通用失效率”的修正。l计算模型 Pi=GiQiNi元器件计数法预计表元件计数法l预计表格编号编号 元器件类别元器件类别 数量数量N质量质量等级等级质量系数质量系数QG(10-6/h)NG(10-6/h)元件计数法l举例l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。l计算步骤l国产器件，使用GJB/Z 299B-98l确定设备的工作环境类别：AIFl确定元器件的种类：调整二极管、合成电阻器、云母电容器；l确定元器件的质量等级，全部为B1元件计数法举例l举例l计算步骤l查GJB/Z 299B-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l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l确定元器件的数目l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=209205h任务可靠性预计概念l任务可靠性预计概念l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。l任务可靠性预计是针对某一任务剖面进行的。l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统计而得出的数据。l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。返回任务可靠性预计概念l系统的任务可靠性预计过程如下l建立系统的任务可靠性框图，确定飞行时间T；l确定系统内各电子设备的工作时间t；l计算电子设备的运行比S/F；l将设备的MTBF单元转换为MTBCF单元：MTBCF单元=MTBF单元/(S/F)l电子设备的可靠度为：R单元(T)=EXP(-T/MTBCF单元)l根据可靠性框图计算系统的可靠度。返回不可修系统的任务可靠性预计l可靠性框图法l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。l根据任务剖面建立系统任务可靠性框图；l预计单元的故障率或MTBCF；l确定单元的工作时间；l根据可靠性框图计算系统任务可靠度。可靠性框图法l示例l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可靠性框图法l示例l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。单元名称单元名称故障率故障率10-6(1/h)单元名称单元名称故障率故障率10-6(1/h)燃油泵燃油泵(A)900油箱油箱(H)1切数开关切数开关(B)30油量指标器油量指标器(I)50发动机低压燃油发动机低压燃油泵泵(C)800耗量伟感器耗量伟感器(J)45冲压口冲压口(D)20油尽信量器油尽信量器(K)30安全活门安全活门(E)30主油路压力信号主油路压力信号器器(L)35喷射泵喷射泵(F)700低油面信号器低油面信号器(M)20连通单向活门连通单向活门(G)40可靠性框图法l示例l其任务可靠度预计如下l串联单元1，由A、B组成，其可靠度为l旁联单元2，由1、C组成，其可靠度为 可靠性框图法示例l示例l其任务可靠度预计如下l串联单元3，由D、E、F、G、H、I、J、K，其可靠性为可靠性框图法l示例l其任务可靠度预计如下l并联单元4，由L、M组成，其可靠度为l则燃油系统任务可靠度为不可修系统的任务可靠性预计l多任务剖面任务可靠度综合预计l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。l如前所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。l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。返回可修系统的可用度预计l可修系统l在任务执行期间，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。l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。l可修系统的可用度l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。l预计方法l解析法l马尔可夫过程法l仿真法马尔可夫过程l随机过程l随机事件的变化过程，它无法用确定性的形式来描述。l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：l正常状态l故障状态或修理状态l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，是一个典型的时间连续和状态离散的随机过程。返回马尔可夫过程l马尔可夫过程是一种随机过程l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。l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。l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。返回各研制阶段预计方法的选取 l选取依据返回研制阶段研制阶段 方方案案设设计计 初初步步设设计计 详详细细设设计计适用范围适用范围 预计方法预计方法相似产品法相似产品法 非电产品、有相似产品数据的改进改非电产品、有相似产品数据的改进改型产品型产品 专家评分法专家评分法 非电产品、新研产品，无相似产品数非电产品、新研产品，无相似产品数据的改进改型产品据的改进改型产品 元件计数法元件计数法 电子产品电子产品 应力分析法应力分析法 电子产品电子产品可靠性预计的特点l及时性，与功能性能设计并行l与故障定义和任务剖面的相关性l在产品研制的各个阶段，可靠性预计应反复迭代进行l可靠性预计结果的相对意义比绝对值更为重要可靠性预计的注意事项l对系统故障明确的定义 l明确任务定义l可靠性模型的正确性 l时间基准：各分系统的实际工作时间的精确性 l明确单元故障（率）定义l正确获得系统所用元器件、零部件的基本故障率数据 l不同研制阶段可靠性预计方法的选取 谢谢