可靠性工程2014.2.

1、4.可靠性预计可靠性预计4.1.1 可靠性预计的目的和用途可靠性预计的目的和用途评估产品可靠性，审查其是否能达到要求的可靠性指标。在方案论证阶段，为最优方案的选择及方案优化提供依据。在设计中，通过可靠性预计，发现影响产品可靠性的主要因素，找出工程设计中的薄弱环节，及时采取改进措施，提高产品可靠性。为可靠性增长试验、验证及费用核算提供依据。为可靠性分配奠定基础，避免可靠性设计的盲目性。4.1 概述概述4.1.2 可靠性预计的分类可靠性预计的分类基本可靠性预计基本可靠性预计任务可靠性预计任务可靠性预计单元可靠性预计（元件、部件或设备）单元可靠性预计（元件、部件或设备）系统可靠性预计系统可靠性预计明

2、确系统定义，包括系统功能、系统任务和系统组成及其接口等；明确系统的故障判据；明确系统的工作条件；绘制系统的可靠性框图，可靠性框图绘制到最低一层功能层；建立系统可靠性数学模型；预计各单元的可靠性；根据系统可靠性模型预计系统的基本可靠性或任务可靠性。可靠性预计结果为可靠性分配提供依据。4.1.3 系统可靠性的预计程序系统可靠性的预计程序4.1.4 电子设备及系统基本可靠性和任务可靠性电子设备及系统基本可靠性和任务可靠性 预计结果的权衡预计结果的权衡当任务可靠性相同任务可靠性相同时，基本可靠性预计结果高的好基本可靠性预计结果高的好。若一个设计的基本可靠性比另一个高很多高很多，即使任务可靠性稍低稍低也

3、是可取的。若一个设计的任务可靠性预计不能满足合同要求，往往降低基本可靠性以获得提高任务可靠性降低基本可靠性以获得提高任务可靠性。4.2 单元可靠性预计单元可靠性预计说明说明 系统系统可靠性是各单元可靠性的概率可靠性是各单元可靠性的概率综合综合 单元单元可靠性预计是系统可靠性预计的可靠性预计是系统可靠性预计的基础基础常用的单元可靠性预计方法常用的单元可靠性预计方法 相似产品法 评分预计法 应力分析法 故障率预计法 机械产品可靠性预计法方法说明方法说明 相似产品法就是利用与该产品相似的相似产品法就是利用与该产品相似的已有成已有成熟产品熟产品的可靠性数据来估计该产品的可靠性。的可靠性数据来估计该产品

4、的可靠性。 成熟产品的可靠性数据主要来源于成熟产品的可靠性数据主要来源于现场统计现场统计和实验室的试验结果。和实验室的试验结果。方法的优点方法的优点 简单快捷，适应于各个阶段和各类产品的可简单快捷，适应于各个阶段和各类产品的可靠性预计。靠性预计。4.2.1 相似产品法相似产品法相似产品法考虑的相似因素一般包括相似产品法考虑的相似因素一般包括产品结构、性能的相似性设计的相似性材料和制造工艺的相似性使用剖面(保障、使用和环境条件) 的相似性相似产品法预计过程相似产品法预计过程确定相似产品确定相似产品分析相似因素对可靠性的影响分析相似因素对可靠性的影响确定相似系数确定相似系数新产品可靠性预计新产品可

5、靠性预计某型号导弹射程为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；发动机壳体壁厚壁厚由5mm减为4.5mm。试预计改进后的发动机可靠性。试预计改进后的发动机可靠性。相似产品法例题相似产品法例题分析计算分析计算 壁厚减薄会使壳体强度下降，会使燃烧壁厚减薄会使壳体强度下降，会使燃烧室的可靠性下降，因而影响发动机的可靠性。室的可靠性下降，因而影响发动机的可靠性。经计算原

6、发动机壳体结构强度为经计算原发动机壳体结构强度为9.8069.80610106 6PaPa现在发动机壳体结构强度为现在发动机壳体结构强度为9.4129.41210106 6PaPa。 相似系数相似系数 d = 9.412106/（9.806106） 发动机的可靠性发动机的可靠性 R = 0.9409d = 0.9033 在在可靠性数据非常缺乏可靠性数据非常缺乏的情况下的情况下（可以得到可以得到个别产品可靠性数据个别产品可靠性数据），通过，通过有经验的设计人有经验的设计人员或专家员或专家对影响可靠性的几种对影响可靠性的几种因素评分因素评分，对评，对评分进行分进行综合分析综合分析而获得各单元产品之

7、间的可靠而获得各单元产品之间的可靠性性相对比值相对比值，再以某一个再以某一个已知可靠性数据的产已知可靠性数据的产品为基准品为基准，预计其他产品的可靠性，预计其他产品的可靠性。4.2.2 评分预计法评分预计法方法说明方法说明 以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。评分越高说明可靠性越差。复杂度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。技术水平技术水平根据单元目前的技术水平的成熟来评定。工作时间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）。环境条件环境条件根据单元所处的环境来评定。 复杂、技术水平低、单元一直工作

8、、环境恶复杂、技术水平低、单元一直工作、环境恶劣劣?评分因素、评分原则评分因素、评分原则评分预计法评分预计法式中 r rijij第i个单元，第j个因素的评分数； j=1 复杂度； j=2 技术水平； j=3 工作时间； j=4 环境条件。 41ijijr 已知某单元的故障率为 *，则其它单元故障率为i为 i i= = * Ci i 式中 i=1，2，n单元数； Ci第i个单元的评分系数。Ci i= = i i /* 式中 i i第i个单元评分数； * 故障率为*的单元的评分数。评分预计法例题评分预计法例题 示例示例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/

9、h，试用评分法求得其它分系统的故障率。序序号号单元名称单元名称 复杂度复杂度技术水技术水平平工作时工作时间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65557500.385.44.2.3 应力分析法应力分析法 方法说明方法说明用于用于产品详细设计阶段产品详细设计阶

10、段的的电子元器件电子元器件失效率预计失效率预计对某种电子元器件在对某种电子元器件在实验室的标准应力与环境条实验室的标准应力与环境条件下件下，通过大量的试验，并对其结果统计而得出，通过大量的试验，并对其结果统计而得出该种元器件的该种元器件的“基本失效率基本失效率”。应根据元器件的质量等级、应力水平、环境条件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等因素对基本失效率进行修正。修正。电子元器件的应力分析法已有成熟的预计标准和电子元器件的应力分析法已有成熟的预计标准和手册。手册。GJB/Z299C-2006 ，MIL-HDBK-217F失效率模型失效率模型根据国产/进口选用标准

11、如分立半导体工作失效率计算模型（GJB/Z299C）)(2CSARQEbP 元器件工作故障率元器件工作故障率元器件基本故障率元器件基本故障率环境系数环境系数 质量系数质量系数额定电流系数额定电流系数应用系数应用系数配置系数配置系数电压应力系数电压应力系数o举例n已知按GJB597A-1996的筛选要求进行筛选的质量等级为B2的MOS型16位微处理器，含晶体管数约50万个，有40个引出端的陶瓷扁平封装用于平稳地面移动，是成熟产品，其实际工作电压VS=5V,功耗P=1.5W,计算其工作失效率。n计算步骤计算步骤o国产器件，使用GJB/Z 299C查表5.2.2-1,得失效率模型 P=QC1TV+(

12、C2+C3)ELo质量等级为B1，查GJB/Z 299C 5.2.2-3得质量系数Q=0.5o查 GJB/Z 299C 5.2.2-4得成熟系数L=1.0o查 GJB/Z 299C 5.2.2-5 a)和5.2.2-5b)及oTj=TC+PRth(j-c) 计算得Tj=93从而查表5.2.2-10 得 o温度系数T=5.32o查表5.2.2-14得电压应力系数V=1.0o查表5.2.2-21得电路复杂度失效率C1=3.7228， C2=0.1841o查5.2.2-31,得封装复杂度C3=0.4251P =QC1TV+(C2+C3)EL =11.822(10-6/h)o环境类别为GM1，查表5.

13、2.2-2环境系数E=6.34.2.4 故障率预计法故障率预计法主要主要用于用于非电子产品非电子产品的可靠性预计，其原理的可靠性预计，其原理与电子元器件的应力分析法基本相同。与电子元器件的应力分析法基本相同。 对于非电子产品可考虑对于非电子产品可考虑降额因子降额因子D D和环境因和环境因子子K K 对失效率对失效率 的影响。的影响。非电子产品的工作失效率为：非电子产品的工作失效率为： 工作故障率（工作故障率（h h-1-1） 基本故障率（基本故障率（h h-1-1）K,D 取值由工程经验确定取值由工程经验确定其中，环境因子其中，环境因子K K可参考电子设备可靠性预计可参考电子设备可靠性预计手册

14、中所列的各种环境系数。手册中所列的各种环境系数。方法说明方法说明DKb b 例：用故障率法预计某系统各单元可靠性。系统单元组例：用故障率法预计某系统各单元可靠性。系统单元组成及故障率数据见下表所示。成及故障率数据见下表所示。解：解：（1）根据相关统计资料获得单元基本故障率见下表。）根据相关统计资料获得单元基本故障率见下表。（2）根据系统的使用环境确定各单元的环境因子）根据系统的使用环境确定各单元的环境因子Ki。（3）根据各单元的实际应力情况，确定降额因子）根据各单元的实际应力情况，确定降额因子Di。（4）计算得各单元工作故障率，见下表。）计算得各单元工作故障率，见下表。单元单元名称名称KiDi

15、基本故障率基本故障率10-6/h 工作故障率工作故障率10-6/h 液压油箱液压油箱1.51.034.051.0节流阀节流阀1.50.910.013.5泵泵2.00.71070.01500.0快卸接头快卸接头1.51.080.0120.04.3系统可靠性预计概念与分类系统可靠性预计概念与分类系统可靠性预计概念系统可靠性预计概念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。系统可靠性预计必须注意时间基准的问题。系统可靠性预计分类系统可靠性预计分类基本可靠性预计任务可靠性预计4.3.1基本可靠性预计基本可靠性预计1.一般方法一般方法串联模型关系系统组成单元之间相互

16、独立SSSSnnsSdttRMTBFtRtRtRtR 02211)()()()()(如各单元均服从指数分布 nisiisnnnniitdtdddtttsSeeeeetR1221111)()(niiisd1Siittd/2. 元件计数法元件计数法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。基本原理对元器件“通用失效率”的修正。方法说明方法说明S iQGniiSN)(1计算模型计算模型GiiQiNn系统总的故障率h-1第i种元器件的通用故障率h-1第i种元器件的通用质量系数第i种元器件的数量系统所有元器件的种

17、类数目编号编号型号型号规格规格元器件元器件类别类别数量数量N质量质量等级等级各各系数系数G(10-6/h) 例 ：某一电子设备由五类元器件组成，各元器件有关数据见下表所示，该电子设备中任一元器件失效均导致电子设备失效，各元器件失效分均为指数分布，应用元器件计数法进行可靠性预测。 iQ种类ABCDE数量Ni11620030050通用失效率10-6 /h1005201.51通用质量系数 11111解：6661 100 101 16 5 101 200 20 101 66300 1.5 10150 1 101 6(100 16 5200 20300 1.550) 10 551151 )(QGQGiQ

18、GiiNNN 设备=4.68010-3/hhMTBF7 .21368. 41034.3.2任务可靠性预计任务可靠性预计任务可靠性预计概念任务可靠性预计概念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。任务可靠性预计是针对某一任务剖面进行的。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。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。不可修系统的任务可靠性预计不可修系统的任务可靠性预计1.1.可靠性框图法可靠性框图法 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。a.根

19、据任务剖面建立系统任务可靠性框图；b.预计单元的故障率；c.确定单元的工作时间；d.根据可靠性框图计算系统任务可靠度。o示例示例n某飞机燃油系统完成复杂特技的任务可某飞机燃油系统完成复杂特技的任务可靠性预计。靠性预计。假设各单元产品均以指数分布，假设各单元产品均以指数分布，假设储备系统转换开关完全可靠，假设储备系统转换开关完全可靠，工作时工作时间均为间均为1.01.0小时，其故障率如下表所示。小时，其故障率如下表所示。油 箱油箱指标器耗油传感器油尽信号器连通单向活门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)

20、1切断开关切断开关(B)30油量指标器油量指标器(I)50发动机低压燃油泵发动机低压燃油泵(C)800耗量传感器耗量传感器(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主油路压力信号器主油路压力信号器(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 示例示例 其任务可靠度预计如下其任务可靠度预计如下串联单元串联单元1，由，由A、B组成，其可靠度为组成，其可靠度为()16661900 10 /30 10 /930 10 /ABABtttABABRRReeehhh12662122112930 101.0

21、800 101.0( )800930800 930930 8006.1538 0.99797.1538 0.99821.0ttR teeee旁联单元旁联单元2，由，由1、C组成，其可靠度为组成，其可靠度为tCtCCCeeR11121o串联单元串联单元3，由，由D、E、F、G、H、I、J、K，o其可靠性为其可靠性为9991. 00 . 110)3045501407003020()(36eeRRRRRRRRRtKJIHGFEDKJIHGFEDo并联单元并联单元4，由，由L、M组成，其可靠度为组成，其可靠度为999999. 00 . 110550 . 110200 . 110354666eeeeee

22、eRRRRRttttMLMLMLML燃油系统任务可靠度为燃油系统任务可靠度为2341.0 0.9991 0.9999990.99909SRRRR2.上下限法用近似的数值来逼近系统可靠度真值用近似的数值来逼近系统可靠度真值数学公式表达数学公式表达 设有一系统由 个串联单元和 个非串联单元组成。其系统可靠性RS计算公式见下式1k2k （n=1，2，3 nk2-1）( )( )1(1)(1)mnsRRR 下 限上 限（m=2，3 mk2） ： 第 m 次假设简化后计算的系统 可靠性上限 。()mR上限()(1)(2)(3)()mmRRQQQ上限上限上限上限上限(1)R上限 第一次假设简化后计算的可靠

23、性上限值 上式为系统串联单元可靠性系统串联单元可靠性计算式，（非串联单元认为可靠性为1）。1(1)1kiiRR上限11ik 系统串联单元可靠性确定的情况下，在实际系统中非串联单元中任何非串联单元中任何2个单个单元同时失效引起系统失效的概率元同时失效引起系统失效的概率，设该种组合有 种。(2)Q上限2n)(2211,11)2(nkjkjkjkjjkiiRRqqRRQ上限计算式为：(2)Q上限 系统串联单元可靠性确定的情况下，在实际系统中中非串联单元中任何非串联单元中任何3个个单元同时失效引起系统失效的概率单元同时失效引起系统失效的概率，设该种组合有 种。)3(上限Q3n计算式为：) 3(上限Q)

24、(3211,11)3(nnkjnkjnkjkjjkiiRRRqqqRRQ上限 系统串联单元可靠性确定的情况下，在实际系统中非串联单元中任何中非串联单元中任何m 个个单元同时失效引起系统失效的概率单元同时失效引起系统失效的概率，设该种组合有 种。mn).(1.,11)(21mnmkjmkjmkjkjjkiimRRRqqqRRQ上限计算式为：()mQ上限()mQ上限取 m = 2 时 , 则122111,2121kikjnkjkjkjjiRRqqRRQRR）（上限）（上限）（上限()(1)(2)(3)()mmRRQQQ上限上限上限上限上限 ：第n次假设简化后计算的系统可靠性下限()nR下限 第一次

25、假设简化后系统可靠性保险超过的最低值(1)R下限是系统的全部单元( 串联 )。121ikk)1 -211)nnRRRRR（下限）（下限）（下限）（下限（下限 21111 21kkiRRkkii）（下限 在系统串联单元可靠性确定的情况下，在实际系统中非串联单元中任意系统中非串联单元中任意1 1个单元个单元失效系统仍可靠的概率失效系统仍可靠的概率，设非串联单元中第j个单元失效，系统仍工作，此时有n1种组合。(1)R下限121(1)11()kknjijijqRRR下 限 若非串联单元中第j个单元失效系统仍工作,该系统工作概率为： 21211121kkijjikkjkRqRRqRRR有n1种时,则：

26、在系统串联单元可靠性确定的情况下，在实际系统中非串联单元中任意系统中非串联单元中任意2 2个单元失效个单元失效系统仍可靠的概率系统仍可靠的概率，设非串联单元中第j个和第k单元失效，系统仍工作，此时有n2种组合，则 ：)2(下限R)(2211,1)2(nkjkjkjkkiiRRqqRR下限 在串联单元可靠性确定的情况下，在实际系统中非串联单元中任何（中非串联单元中任何（n-1）单元个失效系统仍可靠的概率单元个失效系统仍可靠的概率，设此种组合有 种，则 ：(1)nR下限1nn).(1 -n2111.,1111)1n(nnkjnnkjnkjkkiiRRRqqqRR，个下限 取 n = 3 时，则：2112111,21131 kkinjnkjkjkjjjiRRqqRqRRRRR）（下限）（下限）（下限）（下限)1 -211)nnRRRRR（下限）（下限）（下限）（下限（下限 注意注意 上式适用于组成单元的失效分布为各种类型各种类型的系统的系统，求系统可靠度函数，只需带入单元可靠度即可； 若m=2,n=3计算精度不够，可分别取m=3，n=4；m=4，n=5；直至m=k2 或n=k2-1。)111nmSRRR（下限（上限1.上限值预测上限值预测（1）第一次预测）第一次预测（2）第二次预测）第二次预测R上