可靠性工程基础知识

可靠性工程基础知识目录一．基本概念二．可靠性工程发展历史三．可靠性分析方法四．可靠性分配方法五．结语2目录一．基本概念二．可靠性工程发展历史三．可靠性分析方法四．可靠性分配方法五．结语34基本概念可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。针对产品而言用概率来度量随时间变化可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。R(t)=P(Tt)T----产品发生故障（失效）的时间，也称寿命t----规定的时间维修性：产品在规定的条件下按规定的程序和方法进行维修时，产品在规定的使用条件下，保持或恢复执行规定功能状态的能力。5基本概念（续）可靠性工程：以保证和提高产品可靠性（广义的，包括维修性）为目标，在给定的资源条件（包括人才及组织体系、经费投入、工程研制手段等）约束下，在全寿命周期过程（从方案设计直到寿命终止或报废全过程）中，最大限度纠正与控制各种偶然故障（随机性故障）并预防与根除各种必然故障（系统性故障）的一系列工程研制技术活动。可靠性设计：可靠性设计就是考虑可靠性的工程设计，不存在独立于工程设计之外的可靠性设计。但可靠性设计不只是考虑可靠性，还要综合权衡性能、维修性、安全性、研制费用、制造加工成本、研制周期、安装布置等因素，从而得到产品的优化设计。6基本概念（续）故障：产品或产品的一部分不能或将不能执行规定功能的状态称为故障，对于不可修复的产品也称失效。按故障规律可分为偶然故障和耗损故障。可用性：在要求的外部资源得到保证的前提下产品在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力它是产品可靠性、维修性和维修保障性的综合反映。对于不可维修的设备，可靠性与可用性意义相同。A平均运行时间(UPTIME)平均运行时间(UPTIME)平均退出时间(DOWNTIME)7基本概念（续）平均失效间隔时间（MTBF）：可维修设备相邻两次失效间的工作时间的期望。平均失效前时间（MTTF）：产品首次进入可用状态直至失效或从恢复至下次失效的总持续工作时间的期望。平均恢复前时间（MTTR）：产品由于失效处于不可用状态的时间区间的期望。可靠性分配：产品设计阶段将产品的可靠性定量要求按给定的准则分配给各组成部分的过程。8基本概念（续）可靠性工程可靠性设计可靠性控制可靠性试验可靠性分析可靠性管理可靠性数据库设备失效物理过程及失效机理，材料性能及老化数据9基本概念（续）可靠性设计可靠性预计可靠性分配裕量设计冗余设计维修性设计···10基本概念（续）可靠性试验工程试验环境应力筛选试验可靠性增长试验加速寿命试验统计试验可靠性测定试验可靠性鉴定试验可靠性验收试验Duane可靠性增长模型lnC(t)=a+blnt11基本概念（续）)(t使用寿命早期故障偶然故障耗损故障AB规定的故障率维修后故障率下降tbate)1b(dtt)t(Cddt)t(dNt浴盆曲线b0b=0b0-12-特征硬件软件失效原因物理原因（如失真、断裂、漂移）主要为设计缺陷磨损会受到磨损无磨损时间相关性失效率为常数开发或升级后失效率随时间单调下降环境因素振动、冲击、腐蚀、温度、湿度等影响可靠性可靠性基本不受影响可靠性预测受物理规律制约，相对容易无法由物理知识预测冗余设计故障处理的一般手段，适当冗余可以提高可靠性，大量冗余受共因因素影响采用冗余设计应保证冗余软件的高度独立性，否则无助于可靠性提高基本概念（续）软件与硬件可靠性问题对比-13-基本概念（续）测试期稳定期报废期时间(t)失效率λ(t)升级14基本概念（续）可靠性与质量管理的关系从广义质量观看，质量涵盖可靠性；从狭义质量观看，质量只是“符合性”。传统质量管理是以制造过程的程序化、规范化为目标，试图通过使工序稳定来提高质量。而可靠性则是研究消除故障的对策，要在论证、设计、工艺中就采取措施防止缺陷的发生，产品的可靠性是在设计阶段就已经决定了。质量管理更多考虑“今天质量”，可靠性侧重于考虑“明天的质量”。质量概念没有考虑时间因素，控制的是产品出厂时是否合格以及质保期内故障情况，对于质保期之后发生故障不能保证，可靠性问题关注产品的寿命、疲劳、老化。质量管理和可靠性管理虽有侧重点或一些不同，但两者都是提高产品质量的重要手段，都是不可缺少的。目录一．基本概念二．可靠性工程发展历史三．可靠性分析方法四．可靠性分配方法五．结语1516可靠性工程发展历史开始萌芽期（20世纪30～40年代）可靠性概念初步形成，这一阶段的活动主要集中在德国和美国。1943年美国成立了电子管研究委员会专门研究电子管的可靠性问题。初步形成期（20世纪50年代）美国在朝鲜战争中发现不可靠的电子设备不仅影响战争的进行，而且需要大量的维修费用。1952年美国国防部成立了电子设备可靠性咨询组(AGREE)，1957年发表了第一份可靠性研究报告《军用电子设备可靠性》，该报告是可靠性发展的奠基性文件，标志着可靠性研究已经成为一门独立的学科。17可靠性工程发展历史（续）迅速发展期（20世纪60～70年代）20世纪60年代是美国航空及航天工业迅速发展时期（宇航时代），1965年美国宇航局（NASA）开展了机械可靠性研究。国际上首个可靠性工程专业学术杂志IEEETransactiononReliability于1963年问世。同时，美国在许多武器装备中推行可靠性工程，美军形成了一系列较完善的标准。70年代中期，可靠性工程相继在电力、交通、核能及通信领域得到广泛应用。与此同时：日本：1956年从美国引进可靠性技术1958年成立了”可靠性研究委员会”1971年召开了第一届可靠性学术讨论会。英国：1962年出版了“可靠性与微电子学”杂志法国：1963年出版了“可靠性”杂志苏联：20世纪50年代开展可靠性研究，1961年发射第一艘载人宇宙飞船时提出可靠度要求为0.999的定量要求18可靠性工程发展历史（续）深入发展期（20世纪80年代以后）可靠性向更广泛和更深入的方向发展，将可靠性、维修性和保障性有机结合在一起，形成可靠性系统工程。进入21世纪以来，几乎所有工业领域都应用了可靠性技术。可靠性工程的研究主要体现在集成化、协同化、系统和精确化。全寿命周期可靠性管理状态监测、维修决策和综合保障高复杂系统可靠性研究精确评估和控制可靠性和经济性的协同化19可靠性工程发展历史（续）我国可靠性工程的发展新中国成立后第一个五年计划期间，电子工业部设立产品可靠性试验研究基地。20世纪60年代，钱学森对可靠性统计提出“变动统计学”、“小子样统计推断”和“系统可靠性综合”等3个重要研究方向，对我国可靠性相关研究与发展影响巨大。1976年颁布了第一个可靠性标准“可靠性名词术语”SJ1044-76；1979年颁布了第一个可靠性国家标准“电子元器件失效率试验方法”GB1977-79；70年代后期：开展军用产品可靠性研究工作。80年代：1982年制定了可靠性基本名词术语及国家标准，并成立了专门的研究机构；可靠性工程相继在航天、核能及通信领域得到应用。90年代：开展机械可靠性设计工作。目录一．基本概念二．可靠性工程发展历史三．可靠性分析方法四．可靠性分配方法五．结语2021可靠性分析方法故障模式及危害性分析、故障树、事件树、可靠性框图传统建模方法GO法、状态转移图、智能组件法、动态故障树、随机Petri网、事件序列图法、动态逻辑分析法、模糊可靠性分析方法、蒙特卡洛仿真方法动态建模方法22可靠性分析方法（续）故障树分析：以故障树的形式进行分析的方法。它用于确定哪些组成部分的故障模式或外界事件或它们的组合可能导致设备的一种已给定的故障模式。优点：能明确表达组成部分之间逻辑关系适用于成败型部件通过最小割集找出系统全部可能的失效状态缺点：无法模化多重状态、信号反馈、时序变化可靠性参数不随时间变化，难以体现老化过程23可靠性分析方法（续）故障树分析法示例24可靠性分析方法（续）建立GO图定义系统输入数据GO运算确定边界成功准则13245评价系统GO法的一般分析流程为：首先定义系统来确定系统的功能和系统所包含的部件并给出系统的结构图，之后确定系统边界，也就是确定系统的输入、输出以及与其他系统的接口，而后确定成功准则，确定系统正常运行状态的判据；其次根据系统的原理图、结构图、工程图或流程图直接来建立GO图并输入系统所有单元的状态概率数据；然后选择合适的方法进行GO运算；最后进行系统评价，提出改进设计，提高系统运行的可靠性。可维修模型：-25-可用可用可用…维修不可用维修不可用维修不可用…服役时间MTTFMTTRtλλe)t(fte)t(gMTBFMTTRMTTRMTTFMTTRμλλQ可靠性分析方法（续）可维修模型的不可用度考虑两个状态的连续时间马尔可夫过程(Two-StateContinuous-TimeMarkovProcess)，用0表示设备处于正常运行状态，用1表示设备处于维修不可用状态。对于齐次马尔可夫链，有：由柯尔莫哥洛夫向前方程，得：-26-可靠性分析方法（续）目录一．基本概念二．可靠性工程发展历史三．可靠性分析方法四．可靠性分配方法五．结语27可靠性分配技术在工业界早有发展。目前工业界发展了许多可靠性分配技术，大体上分为无约束条件限制的可靠性分配方法和有约束条件限制的可靠性分配方法两类。无约束条件可靠性分配----所设计的产品满足规定的可靠性指标为目标，除了可靠性指标之外没有其它约束条件。有约束条件可靠性分配----在工程应用中，在成本、重量、体积、功耗等限制条件下，使所设计产品的任务可靠度最高，或者把任务可靠度维持在某一指标以上作为限制条件，而使系统的其它参数达到最优化。可靠性分配方法可靠性分配方法（续）可靠性分配流程无约束条件方法，多用于软件可靠性分配有约束条件方法，多用于硬件可靠性分配可靠性分配方法（续）以核电厂不可用度作为系统和设备的可靠性指标）全年小时数（小时停堆时间由于设备故障导致强制用度设备故障导致电厂不可8760)(对于有约束条件的可靠性分配方法，需要满足下面两式R)r,,r,r(fn21G)r,,r,r(gn21····可靠性指标····约束条件可靠性分配方法（续）传统优化算法（数学规划类）的局限性难以模化非线性、多目标模型难以模化自适应、反馈性模型计算复杂度高，对于多参数、大规模模型很难求解智能优化算法是可靠性分配方法的发展趋势人工神经网络遗传算法模拟退火算法可靠性分配方法（续）可靠性分配方法（续）定性定量优点操作简单专家经验能发挥作用指标分配精确，尤其对于大规模模型能够合理平衡考虑多个约束条件和多个目标分配结果有说服力缺点对于新设计的系统或设备很难分配准确难以平衡多个制约条件如何从系统级分配到设备级对于PSA模型中没有模化的设备怎么办建模过程相对复杂有的方法计算量较大，求解模型需要专业的数学软件定性处理VS定量处理定性处理与定量处理都不是绝对的，任何方法都是定性方法和定量方法的结合，只是比重多少而已。34结语可靠性工程起源于军事领域，推广应用于各个工业企业部门，给企业和社会带来巨大的经济效益，使人们更加认识到提高产品可靠性的重要性。可靠性工程是一门综合了众多学科的成果以解决可靠性为出发点的交叉学科。对于核电设备可靠性问题，至少需要综合运用概率论与数理统计、材料科学与工程、机械工程、腐蚀与防护、电气工程、工程力学等专业知识，需要各学科通力合作解决工程问题。