可靠性设计

可靠性设计2目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保证可靠性设计的常用技术53前言低成本可靠性越高，成本越高返修率越高，成本越高技术性能可用性安全性成本产品质量可靠性和维修性产品寿命中可靠使用，便捷维护如冰箱的十年寿命及终身维修安规指标不能对客户的安全造成威胁如电子产品的阻燃性、外壳接地技术指标所要实现的功能如冰箱的温度、功耗4产品故障原因分析故障原因所占比列设计上的原因40％元器件质量上的原因30％操作和维修原因20％制造上的原因10%产品故障70％是同设计有关影响产品可靠性的因素5失效率曲线早期失效期，失效率曲线为递减型。产品投稿使用的早期，失效率较高而下降很快。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、起动不当等人为因素所造成的。必须设法规避早期失效的发生；偶然失效期，失效率曲线为恒定型，即t0到ti间的失效率近似为常数。失效主要由非预期的过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。由于失效原因多属偶然，故称为偶然失效期。偶然失效期是能有效工作的时期，这段时间称为有效寿命。为降低偶然失效期的失效率而增长有效寿命，应注意提高产品的质量，精心使用维护。耗损失效期，失效率是递增型。在t1以后失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。针对耗损失效的原因，应该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提前维修；早期失效期：设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分；质量问题；（往往跟时间有关，具有隐蔽性）偶然失效期：静电损伤、过电损伤；可靠性问题；（往往是突发性事件，现象明显）耗损失效期：元器件老化；可靠性问题；（往往跟时间有关，具有隐蔽性）)]([1)(tetQtetRtQ1)(1)(dtetQtt2)(2121)(6可靠性与费用的关系费用0产品可靠性生产费用维修费用总费用图a可靠性与费用的关系曲线7可靠性设计的方法可靠性分配可靠性预测1、设定可靠性目标；2、按照已知零部件或各单元的可靠性数据,计算系统的可靠性指标，以得到比较满意的系统设计方案；1、将设定的目标分解到系统的各个环节；2、在多种设计方案中比较、选优。方法设定目标实现目标8可靠性设计的一般步骤可靠性设计一般步骤2、确定规格1、明确失效率3、规格分解5、可靠性验证4.选料、方案、FEMA6、优化设计9常见的可靠性业务流程DesignVerificationFailureanalysisRootcauseanalysisresultsPredictions/failuresManufacture&MarketproductFieldfailuresComponentcountreliabilityanalysisLongtermlifetest&grouptestingDesign“rules”ProductQualificationProductdesignresultsParametricdistributionyieldanalysisDemonstrationoftargetreliabilityFEM10目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保证可靠性设计的常用技术511系统可靠性模型模型子系统1子系统2子系统2输入输出输入输出子系统1子系统2子系统3串联系统并联系统12串联系统的可靠性框图串联系统的可靠度Rs(t)：假设n单元的可靠度为Rn(t),则串联系统的可靠度串联系统的平均无故障工作时间（MTTFs）：单元1单元2单元ns12n=1()=()()...()=()niiRtRtRtRtRt000=1=()=()=()nssiiMTTFtftdtRtdtRtdt∞∞∞串联系统13串联系统由n个可靠性Ri相等的单元构成，试求n=1,5,10,15,20,25,30,35,40,45时，Ri为1,0.99,0.98,0.97,0.96,0.95的系统可靠度。[解]因为，计算与不同n相应的系统可靠度,结果如表13.2.1。niniisRRtR1)(n1.0000.9900.9800.9700.9600.95011.0000.9900.9800.9700.9600.95051.0000.9510.9040.8590.8150.774101.0000.9040.8170.7370.6650.599151.0000.8600.7390.6330.5420.463201.0000.8180.6680.5440.4420.358251.0000.7780.6030.4670.3600.277301.0000.7400.5450.4010.2940.215351.0000.7030.4930.3440.2400.166401.0000.6690.4460.2960.1950.129451.0000.6360.4030.2540.1590.099Ri图13-2-3Ri关系曲线R=1R=0.99R=0.98R=0.97R=0.960.00.20.40.60.81.01.2151015202530354045R=0.95【例题】14并联系统可靠性框图并联系统可靠度系统的平均寿命单元1单元2单元n……=1()=1-[1-()]nsiiRtRtn00i=1=()={1-[1-()]}ssiMTTFRtdtRtdt∞∞并联系统15研究两个等可靠度的独立单元组成的并联系统的可靠度。[解]设单元等可靠度为tetR)(因此，两个等可靠度单元组成的并联系统的可靠度为：tttseeetR222)1(1)(所以系统的故障率为：ttttttsssseeeeeetRtRtRdtdt2)1(22)(2)()()(ln)(22'从而有tttsteet2)1(2)(limlim并联系统的失效率随时间而变化，当时间很长时可视为常数。【例题】16目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保证可靠性设计的常用技术517一、可靠性预测的目的1.为设计决策提供科学合理的依据。2.根据预测结果，编制可靠性关键件清单，为生产过程质量控制提供依据；3.为可靠性试验方案设计提供依据；4.为产品系统的可靠性指标分配提供依据和顺序；5.对产品使用、维护提供信息等。18二、可靠性预测的程序⑴确定质量目标。⑵拟定使用模型。⑶建立产品结构。⑷推导数学模型。⑸确定单元功能。⑹确定环境系数。⑺确定系统应力。⑻假定失效分布。⑼计算单元的工作失效率和贮存失效率。⑽计算产品可靠性。19三、可靠性预测的一般方法（一）元器件计数法（二）应力分析法（三）相似产品法20（一）元器件计数法失效率数学模型其中：λs为系统（设备）总失效率；λGi为第i个元器件的通用失效率，πQi为第i个元器件的质量系数；Ni为第i个元器件的质量数量；n为不同元器件的种类数目。适用范围适用于电子类产品的方案论证及初步设计阶段。在产品的原理图基本形成，元器件清单初步确定的情况下应用。=1=()nsiGiQiiλNλπ21（二）应力分析法失效率数学模型其中λb是基本失效率；πi是各种系数，如πθ是质量系数、πE是环境系数等。适用范围应力－强度模型认为产品所受的应力大于其允许的强度就会失效。因此，采用应力分析法需要知道元器件所受的应力，如温度、电压、振动等，这决定了应力分析法只能用于详细设计阶段。=()=pbEθAs2rCbiλλππππππλπ22（三）相似产品法预测的基本公式其中TBFS是系统的MTBF(h)；TBFi是第i分系统的MTBF(h)适用范围相似产品法是根据以前研制和生产功能相似的产品时，所获得的失效率数据和特定的经验，估计新设计产品的可靠性参数。在机械、电子、机电类具有相似可靠性数据的新产品方案论证、初步设计阶段，可用相似产品法进行可靠性预计相似产品法的一般步骤(1)确定与新设计产品在类型、使用条件及可靠性特征最相似的现有产品；(2)对相似产品在使用期间所有数据进行可靠性分析；(3)根据相似产品的可靠性，作适当修正，作出新产品所具有的可靠性水平。=1=nsiiλλ=111=nBFSBFiiTT或23目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保证可靠性设计的常用技术524由流程保证可靠性的实现24IPD整体框架管理市场细分并评估绩效市场信息客户反馈竞争信息技术趋势产品组合市场管理流程产品开发流程产品战略产品战略集成组合管理团队（IPMT）平台与技术的开发FullDevMfgTdProcLTDTFullDevMfgMktProcSWFinSvcLPDTSvcDevMktMfgProcLPMT管理细分市场并评估绩效理解市场市场细分组合分析制定细分策略及计划整合、优化业务计划开发验证发布生命周期概念计划一流的子流程项目管理配置与变更技术评审文档管理质量管理采购/外协管理软硬件设计管道管理CBB—重用需求管理绩效管理基于战略和流程的KPI体系IPD工具共用工具（业务，技术）PMTPDTTDT25可靠性分配的一般方法平均等同分配代数分配加权分配算术平均加权平均1、操作简单，不考虑重要度2、未知或全新系统70%30%60%40%可靠性分配可采用的方法：50%50%1、考虑重要度2、有一定认识的系统1、考虑重要度及权重2、很熟悉的系统26目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保证可靠性设计的常用技术527一、元器件的选用元件的可靠性不仅与其固有可靠性有关，而且还与设计时选择的工作参数（电压、电流、功率等）有关，电路形式和环境（如温度、振动、冲击等）条件有关，因此在电路可靠性设计中，必须重视元件的选择，设计重视各种冲击。1、少用高失效率元件（1）试制品、触点多、易振动；（2）出现磨损、氧化；2、考虑费用、工艺成熟度、触点少（1）少用真空器件；（2）少用耗损性器件，如继电器、开关；元器件选用原则28二、元器件的降额设计降额设计是使元器件或产品在工作时承受的工作应力适当低于额定值，达到降低元器件或产品的基本失效率，提高使用可靠性的目的。原因元件在额定条件下工作，环境、工作应力的变化造成元件的故障。实质缓慢物理化学变化，使得元件特性退化、功能丧失。这种变化的快慢，与温度和施加在元器件上的应力大小直接相关。要点在设计时有意识地降低元器件在工作时所承受的热、电、机械等各种应力，以达到改善元器件可靠性目的。范围：电子、电控系统和机械零件、机械结构等。包括：环境应力和工作应力29元器件的降额设计（1）降额依据原因元件在额定条件下工作，环境、工作应力的变化造成元件的故障。实质缓慢物理化学变化，使得元件特性退化、功能丧失。这种变化的快慢，与温度和施加在元器件上的应力大小直接相关。要点在设计时有意识地降低元器件在工作时所承受的热、电、机械等各种应力，以达到改善元器件可靠性目的。范围：电子、电控系统和机械零件、机械结构等。包括：环境应力和工作应力30元件承受的环境应力：客观存在温度、湿度、压力、辐射、振动、腐蚀等，这些随条件而变化。温度对寿命影响较大工作应力：元件工作时，出现电流、电压、频率、热量、机械负荷等（1）温度对寿命影响寿命（L)和工作温度(T)关系遵守阿伦尼斯方程元件温度增加10度，寿命就缩短1/2—称10度法则（2）温度及其他应力同时作用：元器件的降额设计TBAL/lnLTTrrSSLL231元器件的降额设计元件降额方法选择电阻降低功率；电容降低工作电压；半导体降低工作功率；数字电路降低周围环境和电负荷；电子元件降额设计方案降额系数有电流、电压和功率降额系数。降额幅度越大，寿命越长。但重量、体积和成本增加。有时反而不利影响，因而存在一个优化问题。