第1-2可靠性设计概述

1、1.41.4 可靠性可靠性设计设计 定性要求定性要求内容有内容有: : 遵守一般可靠性设计和准则等。遵守一般可靠性设计和准则等。 内容有内容有: : 可靠性定量要求可靠性定量要求使用指标和合同指标使用指标和合同指标n 可靠性定量要求可靠性定量要求a. 可靠度可靠度 可靠性的概率度量，其符号为可靠性的概率度量，其符号为R(tR(t) ) 例如例如: R(t)=0.95，0.99等等。b. 平均故障间隔时间平均故障间隔时间 mean time between failures (MTBF) 可修复产品的一种基本可靠性参数。其度量方法为：在可修复产品的一种基本可靠性参数。其度量方法为：在规定的条件下

2、和规定的期间内，产品寿命单位总数与故障总规定的条件下和规定的期间内，产品寿命单位总数与故障总次数比次数比。c. 平均故障前时间平均故障前时间 mean time to failures (MTTF) 不可修复产品的一种基本可靠性参数。其度量方法为：不可修复产品的一种基本可靠性参数。其度量方法为：在规定的条件和规定的期间内，产品寿命单位总数与故障产在规定的条件和规定的期间内，产品寿命单位总数与故障产品总数之比品总数之比。可靠性定量要求可靠性定量要求d.d.平均首次故障前时间平均首次故障前时间 mean time to first failure (MTTFF) 可修复产品的一种基本可靠性参数。其

3、度量方法为：在可修复产品的一种基本可靠性参数。其度量方法为：在规定的条件下，产品从开始使用到出现首次故障时产品寿命规定的条件下，产品从开始使用到出现首次故障时产品寿命单位总数与产品首次故障总数之比。单位总数与产品首次故障总数之比。e. 故障率故障率 产品可靠性的一种基本参数。其度量方法为：在规定产品可靠性的一种基本参数。其度量方法为：在规定的条件下和规定的期间内，产品的故障总数与寿命单位总数的条件下和规定的期间内，产品的故障总数与寿命单位总数之比之比。产品层次产品层次产品使用特征量产品使用特征量连续或间歇工作连续或间歇工作(可修复可修复)连续或间歇工作连续或间歇工作(不可修复不可修复)一次性使

4、用一次性使用装备装备R(t)或或MTBFR(t) 或或MTTFP(S)或或P(F)分系统分系统设备设备R(t)或或MTBFR(t)或或P(S)或或P(F)组件组件元器件元器件 P(F)注：注： R(t)：可靠度：可靠度 MTBF：平均故障间隔时间平均故障间隔时间 P(S)：成功概率：成功概率 MTTF：平均故障前时间：平均故障前时间 P(F)：故障概率：故障概率 ：故障率：故障率niis1niisBFST111式中：式中：Ri、 i单元的可靠度、故障率（单元的可靠度、故障率（1/h）；Rs、s系统的可靠度、故障率（系统的可靠度、故障率（1/h）。）。此时，系统的故障率此时，系统的故障率s为单元

5、的故障率为单元的故障率i 之和之和: 系统的平均故障间隔时间为：系统的平均故障间隔时间为： =1 +2 +n平均故障间隔时间平均故障间隔时间 MTBF =串联模型串联模型niistRtR1)()(R1 1R R2 2RnRn1.4.21.4.2 可靠性设计可靠性设计工作内容工作内容 按可靠性要求开展设计工作按可靠性要求开展设计工作 表表4 4 可靠性可靠性设计（定性）工作内容设计（定性）工作内容1成熟设计2简化设计3余度设计4环境防护设计5按可靠性设计准则设计6软件可靠性设计7包装、贮存、运输设计等 可靠性设计准则的制定与贯彻可靠性设计准则的制定与贯彻(按可靠性设计准则设计)a.a.目的目的

6、通过制定并贯彻产品可靠性设计准则，把有助于保证、提通过制定并贯彻产品可靠性设计准则，把有助于保证、提高产品可靠性的一系列设计要求设计到产品中去。高产品可靠性的一系列设计要求设计到产品中去。b b. 可靠性设计准则文件的基本内容可靠性设计准则文件的基本内容 产品可靠性设计准则是在产品设计中能够直接贯彻实施的产品可靠性设计准则是在产品设计中能够直接贯彻实施的可靠性设计要求细则与保证措施，可靠性设计准则文件基本内可靠性设计要求细则与保证措施，可靠性设计准则文件基本内容包括：概述、目的、适用范围、依据、可靠性设计准则。容包括：概述、目的、适用范围、依据、可靠性设计准则。 这是属可靠性设计这是属可靠性设

7、计（定性）（定性）的工作内容的工作内容,很重要。很重要。c.c.可靠性设计准则的作用与特点可靠性设计准则的作用与特点（1 1）可靠性设计准则是进行可靠性定性设计的重要依据）可靠性设计准则是进行可靠性定性设计的重要依据 为了满足规定的可靠性设计要求，必须采取可靠性设计技术，贯彻为了满足规定的可靠性设计要求，必须采取可靠性设计技术，贯彻可靠性设计准则是其中一项重要内容可靠性设计准则是其中一项重要内容, , 在设计中必须逐条予以实施。在设计中必须逐条予以实施。（2 2）贯彻可靠性设计准则可以提高产品的固有可靠性）贯彻可靠性设计准则可以提高产品的固有可靠性 产品的固有可靠性是设计和制造所赋予，设计人员

8、在设计中遵循可靠产品的固有可靠性是设计和制造所赋予，设计人员在设计中遵循可靠性设计准则，可避免一些不该发生的故障，从而提高产品的固有可靠性。性设计准则，可避免一些不该发生的故障，从而提高产品的固有可靠性。（3 3）贯彻可靠性设计准则是实现可靠性与产品性能设计同步的有效方法）贯彻可靠性设计准则是实现可靠性与产品性能设计同步的有效方法 设计人员只要在设计中贯彻可靠性设计准则设计人员只要在设计中贯彻可靠性设计准则, ,就可以把可靠性设计到就可以把可靠性设计到产品中去，使产品的性能设计和可靠性设计相互有机地结合。产品中去，使产品的性能设计和可靠性设计相互有机地结合。（4 4）可靠性设计准则是研制经验的

9、总结与升华）可靠性设计准则是研制经验的总结与升华 可靠性设计准则是以往产品研制经验的结晶，用于指导设计人员进行可靠性设计准则是以往产品研制经验的结晶，用于指导设计人员进行可靠性设计，保证实现产品合同规定的可靠性要求。制定并实施可靠性设可靠性设计，保证实现产品合同规定的可靠性要求。制定并实施可靠性设计准则不仅有益于企业经验和知识的传承，还能为年轻设计人员的成长提计准则不仅有益于企业经验和知识的传承，还能为年轻设计人员的成长提供帮助。供帮助。1.4.21.4.2 可靠性设计可靠性设计工作内容工作内容 按可靠性要求开展设计工作按可靠性要求开展设计工作 表表5 5 可靠性可靠性设计（定量）工作内容设计

10、（定量）工作内容 1建立可靠性模型 2可靠性（指标）分配设计 3可靠性预计 4元器件选用设计 5降额设计 6热设计等 下面简要介绍前三项前三项可靠性定量工作具体内容，后三项在元器件选用中介绍。1 1、建立可靠性模型建立可靠性模型 目的：目的： 用于用于定量分配、计算定量分配、计算和和评价评价产品的产品的可靠性可靠性。 可靠性模型的含义可靠性模型的含义 ： 可靠性模型可靠性模型指的是指的是可靠性框图可靠性框图及及数学模型数学模型。 可靠性框图可靠性框图是用方框表示是用方框表示产品各单元的故障 如何导致产品故障的逻辑关系。 可靠性模型的分类可靠性模型的分类: 产品的可靠性模型产品的可靠性模型按用途

11、按用途分为基本可靠性模型基本可靠性模型和任务可靠性模型任务可靠性模型。 基本可靠性模型基本可靠性模型是将产品组成单元进行全串联是将产品组成单元进行全串联的模型，用以估计产品及其组成单元引起的维修及的模型，用以估计产品及其组成单元引起的维修及综合保障要求。综合保障要求。 任务可靠性模型任务可靠性模型较复杂，它用于描述在完成任较复杂，它用于描述在完成任务过程中产品各单元的预定用途。务过程中产品各单元的预定用途。 产品的可靠性模型产品的可靠性模型基本结构类型主要包括串联、并联、混联、桥联、旁联、表决等。123n串联模型系统的所有组成单元中任系统的所有组成单元中任一单元的故障都会导致整个系统的故障一单

12、元的故障都会导致整个系统的故障，称为串联模，称为串联模型。串联模型是最常用和最简单的模型之一，既可用于基本可靠性建模，也可用型。串联模型是最常用和最简单的模型之一，既可用于基本可靠性建模，也可用于任务可靠性建模于任务可靠性建模该可靠性框图对应的数学模型为：该可靠性框图对应的数学模型为：式中：式中：Rs(t)系统的可靠度系统的可靠度；Ri(t)单元的可靠度单元的可靠度；n 组成系统的单元数。组成系统的单元数。niistRtR1)()( R R1 1R R2 2R Rn n LCLCn串联模型的可靠性框图如图所示。123ntnitniisniiieetRtR111)()( R Ri、 i _ 单元

13、的可靠度、故障率（单元的可靠度、故障率（1/h1/h）；R Rs、s s 系统的可靠度、故障率（系统的可靠度、故障率（1/h1/h）。）。 n n 组成系统的单元数。组成系统的单元数。12nniiStRtR1)(11)( 12nr/n(G)nriiniinstRtRCtR)(1)()( 基本可靠性模型基本可靠性模型图图 综合处理计算机的基本可靠性框图综合处理计算机的基本可靠性框图 任务可靠性模型任务可靠性模型图图 综合处理计算机的任务可靠性框图综合处理计算机的任务可靠性框图2 2、可靠性指标分配设计可靠性指标分配设计 目的：目的：可靠性分配是指将产品的可靠性指标逐级分配至可靠性分配是指将产品的

14、可靠性指标逐级分配至产品各层次产品各层次( (由上到下由上到下) )，作为产品各层次的可靠性设计目，作为产品各层次的可靠性设计目标，使各级设计人员明确要求，及早研究设计方案，并估标，使各级设计人员明确要求，及早研究设计方案，并估计所需人力、时间和资源，以确保交付使用的产品逐步通计所需人力、时间和资源，以确保交付使用的产品逐步通过增长能够达到可靠性目标值。过增长能够达到可靠性目标值。 适用对象和情况适用对象和情况: 可靠性分配适用于电子、电气、机械，可靠性分配适用于电子、电气、机械，或新研产品、老品改进等有可靠性指标要求的产品，应根或新研产品、老品改进等有可靠性指标要求的产品，应根据不同产品以及

15、指标要求的情况，选取合适的可靠性分配据不同产品以及指标要求的情况，选取合适的可靠性分配方法。方法。 可靠性分配可靠性分配工作一般应在方案阶段开始进行，并延续至工作一般应在方案阶段开始进行，并延续至初步设计阶段，根据设计方案的更改初步设计阶段，根据设计方案的更改反复迭代反复迭代，使指标分，使指标分配逐渐趋于合理。配逐渐趋于合理。分配原则分配原则 对于复杂度高的分系统、设备等产品应分配较低对于复杂度高的分系统、设备等产品应分配较低 的可靠性指标；的可靠性指标； 对于技术上不成熟的产品，可分配较低的可靠性对于技术上不成熟的产品，可分配较低的可靠性 指标；指标； 对于处于恶劣环境条件下工作的产品，可分

16、配较对于处于恶劣环境条件下工作的产品，可分配较 低的可靠性指标；低的可靠性指标； 对于需要长期工作的产品，可分配较低的可靠性对于需要长期工作的产品，可分配较低的可靠性 指标；指标； 对于重要度高的产品，应分配较高的可靠性指标。对于重要度高的产品，应分配较高的可靠性指标。 分配方法分配方法: 主要包括等分配法、比例组合法（等改进法）、评分法、主要包括等分配法、比例组合法（等改进法）、评分法、再分配法（最小工作量法）、考虑重要度和复杂度的分配法、再分配法（最小工作量法）、考虑重要度和复杂度的分配法、预计分配法以及工程相似法。各种分配方法适用于不同的情况。预计分配法以及工程相似法。各种分配方法适用于

17、不同的情况。等分配法等分配法 用于设计初期当产品情况还不十分清晰，或缺乏有关产品用于设计初期当产品情况还不十分清晰，或缺乏有关产品可靠性数据的情况。这是最简单、方便的一种分配方法，没有可靠性数据的情况。这是最简单、方便的一种分配方法，没有考虑产品的各单元实现可靠性值的难易程度，如单元的复杂程考虑产品的各单元实现可靠性值的难易程度，如单元的复杂程度、技术难度等，建议尽量不使用。度、技术难度等，建议尽量不使用。 设某系统由设某系统由n个分系统串联组成，若给定系统可靠性指标个分系统串联组成，若给定系统可靠性指标为为s，则按等分配法分配给各下属系统或设备的可靠性指标为：，则按等分配法分配给各下属系统或

18、设备的可靠性指标为： 新设计的系统与老系统新设计的系统与老系统相似相似，且有且有老系统老系统及其及其分系统分系统的的故障率故障率数据或老数据或老系统中各分系统故障数占系统故障数系统中各分系统故障数占系统故障数百分比的统计资料百分比的统计资料，可用比例分配，可用比例分配法进行分配。法进行分配。iSiSiSiK* 新新老老新新或故障数的百分比。个分系统故障数占系统第；个分系统的故障率老系统中第；个分系统的故障率分配给新系统中第；新、老系统的故障率、老新老新iKhihihiiiSS )1 ( )1 ( )1 (*选取的可靠性分配方法选取的可靠性分配方法, ,其使用要求如表其使用要求如表6 6所示所示

19、：分配方法分配方法适用的适用的研制阶段研制阶段适用的适用的可靠性模型可靠性模型适用的情况适用的情况等分配法等分配法方案论证阶段方案论证阶段各类模型各类模型产品定义不十分清晰，或缺乏有关可靠产品定义不十分清晰，或缺乏有关可靠性数据性数据比例组合法比例组合法（等改进法）初步设计阶段初步设计阶段各类模型各类模型新老产品非常相似，且老产品及其所属新老产品非常相似，且老产品及其所属单元的故障率数据已知单元的故障率数据已知评分分配法评分分配法初步设计阶段初步设计阶段各类模型各类模型产品的基本情况已知，但缺乏有关可靠产品的基本情况已知，但缺乏有关可靠性数据性数据再分配法再分配法（最小工作量法）详细设计阶段详

20、细设计阶段串联模型串联模型工作量减到最少并使产品可靠性要求得工作量减到最少并使产品可靠性要求得到满足到满足考虑重要度和复杂考虑重要度和复杂度的分配法度的分配法详细设计阶段详细设计阶段简单串并联模型简单串并联模型能得到较为合理的产品各单元重要度和能得到较为合理的产品各单元重要度和复杂度数据复杂度数据预计分配法预计分配法详细设计阶段详细设计阶段各类模型各类模型能得到产品各单元的可靠性数据能得到产品各单元的可靠性数据工程相似法工程相似法方案论证阶段和方案论证阶段和初步设计阶段初步设计阶段各类模型各类模型新老产品极为相似，可靠性指标要求相新老产品极为相似，可靠性指标要求相近，且老产品的可靠性数据完整近

21、，且老产品的可靠性数据完整可靠可靠3 3、 可靠性预计可靠性预计 目的目的: : 是对组成产品的元器件、部件和子系统的可靠性，是对组成产品的元器件、部件和子系统的可靠性，由下到上由下到上、由局部到整体的逐级预计由局部到整体的逐级预计，预计产品能否达到规，预计产品能否达到规定的可靠性指标要求；方案论证时可根据可靠性预计结果选定的可靠性指标要求；方案论证时可根据可靠性预计结果选择方案；及早发现设计中的薄弱环节并改进；并为可靠性分择方案；及早发现设计中的薄弱环节并改进；并为可靠性分配的迭代提供相关数据；还可为可靠性试验方案的确定提供配的迭代提供相关数据；还可为可靠性试验方案的确定提供依据。依据。 适

22、用对象和情况适用对象和情况: 可靠性预计适用于新研产品、老品改进等可靠性预计适用于新研产品、老品改进等各类有可靠性指标要求的产品，需根据产品的不同阶段、不各类有可靠性指标要求的产品，需根据产品的不同阶段、不同产品的层次及特性，选取合适的可靠性预计方法。同产品的层次及特性，选取合适的可靠性预计方法。可靠性预计可靠性预计工作一般在方案阶段就应开始进行，并延续至详工作一般在方案阶段就应开始进行，并延续至详细设计阶段，根据设计方案的更改和细化反复迭代，从而使细设计阶段，根据设计方案的更改和细化反复迭代，从而使产品设计达到所规定的可靠性。产品设计达到所规定的可靠性。 可靠性预计的类型可靠性预计的类型 可

23、靠性预计作为定量设计手段，为设计决策提供依可靠性预计作为定量设计手段，为设计决策提供依据。在设计的不同阶段及产品的不同级别上可采用不同据。在设计的不同阶段及产品的不同级别上可采用不同的预计方法，由粗到细。的预计方法，由粗到细。预计按详细程度可分为预计按详细程度可分为: : 可行性预计、初步预计和详细预计可行性预计、初步预计和详细预计; ;按预计的参数可分为按预计的参数可分为: : 基本可靠性预计基本可靠性预计和任务可靠性预计和任务可靠性预计; ;按预计的对象可分为按预计的对象可分为: : 电子产品预计电子产品预计和和非电子产品预计非电子产品预计。 进行不同类型的可靠性预计应选取不同的、适用进行

24、不同类型的可靠性预计应选取不同的、适用的方法。的方法。 电子、电气产品的可靠性预计方法电子、电气产品的可靠性预计方法 电子、电气产品一般的可靠性预计主要有电子、电气产品一般的可靠性预计主要有元器件元器件 计数法和元器件应力分析法。计数法和元器件应力分析法。 元器件计数法元器件计数法适用于方案论证及初步设计阶段；适用于方案论证及初步设计阶段； 元器件应力分析法适用于详细设计阶段。按元器件应力分析法适用于详细设计阶段。按 GJB/Z 299CGJB/Z 299C、MIL-HDBK-217FMIL-HDBK-217F的要求进行（此两标的要求进行（此两标 准可用于军用和民用产品）。准可用于军用和民用产

25、品）。niQiGiiGSN1 元器件计数法元器件计数法: 元器件计数法适用于初步设计阶段，元器件计数法适用于初步设计阶段，此时元器件的种类和数量已大致确定，但具体的工作应力和此时元器件的种类和数量已大致确定，但具体的工作应力和环境等尚未明确。环境等尚未明确。元器件计数法的基本原理是对元器件的通用故障率进行修元器件计数法的基本原理是对元器件的通用故障率进行修正，预计模型为：正，预计模型为： 式中：式中： GS产品总故障率（产品总故障率（1/h）；）；Gi第第 i 种类元器件的通用故障率（种类元器件的通用故障率（1/h）；）； Q i第 i 种类元器件的通用质量系数； N i 第第 i 种类元器件

26、的数量；种类元器件的数量； n单元所用元器件的种类数目。单元所用元器件的种类数目。表表7 7 元器件计数法预计结果表（例子）元器件计数法预计结果表（例子）编编号号元器件元器件类别类别数量数量N质量质量等级等级质量系数质量系数QG/(10-6/h)N(GQ) /(10-6/h)1调整二调整二极管极管4B10.52.244.482合成电合成电阻器阻器2B10.60.050.063云母电云母电容器容器4B10.50.120.24总总计计4.78 应力分析法应力分析法应力分析法用于电子产品详细设计阶段的故障率预计。在预计单元内电应力分析法用于电子产品详细设计阶段的故障率预计。在预计单元内电子元器件工作

27、故障率时，应用元器件的质量等级，应力水平、环境条件等子元器件工作故障率时，应用元器件的质量等级，应力水平、环境条件等因素对基本故障率进行修正。因素对基本故障率进行修正。元器件工作故障率预计模型元器件工作故障率预计模型预计的计算过程较为繁琐，不同类别的元器件有不同的工作故障率计算预计的计算过程较为繁琐，不同类别的元器件有不同的工作故障率计算模型，如普通晶体管、二极管的工作故障率计算模型模型，如普通晶体管、二极管的工作故障率计算模型(GJB/Z299GJB/Z299)如下：如下： CSArQEbP2 E式中：式中：p元器件工作故障率元器件工作故障率(1/h)； b元器件基本故障率元器件基本故障率(

28、1/h)；E环境系数；环境系数； q质量系数；质量系数； r额定电流系数；额定电流系数； A应用系数；应用系数； s2电压应力系数；电压应力系数； c结构系数。结构系数。表表8 8 某电源的某电源的预计表预计表( (部分部分) ) 环境条件：环境条件：AIF 环境温度：环境温度：80编编号号元器件类别元器件类别（型号规格）（型号规格）数数量量N N质量质量等级等级应力比应力比S S各各系数系数b b/(10/(10-6-6/h)/h)工作故障率工作故障率/ /（1010- -6 6/h/h）p pNNp p1 1聚丙烯电容器聚丙烯电容器CBB23-250(22nf/250v)CBB23-250

29、(22nf/250v)2 2B B2 20.50.5E E=8 =8 Q Q=1=1CVCV=1 =1 K K=1=10.01330.01330.10640.10640.21280.21282 22 2类瓷介电容器类瓷介电容器CT4L-2-CT4L-2-50(0.22uf/50v)50(0.22uf/50v)1 1A A2 20.70.7E E=7.7=7.7Q Q=0.3=0.3CVCV=1.6=1.60.04320.04320.15970.15970.15970.15973 31 1类瓷介电容器类瓷介电容器CC4-100(100pf/100v)CC4-100(100pf/100v)1 1A

30、 A2 20.70.7E E=6.7=6.7Q Q=0.3=0.3CVCV=1=10.13550.13550.27240.27240.27240.27244 4金属膜电阻金属膜电阻RJ15-1/2(10RJ15-1/2(10/0.5w)/0.5w)1 1A A2 20.60.6E E=5=5Q Q=0.3=0.3R R=1=10.0080.0080.0120.0120.0120.0125 5开关二极管开关二极管2CK41482CK41482 2A A4 40.40.4E E=13 =13 Q Q=0.2=0.2r r=1=1A A=0.6=0.6S2S2=0.2 =0.2 C C=1=10.1

31、070.1070.03340.03340.06680.0668序序号号预计方法预计方法适用范围适用范围适用阶段适用阶段1 1元器件计数法元器件计数法电子类产品电子类产品基本可靠性预计基本可靠性预计方案及初步设方案及初步设计阶段计阶段2 2应力分析法应力分析法电子类产品电子类产品基本可靠性预计基本可靠性预计详细设计阶段详细设计阶段3 3故障率预计法故障率预计法机械、电子、机电类产品机械、电子、机电类产品基本或任务可靠性预计基本或任务可靠性预计详细设计阶段详细设计阶段4 4相似产品法相似产品法机械、电子、机电类产品机械、电子、机电类产品基本或任务可靠性预计基本或任务可靠性预计方案及初步设方案及初步

32、设计阶段计阶段5 5专家评分法专家评分法机械、机电类产品机械、机电类产品基本或任务可靠性预计基本或任务可靠性预计方案及初步设方案及初步设计阶段计阶段 工程中常用的可靠性预计方法工程中常用的可靠性预计方法 表表9 工程中常用的可靠性预计方法工程中常用的可靠性预计方法 产品产品 可靠性的预计值、验证值与使用值的比较可靠性的预计值、验证值与使用值的比较 表表11 电子产品可靠性预计手册情况之一电子产品可靠性预计手册情况之一手册代号手册代号手册名称手册名称制定组织制定组织制定时间制定时间适用产品适用产品MIL-HDBK-217Plus电子设备可靠性预计电子设备可靠性预计美国可靠性美国可靠性分析中心（分析中心（RAC）2006军品军品PRISM电子系统可靠性预计工具电子系统可靠性预计工具美国可靠性美国可靠性分析中心（分析中心（RAC）2004军品军品Telcordia SR-332电子设备可靠性预计程序电子设备可靠性预计程序美国美国Telcordia公司公司2006民品民品PREL电子设备可靠性预计方法电子设备可靠性预计方法美国汽车工程师协会美国汽车工程师协会1990民品民品GJB/Z 299CGJB/Z 108电子设备可靠性预计手册电子设备可靠性预计手册电子设备非工作状态可靠性预计手册电子设备非工作状态可靠性预计手册中国