第五章设计质量控制原理与应用课件

第五章设计质量控制原理与应用主要内容：QFD的基本原理；质量展开；质量屋的构成。第一节质量功能展开(QFD)

第五章设计质量控制原理与应用主要内容：第一节质量1第一节质量功能展开概述一、QFD的定义:质量功能展开(QualityFunctionDeployment,QFD)是一种立足于在产品开发过程中最大限度地满足顾客需求的系统化、用户驱动式的质量保证方法。第一节质量功能展开概述一、QFD的定义:2二、QFD的产生与发展产生：QFD于60年代初起源于日本，进入80年代以后逐步得到欧美各发达国家的重视并得到广泛应用。实例：QFD起源于日本三菱重工，为了保证建造复杂货轮的每一个步骤都适合客户的具体要求。1966，赤尾洋二教授提出了QFD设计理论方法。丰田公司于70年代采用QFD后，其新产品:开发成本下降了61%，开发周期缩短了1/3，产品质量也得到了相应的改进。二、QFD的产生与发展产生：QFD于60年代初起源于日本，3世界上著名的公司如:福特公司、通用汽车公司、克莱思勒公司、惠普公司、麦道公司、施乐公司、电报电话公司、都相继采用了QFD。世界上著名的公司如:福特公司、4应用领域：从QFD的产生到现在二十年来，其应用已涉及汽车、家用电器、服装、集成电路、合成橡胶、建筑设备、农业机械、船舶、自动购货系统、软件开发、教育、医疗等各个领域。开发周期30—60%成本20—40%设计更改变动次数40—60%应用领域：从QFD的产生到现在二十年来，其应用已涉及汽车、家5三、QFD的原理

目前尚一个没有统一的QFD定义。但对QFD的一些认识是共同的。质量功能展开过程由产品规划、零件展开、过程方案和生产计划四个阶段组成。这四个阶段是一个并行过程，通过这些过程，顾客需求被逐步展开成为设计要求、零件特性、制造作业和生产要求。质量功能展开主要采用质量屋（于HouseofQuality,HOQ）的基本结构。利用质量屋将顾客需求逐层展开，确定提高顾客满意度的关键质量特性，确定影响关键质量特性的关键零部件，确定影响关键零部件的关键工艺过程，确定关键工艺的关键生产要求与保证手段三、QFD的原理目前尚一个没有统一的QFD定义。但对Q6质量屋的结构（HOQ）①要求质量；通过市场调研得到的顾客直接的质量要求，顾客质量要求应分层，并确定权重；②质量特性；产品具体的工程质量特性；③关系矩阵；用于表示顾客质量要求与工程技术人员提出质量特性之间的相互关系程度；④相关矩阵；用于表示质量特性之间的相互关系程度；⑤质量策划/计划质量；对于顾客质量要求，比较本企业与其他竞争企业的竞争能力⑥设计质量。对于质量特性，比较本企业与其他竞争企业的竞争能力关系矩阵质量策划质量特性要求质量设计质量相关矩阵质量屋的结构（HOQ）①要求质量；通过市场调研得到的顾客直接7构造质量屋

顾客需求和质量特性之间的关系矩阵顾客的需求市场竞争能力评价技术竞争能力评价产品质量特性质量特性之间的相关程度计划质量

需求的相对重要程度设计质量构造质量屋

顾客的需求市场竞争能力评价技术竞争能力评8

严格地说，QFD只是一种思想，一种产品开发管理和质量保证的方法论。对于如何将顾客需求一步一步地分解和配置到产品开发的各个过程中，还没有固定的模式和分解模型，可以根据不同目的按照不同路线、模式和分解模型进行分解和配置。严格地说，QFD只是一种思想，一种产品开发管理和9

典型的QFD分解示意图（以产成品为例）产品规划矩阵顾客需求产品技术需求零件规划矩阵产品技术需求关键零件特性工艺/质量控制矩阵关键工序工艺规划矩阵关键零件特性关键工序关键工艺/质量控制参数典型的QFD分解示意图（以产成品为例）产品规划矩阵顾客需求10质量功能展开（QFD）QFD（HouseofQuality）质量屋的构成一级质量屋举例质量功能展开（QFD）QFD（HouseofQuali11QFD分解过程描述：顾客需求是QFD最基本的输入。顾客需求的获取是QFD实施中最关键也是最困难的工作。要通过各种先进的方法、手段和渠道搜集、分析和整理顾客的各种需求。

QFD分解过程描述：顾客需求是QFD最基本的输入。顾客需求的121）.确定顾客需求

由市场研究人员选择合理的顾客对象，利用各种方法和手段，通过市场调查，全面收集顾客对产品的种种需求，然后将其总结、整理并分类，得到正确、全面的顾客需求以及各种需求的权重(相对重要程度)。1）.确定顾客需求由市场研究人员选择合理的132）.产品规划将顾客需求转换成设计用的技术特性。并根据顾客需求的竞争性评估和技术需求的竞争性评估，确定各个技术需求的目标值。具体任务：·完成从顾客需求到技术需求的转换；·从顾客的角度对市场上同类产品进行评估；·从技术的角度对市场上同类产品进行评估；·确定顾客需求和技术需求的关系及相关程度；·分析并确定各技术需求相互之间制约关系；·确定各技术需求的目标值。2）.产品规划将顾客需求转换成设计用的技术特性。并根据顾客需143）.产品设计方案确定依据上一步所确定的产品技术需求目标值，进行产品的概念设计和初步设计，并优选出一个最佳的产品整体设计方案。这些工作主要由产品设计部门及其工作人员负责，产品生命周期中其它各环节、各部门的人员共同参与，协同工作。3）.产品设计方案确定依据上一步所确定的产品技术需求目标值，154）.零件规划基于优选出的产品整体设计方案，并按照在产品规划矩阵所确定的产品技术需求，确定对产品整体组成有重要影响的关键部件/子系统及零件的特性。4）.零件规划基于优选出的产品整体设计方案，并按照在产品规划165）.零件设计及工艺过程设计

根据零件规划中所确定的关键零件的特性及已完成的产品初步设计结果等，进行产品的详细设计，完成产品各部件/子系统及零件的设计工作，选择好工艺实施方案，完成产品工艺过程设计，包括制造工艺和装配工艺。

5）.零件设计及工艺过程设计根据零件规划中所确定的关键零件176）.工艺规划通过工艺规划矩阵，确定为保证实现关键产品特征和零部件特征所必须给以保证的关键工艺步骤及其特征，即从产品及其零部件的全部工序中选择和确定出对实现零部件特征具有重要作用或影响的关键工序，确定其关键程度。6）.工艺规划通过工艺规划矩阵，确定为保证实现关键产品特征和187）.工艺/质量控制通过工艺/质量控制矩阵，将关键零件特性所对应的关键工序及工艺参数转换为具体的工艺/质量控制方法，包括控制参数、控制点、样本容量及检验方法等。7）.工艺/质量控制通过工艺/质量控制矩阵，将关键零件特性所19质量控制规划

从目前的国外应用实践来看，各个企业在质量控制规划阶段所采用的QFD矩阵差别很大，几乎没有形成一个比较规范的格式。出现这种状况其实也是正常的，由于企业生产产品类型、生产规模、技术力量、设备状况以及其它各种因素的影响，其质量控制方法和体系也就大不一样。质量控制规划从目前的国外应用实践来看，各个企业在质20结束语

实际上，QFD的矩阵构造与分解方式可以是多种多样的。因此，与其说QFD是一种方法，倒不如说它是一种思想，是一种在产品开发过程中，将用户的呼声转换为质量特性、产品构型、设计参数和技术特性及制造过程参数等的一种思想。QFD涉及到多方面的理论与方法，如设计、测试、制造、成本、可靠性以及市场学等。同时QFD还涉及企业管理模式、企业文化甚至地域文化习惯等。在企业中要开展QFD，除了技术、设备及人力资源的配备外，还需要进行企业文化的变更以及对企业全体员工的宣传教育。企业在使用QFD后，一定会收到良好的收益。结束语实际上，QFD的矩阵构造与分解方式可以是多种多21第五章设计质量控制原理与应用主要内容：可靠性分析与设计；维修性分析与设计；失效模式与影响分析（FMEA）

故障树分析（FAT）第二节可信性设计原理及应用第五章设计质量控制原理与应用主要内容：第二节可信22可靠性重要性例如，美国的宇宙飞船阿波罗工程有700万只元器件和零件，参加人数达42万人，参予制造的厂家达1万5千多家，生产周期达数年之久。象这样庞大的复杂系统，一旦某一个元件或某一个部件出现故障，就会造成整个工程失败，造成巨大损失。所以可靠性问题特别突出，不专门进行可靠性研究是难于保证系统可靠性的。

可靠性重要性例如，美国的宇宙飞船阿波罗工程有700万只元器件23可靠性工程的重要性主要表现在三个方面：1.高科技的需要2.经济效益的需要3.政治声誉的需要总之，无论是人民群众的生活，国民经济建设的需要出发，还是从国防、科研的需要出发，研究可靠性问题是具有深远的现实意义。

可靠性工程的重要性主要表现在三个方面：1.高科技的需要24一、可靠性分析与设计1、可靠性原理定义：指产品（包括零件和元器件、整机设备、系统）在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性涉及产品、规定条件、规定时间、规定功能和能力五种因素，但核心是规定的时间。明确产品可靠性研究的对象必须明确产品可靠性所规定的条件必须明确所规定的时间

必须明确产品所需完成规定的功能一、可靠性分析与设计1、可靠性原理明确产品可靠性研究的对象25可靠性需要满足：1）不发生故障2）发生故障后能方便地、及时地修复，以保持良好功能状态能力，即要有良好的维修性。维修性是指在规定条件下使用的产品在规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持和恢复到能完成规定功能的能力。

一、可靠性分析与设计可靠性需要满足：一、可靠性分析与设计26一、可靠性分析与设计2、可靠性指标：1）可靠度与不可靠度可靠度：产品在一定条件下和一定时间t内不发生故障而完成规定功能的概率称为产品的可靠度，记为R(t)。不可靠度：在规定工作时间t内，在规定的条件下，产品丧失规定功能的概率。称为不可靠度，用F(t)表示显然：一、可靠性分析与设计2、可靠性指标：27一、可靠性分析与设计1）可靠度与不可靠度可靠度函数R(t)可以看作事件“T>t”的概率，F(t)可以看作事件“T<t”的概率。产品的失效分布函数：其中f(t)为故障密度函数故障密度函数f(t)：假设寿命T是连续型随机变量，则产品在（0∞）内任一时刻附近的单位时间发生故障的概率f(t)称为故障密度函数，因此：f(t)=F(t)可靠度R(t)可以用统计方法来估计。设有N个产品在规定的条件下开始使用。令开始工作的时刻t取为0，到指定时刻t时已发生失效数n(t),亦即在此时刻尚能继续工作的产品数为N-n(t)，则可靠度的估计值（又称经验可靠度）为一、可靠性分析与设计1）可靠度与不可靠度282）平均寿命对于不可修复产品而言：

平均寿命是指产品失效前的平均工作时间，记为MTTF(MeatTimetoFailure)对于可修复产品而言：

平均寿命是指产品的平均无故障工作时间，记为MTBF(MeatTimeBetweenFailure)一、可靠性分析与设计2）平均寿命一、可靠性分析与设计29对于离散型随机变量，即有限个产品的情况：MTTF=(i=1,2,…..)n为产品数，为第i件产品的寿命MTBF=(i=1,2,…..)n为产品数，为第i件产品两次故障间的工作时间对于寿命为连续型随机变量时，

MTTF和MTBF均为寿命t的数学期望（均值），所以有MTTF=MTBF=f(t)=一、可靠性分析与设计2）平均寿命对于离散型随机变量，即有限个产品的情况：一、可靠性分析与设计30说明：对于一个连续型随机变量X，E(X)=所以：E(X)=服从指数分布的寿命分布函数在可靠性分析中应用较多，由于它的特殊性，以及在数学上易处理成直观的曲线，故在许多领域中首先把指数分布讨论清楚。一、可靠性分析与设计2）平均寿命说明：对于一个连续型随机变量X，E(X)=一、可靠性分析与设31若产品的寿命或某一特征值t的故障密度为f(t)=（），则称t服从参数为的指数分布可靠度平均寿命MTBF=因为：所以有：MTBF=MTTF与MTBF表达式一样一、可靠性分析与设计则不可靠度：2）平均寿命若产品的寿命或某一特征值t的故障密度为（），则称t服32例：测得18台某种电子设备从工作开始到初次失效的时间数据（单位：h）分别为：160，290，506，680，1000，1300，1408，1632，1634，1957，1967，2315，2400，2912，4010，4315，4378，4500，求这18台电子设备的平均寿命（MTBF）解：MTBF==1/18（160+290+…+4500）=2075.8h一、可靠性分析与设计2）平均寿命例：测得18台某种电子设备从工作开始到初次失效的时间数据（单333）失效率失效率：产品工作到时刻t尚未失效，而在时刻t后的单位时间内发生失效的概率。失效率也称失效函数或故障函数，

=所以，知道了产品的失效分布，就可以知道失效函数，就可以知失效率。3）失效率失效率：产品工作到时刻t尚未失效，而在时刻t后的单343）失效率当产品寿命服从指数分布时失效率常用单位是“”和“”.而对于可靠性高的产品常用“”为单位，计一个“菲特”Fit。1Fit=，其意义：100个产品工作一百万小时，只有一个可能发生失效3）失效率当产品寿命服从指数分布时35对于指数分布则有：失效密度函数(t≥0)不可靠度(t≥0)可靠度(t≥0)失效率平均故障间隔时间对于指数分布则有：失效密度函数36指数分布及其故障率函数指数分布的“无记忆性”指如果某产品的工作时间服从指数分布时，从开始到工作一段时间t0内，其可靠度为，工作时间t0结束后，产品仍然可以工作，在下一个工作时间间隔t0内，该系统仍然和新的一样，其可靠度仍为1-t。即前一个故障对下一个故障无后效作用。指数分布及其故障率函数指数分布的“无记忆性”37指数分布例题例：一元件寿命服从指数分布，其平均寿命(θ)为2000小时，求故障率λ及求可靠度R

(100)=?R(1000)=?解：

此元件在100小时时的可靠度为0.95，而在1000小时时的可靠度为0.50。

指数分布例题例：一元件寿命服从指数分布，其平均寿命(θ)为238例：设某元件的寿命服从指数分布，他的平均寿命（MTBF）为5000h，试求其失效率和使用125小时后的可靠度。解：（1）求失效率：当寿命服从指数分布时MTBF=失效率（2）求使用125h后的可靠度当较小时有近似式：R(t)==1-而=125所以有R(125h)=1-=1-0.025=0.975例：设某元件的寿命服从指数分布，他的平均寿命（MTBF）为539失效率曲线特点失效率是一个最基本的可靠性特征量，失效曲线一般成“浴盆曲线”，由此曲线可知产品从投入工作可经过三个阶段：失效率曲线

耗损失效期t时间偶然失效期早期失效期使用寿命规定的失效率λ(t)失效率AB失效率曲线特点失效率是一个最基本的可靠性特征量，失效曲线一般40失效率曲线特点早期失效期：磨合阶段，原因是产品本身不合格或工艺质量低，应在设计制造方面找原因，使失效率稳定下来。偶然失效期：是产品正常工作时期，此时产品的失效率是随机的，失效率基本正常，接近于常数.在这期间内产品发生故障大多出于偶然因素，如突然过载、碰撞等，损耗失效期：经过长时间的工作，产品已进入剧烈磨损或疲劳状态，表现为失效率迅速上升，直到报废。改善磨损失效的方法在于不断提高零部件、元器件的使用寿命。

失效率曲线特点早期失效期：磨合阶段，原因是产品本身不合格或工413、系统可靠性模型1）、串联模型

组成系统的所有单元中任一单元的故障就会导致整个系统故障的系统称串联系统。其逻辑框图如图所示。

123n……系统工作事件发生等于系统各单元正常工作的事件同时发生P(A)=P(A1)P(A2)P(A3)…P(An)一、可靠性分析与设计3、系统可靠性模型1）、串联模型123n……系统工作事件发生42系统可靠性模型(串联模型)根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模型为：

R

(t)——系统的可靠度；Ri(t)——第i个单元的可靠度。

系统可靠性模型(串联模型)根据串联系统的定义及逻辑框图，其数43系统可靠性模型(串联模型)若各单元的寿命分布均为指数分布，即

式中λs——系统的故障率；

λi——各单元的故障率。

系统可靠性模型(串联模型)若各单元的寿命分布均为指数分布，即44系统可靠性模型2）、并联模型组成系统的所有单元都故障时，系统才故障的系统叫并联系统，其逻辑框图如图所示。

12n图并联模型系统可靠性模型2）、并联模型12n图并联模型45系统可靠性模型(并联模型)根据并联系统定义逻辑框图，其数学模型为

式中F(t)——系统的不可靠度；Fi(t)——第i个单元的不可靠度。

系统可靠性模型(并联模型)根据并联系统定义逻辑框图，46系统可靠性模型3）、混合式模型

可靠性逻辑框图如图所示。

系统可靠性模型3）、混合式模型47如图所示亿个系统网络图，图中已知R1=0.8，R2=0.7，R3=0.6，R4=0.8，R5=0.8，试求系统网络的可靠度为多少？答：R1.2=R1.R2=0.8X0.7=0.56R1.2.3=R1.2+R3-R1.2xR3=0.56+0.6-0.56X0.6=0.82R4.5=R4XR5=0.8X0.8=0.64R1.2.3.4.5=R1.2.3XR4.5=0.82X0.64=0.53R2=0.7R1=0.8R3=0.6R4=0.8R5=0.8如图所示亿个系统网络图，图中已知R1=0.8，R2=0.7，48二、维修性分析与设计

对于可修复产品，只考虑其发生故障的概率显然是不合适的，还应考虑被修复的可能性，衡量修复可能性的指标为维修度，用M(t)表示。维修度M(t)——产品在规定条件下进行修理时，在规定时间内完成修复的概率。

式中，n(t)表示t时间内完成维修的产品数；N表示送修的产品总数。二、维修性分析与设计对于可修复产品，只考虑其发生故障的概49平均修复时间(MTTR—MeantimetoRepair)应理解为产品修复时间的数学期望。平均预防性维修时间：在某个维修级别一次预防性维修所需时间的平均值平均修复时间(MTTR—MeantimetoRepa50可用性（有效度）：对可修复系统，当考虑到可靠性和维修性时，综合评价的尺度就是有效度A（可用性）。可用性（Availability）是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内处于可执行规定功能状态的能力，即要用产品时就可用的能力。

可用性（有效度）：对可修复系统，当考虑到可靠性和维修51MTBF——反映了可靠性的含义。MTTR——反映维修活动的一种能力。两者结合—固有有效度Ai当考虑后勤保障、服务质量时，就会在时间序列上出现平均等待时间(MWT—MeanWaittime)。如果从实际出发，使用有效度A应表示为：MTBF——反映了可靠性的含义。52二、失效模式与影响分析1、FMEA是一种定性的可靠性分析方法，是一种自下而上（由元件到系统）的故障因果关系分析法。是通过分析产品、系统或生产过程中存在潜在失效的零部件、环节等，分析其对产品、系统或生产过程的影响的程度，找出薄弱环节，采取措施，提高产品、系统或过程的可靠性。2、FMEA主要分为三种：设计失效模式及影响分析（DFMEA）系统失效模式及影响分析（SFMEA）过程失效模式及影响分析（PFMEA）二、失效模式与影响分析1、FMEA是一种定性的可靠性分析方533、设计失效模式（DFMEA）因设计不合理而使产品存在潜在的故障，常见的设计失效模式如：疲劳断裂、腐蚀、松动、变质、硬化、泄露、变形、剥落、退色、烧伤、振动、过早磨损等二、失效模式与影响分析3、设计失效模式（DFMEA）二、失效模式与影响分析54DFMEA表的计算分析风险概率（RiskPriorityNumber）,缩写RPN

RPN=P*S*D发生概率P：失效发生的概率大小，0<=p<=1严重度S：失效发生对零部件功能影响程度大小1<=S<=10不易发生度D：失效发生后被发现的难易程度，D值越大表明越不易被发现1<=D<=10通过计算失效模式的RPN值，并与RPN的目标值比较，可判断失效模式对产品的影响程度大小，并可判断改进后的效果。二、失效模式与影响分析DFMEA表的计算分析二、失效模式与影响分析55二、失效模式与影响分析改进设计前改进设计后项目功能潜在失效模式潜在失效后果严重度S潜在失效机理发生概率P设计控制不易发现度D风险数RPN建议措施责任目标值RPN采取措施严重度S发生概率P不易发现度D风险数RPN车门车门内板腐蚀锈蚀7蜡层较薄0.4整车试验8蜡层试验15厚度增加50.36功能下降8边角缺蜡0.5喷蜡试验7改进喷头18改进喷头70.4722.428919.6二、失效模式与影响分析改进设计前改进设计后项目功能潜在失效56车门锈蚀项：9<15，达到RPN目标值，效果好；车门功能下降项：28>19.6>18，未达到目标值，但有所下降，需继续改进。二、失效模式与影响分析车门锈蚀项：9<15，达到RPN目标值，效果好；二、失效模57故障树分析概述故障树分析法（FaultTreeAnalysis，简称FTA）也称为失效树分析法，它是一种可靠性、安全性分析和预测的方法。故障树分析法研究的是引起整个系统出现故障这一事件的各种直接的和间接的原因（这些原因也是事件），在这些事件间建立相应的逻辑关系，从而确定系统出现故障原因的可能组合方式及其发生的概率。三、故障树分析（FTA）故障树分析概述三、故障树分析（FTA）58三、故障树分析古樟树分析（自上而下的分析方法）——故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号描述系统中各种事件之间的因果关系。——“底事件”是导致其事件的原因事件，位于所讨论故障树底端。“结果事件”是由其它事件或事件组合所导致的事件。它总是位于某个逻辑门的输出端。故障树的结构古樟树是由各种事件及逻辑门构成的一组树状逻辑关系图（1）顶事件：要解决的系统故障事件。（2）底事件：包括基本事件和未探明事件。三、故障树分析古樟树分析（自上而下的分析方法）59三、故障树分析基本事件：在故障树分析中无须探明其发生原因的末端事件，“”表示。未探明事件：是指应探明原因，但暂不能探明原因的末端事件，用“”表示。（3）中间事件：底事件和顶事件之间发生的事件，用“”表示。（4）逻辑门主要包括与门、或门和非门与门：当所有输入事件都发生，输出事件才发生。用“”表示。或门：至少有一个输入事件发生，输出事件就发生。用“”表示。非门：输出事件是输入事件的对立事件，用“”表示。三、故障树分析基本事件：在故障树分析中无须探明其发生原因的60故障树分析（FTA）故障树分析法的一般步骤为：

（1）选择和确定顶事件；（2）自上而下建造故障树；（3）建立故障树的数学模型；（4）根据故障树对系统进行可靠性的定性分析；（5）根据故障树对系统进行可靠性的定量计算。故障树分析（FTA）故障树分析法的一般步骤为：61例：电机故障中共有四个基本事件：电机卡死，熔断器故障，电源电压增高，回路电阻短路，试画出引起电机过热的故障树。三、故障树分析例：电机故障中共有四个基本事件：电机卡死，熔断器故障62解：电机过热的故障树图如下：三、故障树分析解：电机过热的故障树图如下：三、故障树分析63２、故障树的定性分析故障树定性分析确定引起顶事件发生的最基本原因组合，即最基本的底事件组合。最小割集：引起顶事件发生的最基本的底事件的集合。最小割集阶数：最小割集中包含的底事件数量。故障树定性分析原则：①一般阶数越低的最小割集越重要；②在底阶最小割集中的底事件比高阶的重要在不同最小割集中重复出现次数越多的底事件越重要。根据上述三条原则，对底事件和最小割集进行排序，以确定改进措施三、故障树分析（FTA）２、故障树的定性分析三、故障树分析（FTA）64例：对上述故障树进行定性分析最小割集共有三个三、故障树分析（FTA）［］，［，］，［］

，其中［］为１阶，［，］和［］为二阶。定性分析知和对电机过热影响大于和的影响。从大到小依次为：〉〉=

例：对上述故障树进行定性分析三、故障树分析（FTA）［］，65三、故障树分析三、故障树分析66串—并联混合模型例某系统由7个单元串并联组成，如图所示，已知这7个单元的可靠度为R1＝R2＝R3＝R4＝R5＝R6＝R7＝0.91，试求该系统的可靠度。解：首先计算U2和U3、、U4和U5组成的串联子系统U23和U45的可靠度分别为串—并联混合模型例某系统由7个单元串并联组成，如图所示67串—并联混合模型然后计算U23和U45再并联的子系统U2345以及U6和U7组成的并联子系统U67的可靠度分别为整个系统就由单元U1、U2345和U67串联组成，故得整个系统的可靠度为串—并联混合模型然后计算U23和U45再并联的子系统U23468已知某元件的寿命服从指数分布，其平均寿命MTBF=6000小时，试计算：

（1）、其失效率为多少？

（2）、400小时、2000小时和4500小时后的可靠度各为多少？

解：（1）=1/MTBF=1/6000=1.67（2）R（400）=1-t=1-1.67200=0.97R（2000）=1-t=1-1.672000=0.67R（4500）=1-t=1-1.674500=0.25

已知某元件的寿命服从指数分布，其平均寿命MTBF=6000小69第五章设计质量控制原理与应用主要内容：QFD的基本原理；质量展开；质量屋的构成。第一节质量功能展开(QFD)

第五章设计质量控制原理与应用主要内容：第一节质量70第一节质量功能展开概述一、QFD的定义:质量功能展开(QualityFunctionDeployment,QFD)是一种立足于在产品开发过程中最大限度地满足顾客需求的系统化、用户驱动式的质量保证方法。第一节质量功能展开概述一、QFD的定义:71二、QFD的产生与发展产生：QFD于60年代初起源于日本，进入80年代以后逐步得到欧美各发达国家的重视并得到广泛应用。实例：QFD起源于日本三菱重工，为了保证建造复杂货轮的每一个步骤都适合客户的具体要求。1966，赤尾洋二教授提出了QFD设计理论方法。丰田公司于70年代采用QFD后，其新产品:开发成本下降了61%，开发周期缩短了1/3，产品质量也得到了相应的改进。二、QFD的产生与发展产生：QFD于60年代初起源于日本，72世界上著名的公司如:福特公司、通用汽车公司、克莱思勒公司、惠普公司、麦道公司、施乐公司、电报电话公司、都相继采用了QFD。世界上著名的公司如:福特公司、73应用领域：从QFD的产生到现在二十年来，其应用已涉及汽车、家用电器、服装、集成电路、合成橡胶、建筑设备、农业机械、船舶、自动购货系统、软件开发、教育、医疗等各个领域。开发周期30—60%成本20—40%设计更改变动次数40—60%应用领域：从QFD的产生到现在二十年来，其应用已涉及汽车、家74三、QFD的原理

目前尚一个没有统一的QFD定义。但对QFD的一些认识是共同的。质量功能展开过程由产品规划、零件展开、过程方案和生产计划四个阶段组成。这四个阶段是一个并行过程，通过这些过程，顾客需求被逐步展开成为设计要求、零件特性、制造作业和生产要求。质量功能展开主要采用质量屋（于HouseofQuality,HOQ）的基本结构。利用质量屋将顾客需求逐层展开，确定提高顾客满意度的关键质量特性，确定影响关键质量特性的关键零部件，确定影响关键零部件的关键工艺过程，确定关键工艺的关键生产要求与保证手段三、QFD的原理目前尚一个没有统一的QFD定义。但对Q75质量屋的结构（HOQ）①要求质量；通过市场调研得到的顾客直接的质量要求，顾客质量要求应分层，并确定权重；②质量特性；产品具体的工程质量特性；③关系矩阵；用于表示顾客质量要求与工程技术人员提出质量特性之间的相互关系程度；④相关矩阵；用于表示质量特性之间的相互关系程度；⑤质量策划/计划质量；对于顾客质量要求，比较本企业与其他竞争企业的竞争能力⑥设计质量。对于质量特性，比较本企业与其他竞争企业的竞争能力关系矩阵质量策划质量特性要求质量设计质量相关矩阵质量屋的结构（HOQ）①要求质量；通过市场调研得到的顾客直接76构造质量屋

顾客需求和质量特性之间的关系矩阵顾客的需求市场竞争能力评价技术竞争能力评价产品质量特性质量特性之间的相关程度计划质量

需求的相对重要程度设计质量构造质量屋

顾客的需求市场竞争能力评价技术竞争能力评77

严格地说，QFD只是一种思想，一种产品开发管理和质量保证的方法论。对于如何将顾客需求一步一步地分解和配置到产品开发的各个过程中，还没有固定的模式和分解模型，可以根据不同目的按照不同路线、模式和分解模型进行分解和配置。严格地说，QFD只是一种思想，一种产品开发管理和78

典型的QFD分解示意图（以产成品为例）产品规划矩阵顾客需求产品技术需求零件规划矩阵产品技术需求关键零件特性工艺/质量控制矩阵关键工序工艺规划矩阵关键零件特性关键工序关键工艺/质量控制参数典型的QFD分解示意图（以产成品为例）产品规划矩阵顾客需求79质量功能展开（QFD）QFD（HouseofQuality）质量屋的构成一级质量屋举例质量功能展开（QFD）QFD（HouseofQuali80QFD分解过程描述：顾客需求是QFD最基本的输入。顾客需求的获取是QFD实施中最关键也是最困难的工作。要通过各种先进的方法、手段和渠道搜集、分析和整理顾客的各种需求。

QFD分解过程描述：顾客需求是QFD最基本的输入。顾客需求的811）.确定顾客需求

由市场研究人员选择合理的顾客对象，利用各种方法和手段，通过市场调查，全面收集顾客对产品的种种需求，然后将其总结、整理并分类，得到正确、全面的顾客需求以及各种需求的权重(相对重要程度)。1）.确定顾客需求由市场研究人员选择合理的822）.产品规划将顾客需求转换成设计用的技术特性。并根据顾客需求的竞争性评估和技术需求的竞争性评估，确定各个技术需求的目标值。具体任务：·完成从顾客需求到技术需求的转换；·从顾客的角度对市场上同类产品进行评估；·从技术的角度对市场上同类产品进行评估；·确定顾客需求和技术需求的关系及相关程度；·分析并确定各技术需求相互之间制约关系；·确定各技术需求的目标值。2）.产品规划将顾客需求转换成设计用的技术特性。并根据顾客需833）.产品设计方案确定依据上一步所确定的产品技术需求目标值，进行产品的概念设计和初步设计，并优选出一个最佳的产品整体设计方案。这些工作主要由产品设计部门及其工作人员负责，产品生命周期中其它各环节、各部门的人员共同参与，协同工作。3）.产品设计方案确定依据上一步所确定的产品技术需求目标值，844）.零件规划基于优选出的产品整体设计方案，并按照在产品规划矩阵所确定的产品技术需求，确定对产品整体组成有重要影响的关键部件/子系统及零件的特性。4）.零件规划基于优选出的产品整体设计方案，并按照在产品规划855）.零件设计及工艺过程设计

根据零件规划中所确定的关键零件的特性及已完成的产品初步设计结果等，进行产品的详细设计，完成产品各部件/子系统及零件的设计工作，选择好工艺实施方案，完成产品工艺过程设计，包括制造工艺和装配工艺。

5）.零件设计及工艺过程设计根据零件规划中所确定的关键零件866）.工艺规划通过工艺规划矩阵，确定为保证实现关键产品特征和零部件特征所必须给以保证的关键工艺步骤及其特征，即从产品及其零部件的全部工序中选择和确定出对实现零部件特征具有重要作用或影响的关键工序，确定其关键程度。6）.工艺规划通过工艺规划矩阵，确定为保证实现关键产品特征和877）.工艺/质量控制通过工艺/质量控制矩阵，将关键零件特性所对应的关键工序及工艺参数转换为具体的工艺/质量控制方法，包括控制参数、控制点、样本容量及检验方法等。7）.工艺/质量控制通过工艺/质量控制矩阵，将关键零件特性所88质量控制规划

从目前的国外应用实践来看，各个企业在质量控制规划阶段所采用的QFD矩阵差别很大，几乎没有形成一个比较规范的格式。出现这种状况其实也是正常的，由于企业生产产品类型、生产规模、技术力量、设备状况以及其它各种因素的影响，其质量控制方法和体系也就大不一样。质量控制规划从目前的国外应用实践来看，各个企业在质89结束语

实际上，QFD的矩阵构造与分解方式可以是多种多样的。因此，与其说QFD是一种方法，倒不如说它是一种思想，是一种在产品开发过程中，将用户的呼声转换为质量特性、产品构型、设计参数和技术特性及制造过程参数等的一种思想。QFD涉及到多方面的理论与方法，如设计、测试、制造、成本、可靠性以及市场学等。同时QFD还涉及企业管理模式、企业文化甚至地域文化习惯等。在企业中要开展QFD，除了技术、设备及人力资源的配备外，还需要进行企业文化的变更以及对企业全体员工的宣传教育。企业在使用QFD后，一定会收到良好的收益。结束语实际上，QFD的矩阵构造与分解方式可以是多种多90第五章设计质量控制原理与应用主要内容：可靠性分析与设计；维修性分析与设计；失效模式与影响分析（FMEA）

故障树分析（FAT）第二节可信性设计原理及应用第五章设计质量控制原理与应用主要内容：第二节可信91可靠性重要性例如，美国的宇宙飞船阿波罗工程有700万只元器件和零件，参加人数达42万人，参予制造的厂家达1万5千多家，生产周期达数年之久。象这样庞大的复杂系统，一旦某一个元件或某一个部件出现故障，就会造成整个工程失败，造成巨大损失。所以可靠性问题特别突出，不专门进行可靠性研究是难于保证系统可靠性的。

可靠性重要性例如，美国的宇宙飞船阿波罗工程有700万只元器件92可靠性工程的重要性主要表现在三个方面：1.高科技的需要2.经济效益的需要3.政治声誉的需要总之，无论是人民群众的生活，国民经济建设的需要出发，还是从国防、科研的需要出发，研究可靠性问题是具有深远的现实意义。

可靠性工程的重要性主要表现在三个方面：1.高科技的需要93一、可靠性分析与设计1、可靠性原理定义：指产品（包括零件和元器件、整机设备、系统）在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性涉及产品、规定条件、规定时间、规定功能和能力五种因素，但核心是规定的时间。明确产品可靠性研究的对象必须明确产品可靠性所规定的条件必须明确所规定的时间

必须明确产品所需完成规定的功能一、可靠性分析与设计1、可靠性原理明确产品可靠性研究的对象94可靠性需要满足：1）不发生故障2）发生故障后能方便地、及时地修复，以保持良好功能状态能力，即要有良好的维修性。维修性是指在规定条件下使用的产品在规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持和恢复到能完成规定功能的能力。

一、可靠性分析与设计可靠性需要满足：一、可靠性分析与设计95一、可靠性分析与设计2、可靠性指标：1）可靠度与不可靠度可靠度：产品在一定条件下和一定时间t内不发生故障而完成规定功能的概率称为产品的可靠度，记为R(t)。不可靠度：在规定工作时间t内，在规定的条件下，产品丧失规定功能的概率。称为不可靠度，用F(t)表示显然：一、可靠性分析与设计2、可靠性指标：96一、可靠性分析与设计1）可靠度与不可靠度可靠度函数R(t)可以看作事件“T>t”的概率，F(t)可以看作事件“T<t”的概率。产品的失效分布函数：其中f(t)为故障密度函数故障密度函数f(t)：假设寿命T是连续型随机变量，则产品在（0∞）内任一时刻附近的单位时间发生故障的概率f(t)称为故障密度函数，因此：f(t)=F(t)可靠度R(t)可以用统计方法来估计。设有N个产品在规定的条件下开始使用。令开始工作的时刻t取为0，到指定时刻t时已发生失效数n(t),亦即在此时刻尚能继续工作的产品数为N-n(t)，则可靠度的估计值（又称经验可靠度）为一、可靠性分析与设计1）可靠度与不可靠度972）平均寿命对于不可修复产品而言：

平均寿命是指产品失效前的平均工作时间，记为MTTF(MeatTimetoFailure)对于可修复产品而言：

平均寿命是指产品的平均无故障工作时间，记为MTBF(MeatTimeBetweenFailure)一、可靠性分析与设计2）平均寿命一、可靠性分析与设计98对于离散型随机变量，即有限个产品的情况：MTTF=(i=1,2,…..)n为产品数，为第i件产品的寿命MTBF=(i=1,2,…..)n为产品数，为第i件产品两次故障间的工作时间对于寿命为连续型随机变量时，

MTTF和MTBF均为寿命t的数学期望（均值），所以有MTTF=MTBF=f(t)=一、可靠性分析与设计2）平均寿命对于离散型随机变量，即有限个产品的情况：一、可靠性分析与设计99说明：对于一个连续型随机变量X，E(X)=所以：E(X)=服从指数分布的寿命分布函数在可靠性分析中应用较多，由于它的特殊性，以及在数学上易处理成直观的曲线，故在许多领域中首先把指数分布讨论清楚。一、可靠性分析与设计2）平均寿命说明：对于一个连续型随机变量X，E(X)=一、可靠性分析与设100若产品的寿命或某一特征值t的故障密度为f(t)=（），则称t服从参数为的指数分布可靠度平均寿命MTBF=因为：所以有：MTBF=MTTF与MTBF表达式一样一、可靠性分析与设计则不可靠度：2）平均寿命若产品的寿命或某一特征值t的故障密度为（），则称t服101例：测得18台某种电子设备从工作开始到初次失效的时间数据（单位：h）分别为：160，290，506，680，1000，1300，1408，1632，1634，1957，1967，2315，2400，2912，4010，4315，4378，4500，求这18台电子设备的平均寿命（MTBF）解：MTBF==1/18（160+290+…+4500）=2075.8h一、可靠性分析与设计2）平均寿命例：测得18台某种电子设备从工作开始到初次失效的时间数据（单1023）失效率失效率：产品工作到时刻t尚未失效，而在时刻t后的单位时间内发生失效的概率。失效率也称失效函数或故障函数，

=所以，知道了产品的失效分布，就可以知道失效函数，就可以知失效率。3）失效率失效率：产品工作到时刻t尚未失效，而在时刻t后的单1033）失效率当产品寿命服从指数分布时失效率常用单位是“”和“”.而对于可靠性高的产品常用“”为单位，计一个“菲特”Fit。1Fit=，其意义：100个产品工作一百万小时，只有一个可能发生失效3）失效率当产品寿命服从指数分布时104对于指数分布则有：失效密度函数(t≥0)不可靠度(t≥0)可靠度(t≥0)失效率平均故障间隔时间对于指数分布则有：失效密度函数105指数分布及其故障率函数指数分布的“无记忆性”指如果某产品的工作时间服从指数分布时，从开始到工作一段时间t0内，其可靠度为，工作时间t0结束后，产品仍然可以工作，在下一个工作时间间隔t0内，该系统仍然和新的一样，其可靠度仍为1-t。即前一个故障对下一个故障无后效作用。指数分布及其故障率函数指数分布的“无记忆性”106指数分布例题例：一元件寿命服从指数分布，其平均寿命(θ)为2000小时，求故障率λ及求可靠度R

(100)=?R(1000)=?解：

此元件在100小时时的可靠度为0.95，而在1000小时时的可靠度为0.50。

指数分布例题例：一元件寿命服从指数分布，其平均寿命(θ)为2107例：设某元件的寿命服从指数分布，他的平均寿命（MTBF）为5000h，试求其失效率和使用125小时后的可靠度。解：（1）求失效率：当寿命服从指数分布时MTBF=失效率（2）求使用125h后的可靠度当较小时有近似式：R(t)==1-而=125所以有R(125h)=1-=1-0.025=0.975例：设某元件的寿命服从指数分布，他的平均寿命（MTBF）为5108失效率曲线特点失效率是一个最基本的可靠性特征量，失效曲线一般成“浴盆曲线”，由此曲线可知产品从投入工作可经过三个阶段：失效率曲线

耗损失效期t时间偶然失效期早期失效期使用寿命规定的失效率λ(t)失效率AB失效率曲线特点失效率是一个最基本的可靠性特征量，失效曲线一般109失效率曲线特点早期失效期：磨合阶段，原因是产品本身不合格或工艺质量低，应在设计制造方面找原因，使失效率稳定下来。偶然失效期：是产品正常工作时期，此时产品的失效率是随机的，失效率基本正常，接近于常数.在这期间内产品发生故障大多出于偶然因素，如突然过载、碰撞等，损耗失效期：经过长时间的工作，产品已进入剧烈磨损或疲劳状态，表现为失效率迅速上升，直到报废。改善磨损失效的方法在于不断提高零部件、元器件的使用寿命。

失效率曲线特点早期失效期：磨合阶段，原因是产品本身不合格或工1103、系统可靠性模型1）、串联模型

组成系统的所有单元中任一单元的故障就会导致整个系统故障的系统称串联系统。其逻辑框图如图所示。

123n……系统工作事件发生等于系统各单元正常工作的事件同时发生P(A)=P(A1)P(A2)P(A3)…P(An)一、可靠性分析与设计3、系统可靠性模型1）、串联模型123n……系统工作事件发生111系统可靠性模型(串联模型)根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模型为：

R

(t)——系统的可靠度；Ri(t)——第i个单元的可靠度。

系统可靠性模型(串联模型)根据串联系统的定义及逻辑框图，其数112系统可靠性模型(串联模型)若各单元的寿命分布均为指数分布，即

式中λs——系统的故障率；

λi——各单元的故障率。

系统可靠性模型(串联模型)若各单元的寿命分布均为指数分布，即113系统可靠性模型2）、并联模型组成系统的所有单元都故障时，系统才故障的系统叫并联系统，其逻辑框图如图所示。

12n图并联模型系统可靠性模型2）、并联模型12n图并联模型114系统可靠性模型(并联模型)根据并联系统定义逻辑框图，其数学模型为

式中F(t)——系统的不可靠度；Fi(t)——第i个单元的不可靠度。

系统可靠性模型(并联模型)根据并联系统定义逻辑框图，115系统可靠性模型3）、混合式模型

可靠性逻辑框图如图所示。

系统可靠性模型3）、混合式模型116如图所示亿个系统网络图，图中已知R1=0.8，R2=0.7，R3=0.6，R4=0.8，R5=0.8，试求系统网络的可靠度为多少？答：R1.2=R1.R2=0.8X0.7=0.56R1.2.3=R1.2+R3-R1.2xR3=0.56+0.6-0.56X0.6=0.82R4.5=R4XR5=0.8X0.8=0.64R1.2.3.4.5=R1.2.3XR4.5=0.82X0.64=0.53R2=0.7R1=0.8R3=0.6R4=0.8R5=0.8如图所示亿个系统网络图，图中已知R1=0.8，R2=0.7，117二、维修性分析与设计

对于可修复产品，只考虑其发生故障的概率显然是不合适的，还应考虑被修复的可能性，衡量修复可能性的指标为维修度，用M(t)表示。维修度M(t)——产品在规定条件下进行修理时，在规定时间内完成修复的概率。

式中，n(t)表示t时间内完成维修的产品数；N表示送修的产品总数。二、维修性分析与设计对于可修复产品，只考虑其发生故障的概118平均修复时间(MTTR—MeantimetoRepair)应理解为产品修复时间的数学期望。平均预防性维修时间：在某个维修级别一次预防性维修所需时间的平均值平均修复时间(MTTR—MeantimetoRepa119可用性（有效度）：对可修复系统，当考虑到可靠性和维修性时，综合评价的尺度就是有效度A（可用性）。可用性（Availability）是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内处于可执行规定功能状态的能力，即要用产品时就可用的能力。

可用性（有效度）：对可修复系统，当考虑到可靠性和维修120MTBF——反映了可靠性的含义。MTTR——反映维修活动的一种能力。两者结合—固有有效度Ai当考虑后勤保障、服务质量时，就会在时间序列上出现平均等待时间(MWT—MeanWaittime)。如果从实际出发，使用有效度A应表示为：MTBF——反映了可靠性的含义。121二、失效模式与影响分析1、FMEA是一种定性的可靠性分析方法，是一种自下而上（由元件到系统）的故障因果关系分析法。是通过分析产品、系统或生产过程中存在潜在失效的零部件、环节等，分析其对产品、系统或生产过程的影响的程度，找出薄弱环节，采取措施，提高产品、系统或过程的可靠性。2、FMEA主要分为三种：设计失效模式及影响分析（DFMEA）系统失效模式及影响分析（SFMEA）过程失效模式及影响分析（PFMEA）二、失效模式与影响分析1、FMEA是一种定性的可靠性分析方1223、设计失效模式（DFMEA）因设计不合理而使产品存在潜在的故障，常见的设计失效模式如：疲劳断裂、腐蚀、松动、变质、硬化、泄露、变形、剥落、退色、烧伤、振动、过早磨损等二、失效模式与影响分析3、设计失效模式（DFMEA）二、失效模式与影响分析123DFMEA表的计算分析风险概率（RiskPriorityNumber）,缩写RPN

RPN=P*S*D发生概率P：失效发生的概率大小，0<=p<=1严重度S：失效发生对零部件功能影响程度大小1<=S<=10不易发生度D：失效发生后被发现的难易程度，D值越大表明越不易