系统可靠性理论与工程实践reliability课件

1、系统可靠性理论与工程实践 reliability 1 2002年8月11日 系统可靠性理论与工程实践 reliability 2 l1 系统可靠性基础理论系统可靠性基础理论 l 理论体系探讨 l2 工程实践工程实践 l Intersil公司公司 、Ford公司公司 l3 可靠性工程几个热点问题可靠性工程几个热点问题 l 发展趋势展望发展趋势展望 系统可靠性理论与工程实践 reliability 3 一个满意的顾客会告诉8个人， 一个不满意的顾客会告诉20个人， 只有可靠的产品才能带来长期效益和忠诚的顾客！ 系统可靠性理论与工程实践 reliability 4 l系统可靠性基本术语 （1） 系统

2、（System） 一个系统是由一组零 件（元件）、部件、子 系统或装配件（统称为 单元）构成的、完成期 望的功能、并具有可接 受的性能和可靠性水平 的一种特定设计。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 5 系统可靠性理论与工程实践 reliability 6 1.在特定的时间内，已知系统所有单元的可靠度为 90%,则系统可靠度为90%。 2. Mechanical engineers know everything. 3. Reliability is a project. 4. The craftsman is only involved in repair, not in r

3、eliability. 5. The key to high reliability is speedy repair. 系统可靠性理论与工程实践 reliability 7 可靠性方块图可靠性方块图 是系统单元及其可靠 性意义下连接关系的 图形表达, 表示单元 的正常或失效状态对 系统状态的影响。在 一些情况下，它不同 于结构连接图。 计算机的简化可靠性方块图 系统可靠性理论与工程实践 reliability 8 l一个方块可以代表零件 （元件）、部件、子系 统或装配件，取决于它 选择的“黑箱”水平 （具体层次）。 l系统可靠性评估的第一 步是获取数据（寿命或 成功次数等），估计单 元的可靠

4、性水平。 单元可靠性估计的流程 系统可靠性理论与工程实践 reliability 9 (1) 串联系统 (2) 并联系统 (3) k/n表决系统 (4) 串并联混合系统 (5) 储备系统 (6)复杂系统 系统可靠性理论与工程实践 reliability 10 l系统可靠度为 l l可靠性串联系统中，可 靠性最差的单元对系统 的可靠性影响最大。 n i is RR 1 系统可靠性理论与工程实践 reliability 11 l l 系统可靠性理论与工程实践 reliability 12 l系统可靠度为 n i is RR 1 )1 (1 图7 可靠性并联系统 冗余最大 例：双工系统 系统可靠性理

5、论与工程实践 reliability 13 系统可靠性理论与工程实践 reliability 14 l特例：1/n串联系统 l n/n并联系统 l系统可靠度： 系统可靠性理论与工程实践 reliability 15 系统可靠性理论与工程实践 reliability 16 l分析方法： l 1. 分解分析方法：选择关键单元， 先分解系统，再组合计算。 l 2. the Event Space Method. l 3. the Path-Tracing Method. 图9 可靠性复杂系统模型示例 系统可靠性理论与工程实践 reliability 17 l分析单元重要度，可以找出系统的薄弱环节。

6、l单元i的概率结构重要度： l关键重要度 lFV重要度 lBP重要度 系统可靠性理论与工程实践 reliability 18 l(1) 系统可靠度估计 l引入单元可靠度函数， 运用上述模型即可计算 系统可靠度。 l(2) 寿命预测 l根据系统可靠度，可以计算 系统的平均寿命、保证寿命、 BX（如：B10）、可靠寿命 等。此外，可以计算系统的 寿命分布规律、失效率。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 19 l(3) 模拟分析 l 模拟分析可以克服 解析法的缺点，完成复 杂系统的可靠性分析。 其原理：基于the Monte Carlo simulation method, 根据每个

7、单元的失效分 布产生随机失效时间， 模拟系统的工作状态， 然后对系统可靠度作经 验估计。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 20 l在产品开发阶段要尽 早考虑和构造可靠性。 l l将可靠性和性能一样 设计到产品中去。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 21 l(1) 问题识别：获取改进可靠性的机会。工具：维修数据 分析、用户意见分析、可靠性试验、可靠性分析等。 l(2) 失效分析。认识失效机理和发现改进措施。工具： FMECA，FTA等。 l(3) 寿命周期费用和保修费用分析。 l(4) 比较研究（Trade-off studies），可靠性优化，费 用效益分析

8、。 l(5) 可靠性目标确定。工具：QFD等。 l(6) 可靠性优化分配。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 22 l有两个方法改进系统的 可靠性：故障避免和 故障容错。 l避免故障，要求使用高 质量和高可靠性的元件， 通常比故障容错方法的 成本低些。而故障容错， 需要冗余，导致设计难 度加大，成本、重量、 体积等增加。 典型的可靠性增长曲线 系统可靠性理论与工程实践 reliability 23 l优化前需要明确规定： l a) 成本函数 Cost/Penalty Function lb) 可靠度上限 Maximum Achievable Reliability 系统可靠性理

9、论与工程实践 reliability 24 改进难度和可靠度上限的影响 系统可靠性理论与工程实践 reliability 25 建立系统可靠性优化的目标函数： 系统可靠性理论与工程实践 reliability 26 例：由三个单元组成的可靠性串联系统，在100小时内的 目标可靠度为0.90，考虑五种情况： Case 1-三个单元都服从=1.318、=312hrs的威布尔 分布，改进可行性中等。 Case 2-同Case 1，但改进可行性不同：单元1易， 单元2中，单元3难。 Case 3-在100小时内，单元1、2、3的可靠度分别为 0.7、0.8、0.9，改进可行性相同：易。 Case 4-

10、在100小时内，单元1、2、3的可靠度分别为 0.7、0.8、0.9，改进可行性分别为：易、中、难。 Case 5-在100小时内，单元1、2、3的可靠度分别为 0.7、0.8、0.9，改进可行性分别为：难、易、中。 假设在100小时内，MAR均为0.999，则优化结果如右表 1所示。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 27 l 对于可修复系统，须同时考虑可靠性和 维修性。类似于基于寿命数据的可靠性 建模方法，可以处理修复数据获得维修 性特征量，如：维修度、修复率、平均 修复时间等。可用性综合考虑可靠性和 维修性。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 28 l事后

11、维修的三个典型 步骤： a)问题诊断； b)故障零件的更换或 修理； c)维修确认。 l预防维修活动包括设 备检查，局部或全面 定期检修，换油等。 l预防维修可以提高系 统的可靠性、减少停 机时间和更换费用、 优化备用件库存。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 29 l计划维修针对产品老 化情况。 l基础工作：维修历史 记录分析、传感器监 测数据分析、备用件 库存优化、维修最佳 间隔期的确定、设备 维修模拟等。 l视情维修 l基础：设备性能退化、 测试技术和诊断技术。 图14 预防维修与事后维修的费用比较 系统可靠性理论与工程实践 reliability 30 l停机时间分为等

12、待时 间和修理时间。等待 时间主要与后勤工作、 管理工作有关。而修 复时间主要取决于维 修人员和产品的可维 修性设计。基于停机 时间，可以建立维修 度函数，统计维修性 特征量。 l更新理论 图13 系统停机时间为元件停机时间的函数 （三个元件组成的可靠性串联系统） 系统可靠性理论与工程实践 reliability 31 l可用度分为瞬时可用度、稳态可用度、 平均可用度、使用可用度等。 l维修费用分析：识别主要费用要素。 l失效数据分析：对同类的产品或单个产 品进行统计分析，了解MTBF、主要失效 模式等。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 32 l可靠性管理是可靠性工程组成部分

13、，占有很重要地位，有人曾讲； “产品可靠性是设计出来的、制造出来的和管理出来的”。 l可靠性管理工作包括：可靠性设计、试验和管理标准，可靠性大 纲，可靠性管理机构，数据网等。从产品可靠性指标分配、预计、 可靠性设计、可靠性分析、可靠性试验、数据交换等进行系统化 管理。 l90年代美国由于以经费为独立变量，废除大量的军用标准，大力 推行健壮设计和并行工程及IPPD管理。首先在美国海军及其相关 工业部门广泛推广“网络化”管理。通过大量标准、规范引入和 支持，为“网络化”管理提供依据和指导，实施程序化、规范化、 系统化的“网络化”管理。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 33 l(1

14、) 供应链分析：企业之间的协作减少提供产品和服务的 供应链时间，减少库存。需求不确定性增大，需要供应链 越敏捷。 l(2) 人机工程：考虑人机系统，注意人的能力和局限。包 括：可维修设计（拆卸、装配程序评估），软硬件设计 （人机界面、通讯、显示与控制技术），可操作性试验 （录像分析，方案比较），人操作可靠性分析等。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 34 l(3) 制造统计技术：主要包括：统计过程和质量控制（如： SPC，抽样，过程能力分析，改进计划，变差减少），实 验设计（DOE），统计建模（如：SPC，回归分析，方差 分析，时序分析，多元分析，非参数分析）等。 l(4) 工

15、业工程：工业工程涉及技术系统的设计、安装、改 进、评估和控制。目标是，在尽可能降低成本的同时优化 系统的资源来提升质量、效率、生产率。工具：数学模型 （对复杂系统应用随机模型）、实验设计、连续过程改进、 生产性研究、计算机模拟、神经网络（处理非线性现象， 减少数据处理时间）、专家系统等。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 35 l2.1Intersil公司的 Building-In Reliability l lIntersil（网线）公司 为晶片制造商，在无 线网络、电源管理领 域国际领先。 l2.2 Ford公司的Useful Life Reliability Proces

16、s lFord（汽车）公司将 Useful Life Reliability Process 任务作为产品 开发系统的重要工作。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 36 系统可靠性理论与工程实践 reliability 37 l 无维修使用期(MFOP) l在国际上早在1995年对传统的可靠性定义提出了 质疑，在欧洲开始用无维修使用期(MFOP)取代 原先的MTBF，摒弃随机失效无法避免的旧观念， 故障率浴盆曲线分布规律也就被打破。当前国际 上兴起在可靠工程中推行失效物理方法的新潮流， 目的是设计出不存在随机失效的产品。同时，从 故障修理转换到计划预防维修。 系统可靠性理论与工

17、程实践 reliability 38 l要做到“无维修使用期”必须作好如下两项工作： l一是一是改变可靠性设计思路改变可靠性设计思路：以自下而上的可靠性 设计方法，取代采用MTBF进行自上而下分配方 法。重点可采取如下设计措施：采用状态监控， 故障诊断和故障预测设计；容错设计；可重构性 设计；动态设计；故障软化设计；环境防护设计； 冗余设计；在任务能力不受影响下，留出可接受 的降级水平设计等。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 39 l二是改变可靠性工程工作方法改变可靠性工程工作方法：必须把人力、 精力集中于产品研发早期阶段。应做如下工作： l失效物理分析、研究与应用； l开展

18、可靠性研制试验，及早暴露设计缺陷，采 取有效纠正措施； l开展高加速应力试验(HAST)，暴露产品薄弱环 节予以纠正； l 严格设计评审制度，消除设计隐患； l 制订合理预防维修计划并予以实施。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 40 l可靠性指标体系及其验证 l在产品可靠性验证与评价中，在确认故障，采 用什么方法对故障数据进行处理，直接关系到 产品的生存和发展。一般都把可靠性验证试验 中产品的存在状态简化为“二元状态（成功、 故障）”处理。故障统计也比较简单，要么为 0，要么为1，对故障既不分类，也不加权，这 在工程实施显然存在问题。如果把这些后果严 重程度不同的故障，等同看

19、待，客观上是不合 理的，与实际情况也是不相符的。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 41 l早在70年代美国在地面产品广泛地采用故障加权。 l在1980年美军标准MILSTD785B颁布后，故障加 权处理方法被取缔。 l产品可靠性指标细化分解，分别验证。MILSTD 7810工程研制鉴定和生产可靠性试验正式文本中， 首次提出在可靠性验证中按后果严重程度把发生故障 区分为：致命故障，严重故障和轻度故障三类。 l我们国家有标准可查的就有近20种门类产品对故障进 行加权处理。 l目前对故障加权有争议。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 42 l加强软件可靠性设计 l随

20、着社会日益信息化，系统(或设备)软件 功能较硬件功能占系统功能比例越来越高。 l时至今日软件可靠性工程的有关技术还不 够成熟，还有许多问题有待研究。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 43 l在开展可靠性工程工作时，对软件可靠性提及 甚少，原因有二：一是开展软件可靠性工作较 晚。二是软件可靠性技术较为复杂，研究和应 用难度较大，其中有如下几个方面：a)可靠性 模型非指数分布，一般属于正态分布或威布尔 分布，可靠性数学模型建立难度很大；b)可靠 性指标确定多样化；c)目标的实现、测试、评 估和验证、模式的不确定性；d)设备的软件可 靠性很难与硬件可靠性剥离。有些软件故障是 由硬件

21、设计缺陷和故障所引发的。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 44 l改变传统观念 实施集成化结构设计 l传统的汽车机械系统即将走入历史。 FlexRay网络通讯系统用以整合包括 Brake-by-Wire（电子制动）、Steer-by- Wire（电子转向）等控制系统，让汽车 发展成百分之百的由单一电子系统控制 车辆。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 45 l在技术上深入开展软件可靠性、机械可靠性， 全面推广计算机辅助设计(CAD)技术在可靠性 工程中应用，积极采用模块化、综合化、容错 设计、光导纤维和超高速集成电路等新技术来 全面提高现代武器系统的可靠性。

22、l电子产品结构设计机械件可靠性设计热设 计EMC设计维修性设计三防设计 系统可靠性理论与工程实践 reliability 46 l推行IPPD（Integrated Product and Process Design）管理 l美国国防部研制试验、系统工程与评价局系统 工程副局长Mark schaeffer总结美国质量管理的 三个阶段：(一)早期阶段，推行质量检验； (二)80年代，质量重点转移，推行TQM(Total Quality Management)；(三)90年代，重点抓产 品研发设计，推行IPPD。 系统可靠性理论与工程实践 reliability 47 l今天的质量是面向预防和过程驱动，从而使质量的全 部职责由质量专业人员转移到机构中的每一个人。质 量不再是“单个烟囱”式的学科。而质量必须是工程， 制造软件编程和产品维护的一个综合要素。质量必须 是商务活动的组成部份。 l推行IPP