可靠性分析

2008年12月可靠性基本知识2008年12月•可靠性概述•第一节可靠性的基本概念和常用度量•第二节基本的可靠性设计与分析技术•第三节可靠性试验•第四节可靠性管理2008年12月可靠性概述可靠性是质量的一个重要组成部分。可靠性技术是提高产品质量的一种重要手段。高质量的产品优良的技术性能经久耐用、充分可靠、易维护、易使用2008年12月可靠性工程的发展主要原因：二战时武器装备可靠性航空、航天科学的发展发展历程：50年代的起步，60年代的发展，70年代的成熟，80年代更深更广的发展，90年代以来进入综合化、自动化、智能化和实用化的阶段2008年12月第一节基本概念和常用度量1、基本概念2、可靠性相关的常用度量3、可靠性与质量的关系2008年12月一、基本概念•故障(失效)产品终止规定功能称为故障，或失效•可靠性产品在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力。（狭义）可靠性的概率度量称为可靠度2008年12月•维修性产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复执行规定状态的能力。广义可靠性=狭义可靠性+维修性•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2008年12月•软件可靠性•可用性产品可靠性、维修性和维修保障的综合反映。2008年12月•可靠度R(t)•不可靠度F(t)•故障密度函数f(t)•故障率可靠性常用度量λ(t)2008年12月（一）产品可靠度：产品在规定条件下、规定时间内完成规定功能的概率，是时间的函数。可靠度函数：R(t)=P(Tt)累积故障分布函数：F(t)=P(T≤t)T----产品发生故障的时间，即寿命t----规定的时间R(t)+F(t)=12008年12月思考？t=0时；t趋向于∞时，R(t)=？F(t)=？开始使用时，所有的产品都是好的，故障数为0，R(0)=1，随着时间的增加，所有的产品最终都要失效，因此，R(∞)=02008年12月若受实验的样品数是N0个，到t时刻失效的有r(t)个。则可靠度的估计值:R(t)=----产品的总数r(t)----工作到t时刻产品发生的故障数N0N0N0－r(t)2008年12月例1：设t=0时，投入使用10000只灯泡，当t=365天时，有300只坏了，求一年的工作可靠度。解：=10000,r(t)=300,故R(365)=10000-300／10000=0.97N0F(365)=0.03N0N0－r(t)R(t)=2008年12月12345累积故障分布函数时间（小时）故障数（个）累积故障数（个）0-10000100-20011200-30034300-400610400-50001000.10.20.30.40.50.60.70.80.91F(t)t(*100h)累积故障数试验故障统计表2008年12月故障密度函数:t时间间隔内的平均故障密度f(t)=dF(t)／dt累积故障分布函数F(t)、可靠度函数R(t)、故障密度函数f(t)f(t)tF(t)R(t)tf(t)2008年12月应用举例：若产品特征值t的故障密度为指数分布：f(t)=e则有：不可靠度F(t)=1-e可靠度R(t)=1-F(t)=eλ-λt-λt-λt2008年12月（二）故障率某种设备在t时刻后的单位时间内发生故障的台数相对于t时间内还在工作的台数的百分比值，称为该产品的故障率。----t时刻后，时间内发生故障的总数----所取时间间隔----在t时刻没有发生故障的产品数=λ(t)r(t)Ns(t)t×r(t)ttNs(t)2008年12月例2：在例1中，若一年后9700只灯泡中又有1只坏了，求故障率是多少？解：已知=1只，=1年，=9700只则=1／9700×1≈0.000103／天r(t)tNs(t)λ(t)=λ(t)r(t)Ns(t)t×2008年12月故障率曲线（浴盆曲线）维修后故障率下降规定的故障率使用寿命早期故障期偶然故障期耗损故障期产品典型的故障率曲线λ(t)tAB2008年12月•早期故障期在产品投入使用的初期，产品故障率较高，且具有迅速下降的特性。主要是设计和制造中的缺陷•偶然故障期产品使用了一个阶段后，故障率下降到一个较低的水平，且处于平稳状态。•耗损故障期故障率迅速上升，故障大量增加直至最后报废。2008年12月（三）平均失效前时间（MTTF）设N0个不可修复的产品在同样条件下进行试验，测得其全部失效时间为t1、t2、t3···，其平均失效前时间(MTTF)为MTTF=N01∑i=1N0tiMeantimetofailure2008年12月例3：设有3个不可修复性产品进行寿命试验，它们失效的时间分别是1000h，1500h，2000h，该产品的MTTF观测值？解：MTTF=(1000+1500+2000)／3=1500h2008年12月（四）平均故障间隔时间(MTBF)一个可修复产品在使用过程中发生了N0次故障，每次故障修复后又重新投入使用，测得其每次工作持续时间为t1、t2、t3···，则平均故障间隔时间为：MTBF==N01∑i=1N0tiTN0Meantimebetweenfailure2008年12月例4：设有一产品工作了1万小时，共发生故障5次，问该产品的MTBF的观测值？解：MTBF=10000／5=2000h2008年12月（五）贮存寿命产品在规定条件下贮存时，仍能满足规定质量要求的时间长度。（六）平均修复时间（MTTR）在规定条件下和规定时间内，产品在任一规定的维修级别上，修复性维修总时间与被修复产品的故障总数之比。2008年12月简单回顾：可靠度函数R(t)累积故障分布函数F(t)故障率平均失效前时间MTTF平均故障间隔时间MTBFλ(t)970010000300100001／9700×11000+1500+200031000052008年12月可靠性与质量的关系产品质量性能特性及时性专门性顾客容易做出判断可靠性维修性保障性不确定性概念2008年12月产品可靠性是产品性能随时间的保持能力，换句话说，要长时间保持性能就是不要出故障，而出了故障能很快修好是产品很重要的质量特征。第二节可靠性数学模型与可靠性设计一、可靠性数学模型二、可靠性设计及其简单分析一、简单的可靠性数学模型可靠性模型可靠性框图数学模型串联模型Rs(t)=∏Ri(t)并联模型Fs(t)=∏Fi(t)12n····12n···结论：提高产品可靠度的一个重要途径是在满足性能要求前提下尽量简化设计，产品越简单越可靠。假设一个产品由10个部件串联组成，若每个部件工作10000个小时的可靠度为0.9，求整个产品工作10000小时的可靠度。解：Rs(t)=∏Ri(t)R(10000)=0.9=0.34810ni=1结论：提高产品可靠度的一个重要途径是在满足性能要求前提下尽量简化设计，产品越简单越可靠。假设一个产品由10个部件串联组成，若每个部件工作10000个小时的可靠度为0.9，求整个产品工作10000小时的可靠度。解：Rs(t)=∏Ri(t)R(10000)=0.9=0.34810ni=1二、基本的可靠性设计与分析技术1、可靠性设计2、可靠性预计3、可靠性分配4、故障模式、影响和危害分析5、故障树分析1、可靠性设计可靠性管理的首要环节是可靠性的设计，它决定了内在可靠性（即固有可靠性）。可靠性设计就是在现有水平上，从系统总体设计、零部件的选用、结构工艺以及其维修性设计等各个方面来尽量来挖掘潜力，采取差额、储备技术来实现系统既定的可靠性指标。产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，也是管理出来的。1.1可靠性设计过程中的主要方法•规定定性定量的可靠性要求•建立可靠性模型•可靠性分配•可靠性预计•可靠性试验•可靠性分析•可靠性分配•可靠性评审或鉴定1.2可靠性设计的基本步骤1.建立系统的初步方案，确定构成系统的各因素间关系，并进行初步定性分析和判断2.在满足各种限制条件下对各种初步方案比较，选择一种最优方案，然后再选择和确定该系统所需设备3.讲选定的初步考虑方案进行定量预计，经预计系统能满足系统各项要求的方案作为实现的方案，否则重复2.34.方案具体实现，即开始系统、子系统、设备、部件、零件的设计等等5.系统最后评价1.3系统可靠性设计的流程举例市场调研和可靠性研究可靠性指标与总体方案确定可靠性预计与分配零部件、材料可靠性分析参数飘逸分析可靠性分析维修性和人的因素分析FMEA与FTA冗余分析草样试制环境试验正样试验可靠性鉴定设计定型可靠性设计审查小批量生产验证可靠性鉴定确认生产定型大批量生产销售修正2.可靠性预计的定义可靠性预计是对产品系统可能达到的可靠性水平，利用其结构、功能、环境及其相关关系的信息来进行可靠性分析和估计的一种方法。是一个自下而上、从局部到整体的一种系统可靠性综合过程。2.1可靠性预计的基本步骤1、确定产品质量目标2、建立产品系统结构3、推导数学模型4、确定单元功能5、确定环境系数。通过对产品系统使用期间所经历的工作环境条件应力分析，确定环境系数6、假定故障分布7、计算故障率。根据选定的质量等级、环境应力和故障分布，计算单元的工作故障率8、计算产品可靠性2.1可靠性预计的基本方法评分分配法是一种常用的分配方法。在产品可靠性数据缺乏的情况下，可以请熟悉产品的专家，按照影响产品可靠性的几种主要因素进行评分，然后根据评分的结果给各系统或部件分配可靠性指标。评分预计法评分因素以产品故障率为预计参数，各种因素评分值范围为1~10，评分越高说明可靠性越差。􀂆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。􀂆技术水平——根据单元目前技术水平的成熟程度来评定。􀂆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）。􀂆环境条件——根据单元所处的环境来评定。评分原则各部件评分数wi各部件评分系数Ci（其中w*表示单元最大评分系数）分配给各部件的故障率λi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284.5×10-6/h，试用评分法求得其它分系统的故障率。3.可靠性分配的定义可靠性分配则是为了将产品总的可靠性的定量要求分配到规定的子系统、零部件或元件等层次，以确定各单元的可靠性指标。是一个由整体到局部、由上而下的可靠性分解过程。3.1可靠性分配需要了解的信息•系统所要求的可靠度；•构成各部分（零件、部件）可靠度的水平；•系统和构成部件的可靠性关系；•构成部件在系统使用时间内的工作时间；•构成部件可靠度对系统可靠度的贡献程度；•由于分配可靠度可能得到的改善程度；•功能、费用、特性、研制时间等条件约束。3.3可靠性分配的基本原则•分配给各部件的可靠度是部件可靠性水平可以达到的；•对于技术上不成熟的产品，应分配较低的可靠性指标；•对于复杂度较高的产品，应分配较低的可靠性指标；•对于处于恶劣环境条件下工作的产品，应该分配较低的可靠性指标；•对于需要长期工作的产品，应分配较低的可靠性指标；•对于重要度较高的产品，应分配较高的可靠性指标；3.4可靠性分配的方法•等值分配法•代数分配法(AGREE法)•评分分配法3.5代数分配法及其应用由于它综合考虑了子系统的复杂性和重要度，故比其他的两种方法更完善。设串联系统由k个指数分布的分系统组成，则系统可靠度Rs为3.5代数分配法及其应用重要关系分析：复杂度分析：3.5代数分配法及其应用分配给第i个分系统(第j个设备)的可靠性指标与该分系统的重要度成正比，与它的复杂度成反比。举例：某机载电子设备要求工作12h的可靠度0.923，这台设备的各分系统(设备)的有关数据见下表，试对各分系统(设备)进行可靠度分配。计算结果：调研系统可靠性指标分配给分系统分配给元部件系统可靠性预计可靠性目标分系统可靠性预计元部件可靠性预计比较更改设计技术条件可靠性、维修性、安全性分析可靠性维修性安全性评估确定可靠性目标及设计准则可靠性预计和分配4.故障模式、影响和危害分析•故障模式failuremode•影响分析effectanalysis•危害分析criticali