可靠度理论与工程应用
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可靠度理论与工程应用
1
课程章节
一、系统的可靠性分析 二、系统的可靠性设计
2
一、系统的可靠性分析
所谓系统，是为了完成某一特定功能，由若干个 彼此有联系而且又能相互协调工作的单元所组 成的综合体。 系统可以分为可修复系统与不可修复系统两类。 所谓不可修复系统，是指系统或其组成单元一 旦发生失效，不再修复，系统处于报废状态。 不可修复是指技术上不能够修复，经济上不值 得修复，或者一次性使用，不必要进行修复。
7
一、系统的可靠性分析
2. 并联系统 可靠度函数：
n
R(t ) 1 [1 Ri(t )]
i 1
累积失效概率:
F (t ) Fi(t )
i 1
8
n
一、系统的可靠性分析
2. 并联系统 假设第 I 个单元寿命服从参数为 i t i 的指数分布，即 Ri(t ) e 系统的可靠度： n it R(t ) 1 [1 e ]
系统可靠度框图
4
一、系统的可靠性分析
(1) 串联系统
可靠度函数：
R(t ) Ri(t )
i 1
n
失效率：
(t ) i(t )
i 1
n
5
一、系统的可靠性分析
系统的平均寿命：
1
i
i 1
n
6
一、系统的可靠性分析
由上面的分析可看出： a) 串联系统的可靠度低于该系统的每个单元的可 靠度，且随着串联单元数量的增大而迅速降低； b) 串联系统的失效率大于该系统的各单元的失效 率； c) 串联系统的各单元寿命服从指数分布，该系统 寿命也服从指数分布。 如由10个可靠度为99%的单元组成一个串联系 统，那么该系统的可靠度仅为90%.所以要提高 系统的可靠度，必须减少系统中的单元或提高 系统中最低的单元可靠度，即提高系统中薄弱 单元的可靠度
17
二、系统的可靠性设计
系统的可靠性设计是指在遵循系统工程 规范的基础上，在系统设计过程中， 采用一些专门技术，将可靠性“设计” 到系统中去，以满足系统可靠性的要 求。 我国开展可靠性工作的经验证明，在产 品的整个寿命周期内，对可靠性起重 要影响的是设计阶段，见下表：
18
二、系统的可靠性设计
影响因素 可靠性 固有可 靠性 零、部件材料 设计技术 影响程 度 30% 40%
10
Hale Waihona Puke 一、系统的可靠性分析(3) m/n (G)表决系统 n中取m系统是指由n个单元组成的系统中， 至少有m个单元正常工作系统才正常工作， 记为m/n (G). 显然，串联系统是n/n (G) 系统，并联系统 是1/n (G).
m/n (G)表决系统可靠性框图
11
一、系统的可靠性分析
假设各单元寿命都为指数分布 可靠度函数：
1
2
系统的、自上而下 的归纳分析方法
28
二、系统的可靠性设计
定性分析要求项目表
序号 要求项目名 称 分析方法特点 目的 分析造成产品故障状态(或事件) 的各种原因或原因的组合，发 现设计中薄弱环节，提出改进 措施 判断是否会由于系统、设备安 装不当而产生不可接受的风险， 或是否会由于该区域中某系统 的设备故障而引起另一系统的 故障
3
故障树(或事 系统的、自上而下 件树)分析 的演绎分析方法 (FTA.ETA)
4
区域安全性 分析(ZSA)
按装备的区域进行 分析、检查法
29
二、系统的可靠性设计
4. 可靠度设计的主要内容
(1) 可靠度建模 (2) 进行各种可靠性分析 (3) 采取各种可靠性设计方法
30
Thanks a lot!!!
使设备便于操作、维修，提高使用可靠 性
27
二、系统的可靠性设计
定性分析要求项目表
序号 要求项目名 称 功能危险分 析(FHA) 故障模式和 影响分析 (FMEA) 分析方法特点 整合的、系统的演 绎方法 目的 检查系统功能故障，确定设计 方案的可行性，发现设计中潜 在的问题，提出改进措施。 评价每个零件或设备的故障模 式对装备或系统产生的影响， 确定其严重度，发现设计中的 薄弱环节，提出改进措施。
n
R(t ) C e
i m
i it n
[1 e
t n i
]
系统的平均寿命：
1 i m i
12
n
一、系统的可靠性分析
例：设某种单元的可靠度为 R0 (t ) et 其中 =0.001/h,试求出： • 由这种单元组成的二单元串联系统、 二单元并联系统及2/3(G)系统的平均 寿命; • 当t=100h,500h,700h,1000h时，一单 元、二单元串联、二单元并联及 2/3(G)系统的可靠度，并加以比较。
22
2. 可靠性要求 可靠性要求是进行可靠性设计、分析、制造、 试验、验收的依据。可靠性要求分为定 量要求和定性要求两种。 (1)可靠性的定量要求 可靠性的定量要求是指选择和确定产品的可 靠性参数、指标以及验证时机和验证方 法，以便在设计、生产、试验验证和使 用过程中用量化的方法来评价或验证产 品的可靠性水平。
序号 要求项目名称 目的 将可靠性要求及使用中的约束条件转换 为设计条件，给设计人员规定了专门的 技术要求和设计原则，以提高产品可靠 性 减少产品的复合性，提高其基本可靠性
25
1
制定和贯彻可靠性 设计准则
2
简化设计
序号 3 4 5 6
要求项目名称 冗余设计 降额设计 制定和实施元器件 大纲
目的 用多于一种的途径来完成规定的功能， 以提高产品可靠性和安全性 降低元器件、零部件的故障率，以提高 产品的基本任务可靠性和安全性 对电子元器件、机械零部件进行控制与 管理，提高产品可靠性、降低保障费用
13
一、系统的可靠性分析
解：(1)一个单元与系统的平均寿命分 别为 1
单
2串
1
1000 h
500h
2 3 2并 1500h 2 5 2 / 3( G ) 833.3h 6
14
一、系统的可靠性分析
解：t=100h时，一个单元与系统的可 靠度分别为：
1 (1) n 1 i 1 i 1i j n i j
平均寿命：
n
i 1
1
1
i 1
9
n
i
一、系统的可靠性分析
由以上分析可以看出： a) 并联系统的失效概率低于各单元的失 效概率; b) 并联系统的可靠度高于各单元的可靠 度; c) 并联系统的平均寿命高于各单元的平 均寿命。这说明，通过并联可以提高 系统的可靠度; d) 并联系统的各单元服从指数寿命分布， 该系统不再服从指数寿命分布。
21
二、系统的可靠性设计
1. 可靠性设计的基本原则
(4)在设计时，应在继承以往成功经验的基 础上，积极采用先进的设计原理和可靠 性设计技术。但在采用新技术、新型元 器件、新工艺、新材料之前，必须经过 试验，并严格论证其对可靠性的影响; (5)在进行产品可靠性的设计时，应对产品 的性能、可靠性、费用、时间等各方面 因素进行权衡，以便作出最佳设计方案。
31
15
一、系统的可靠性分析
(3) 混联系统 由串联系统和并联系统混合而成的系统称 为混联系统，最典型的是串-并联系统 和并-串联系统。 a)串-并联系统
16
一、系统的可靠性分析
(4) 旁联系统 为了提高系统的可靠度，除了多安装一些单元 外，还可以储备一些单元，以便当工作单 元失效时，能立即通过转换开关使储备的 单元逐个地去替换，直到所有单元都发生 故障时为止，系统才失效。 旁联系统与并联系统的区别在于：并联系统中 每个单元一开始就同时处于工作状态，而 旁联系统中仅用一个单元工作，其余单元 处于待机工作状态。 (5) 复杂系统
23
二、系统的可靠性设计
二、系统的可靠性设计
2. 可靠性要求 (2)可靠性的定性要求 可靠性的定性要求是指用一种非量化的形 式来设计、评价，以保证产品的可靠 性。可靠性定性要求可分为定性设计 要求和定性分析要求两种。
24
二、系统的可靠性设计
2. 可靠性要求 (2)可靠性的定性要求 定性设计要求项目表
确定关键件和重要 件
利用现有的资源来提高关键产品的可靠 性
选择能抵消或影响环境作用的设计方案 和材料，或提出一些能改变环境的方案、 或把环境应力控制在可接受的极限范围 内 通过元件选择、电路设计、结构设计、 结构布局来减少温度对产品可靠性的影 响，使其能在较宽的温度范围内可靠地 工作
26
7
环境防护设计
20
二、系统的可靠性设计
1.
可靠性设计的基本原则 在可靠性设计过程中应遵循以下原则： (1)可靠性设计应有明确的可靠性指标和可靠性评 估方案; (2)可靠性设计必须贯穿于功能设计的各个环节， 在满足基本功能的同时，要全面考虑影响可靠 性的各种因素; (3)应针对故障模式(即系统、部件、元器件故障或 失效的表现形式）进行设计，最大限度地消除 或控制产品在寿命周期内可能出现的故障(失 效)模式;
制造技术
使用可 靠性 使用(运输、操 作安装、维修)
10%
20%
19
二、系统的可靠性设计
1. 可靠性设计的目的和任务
可靠性设计的目的就是在综合考虑产品的 性能、可靠性、费用和时间等因素的 基础上，通过采用相应的可靠性设计 技术，使产品的寿命周期内符合所规 定的可靠性要求。 系统可靠性设计的主要任务是：通过设计， 基本实现系统固有可靠性。
3
一、系统的可靠性分析
1.不可修复系统的可靠性分析 串联系统---如果系统中任何一个单元失效，系 统就失效，或者系统中每个单元都正常工作， 系统才能完成其规定的功能。如图a 并联系统---只有当所有的单元都失效，系统才 丧失其规定的功能，或者只要有一个单元正 常工作，系统就能完成其规定的功能。如图 b
8
热设计
序号
要求项目名称
目的 通过采用N版本编程法、恢复块法和贯彻 执行软件工程规范等来提高软件的可靠 性。
9
软件可靠性设计
10 11 12
通过对产品在包装、装卸、运输、储存 包装、装卸、运输、 期间性能变化情况的分析，确定应采取 储存等设计 的保护措施，从而提高其可靠性。 工程保证及生产质 量保证 人机工程设计 采用工程方法及生产质量保证方法来保 证产品的可靠性
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课程章节
一、系统的可靠性分析 二、系统的可靠性设计
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一、系统的可靠性分析
所谓系统，是为了完成某一特定功能，由若干个 彼此有联系而且又能相互协调工作的单元所组 成的综合体。 系统可以分为可修复系统与不可修复系统两类。 所谓不可修复系统，是指系统或其组成单元一 旦发生失效，不再修复，系统处于报废状态。 不可修复是指技术上不能够修复，经济上不值 得修复，或者一次性使用，不必要进行修复。
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一、系统的可靠性分析
2. 并联系统 可靠度函数：
n
R(t ) 1 [1 Ri(t )]
i 1
累积失效概率:
F (t ) Fi(t )
i 1
8
n
一、系统的可靠性分析
2. 并联系统 假设第 I 个单元寿命服从参数为 i t i 的指数分布，即 Ri(t ) e 系统的可靠度： n it R(t ) 1 [1 e ]
系统可靠度框图
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一、系统的可靠性分析
(1) 串联系统
可靠度函数：
R(t ) Ri(t )
i 1
n
失效率：
(t ) i(t )
i 1
n
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一、系统的可靠性分析
系统的平均寿命：
1
i
i 1
n
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一、系统的可靠性分析
由上面的分析可看出： a) 串联系统的可靠度低于该系统的每个单元的可 靠度，且随着串联单元数量的增大而迅速降低； b) 串联系统的失效率大于该系统的各单元的失效 率； c) 串联系统的各单元寿命服从指数分布，该系统 寿命也服从指数分布。 如由10个可靠度为99%的单元组成一个串联系 统，那么该系统的可靠度仅为90%.所以要提高 系统的可靠度，必须减少系统中的单元或提高 系统中最低的单元可靠度，即提高系统中薄弱 单元的可靠度
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二、系统的可靠性设计
系统的可靠性设计是指在遵循系统工程 规范的基础上，在系统设计过程中， 采用一些专门技术，将可靠性“设计” 到系统中去，以满足系统可靠性的要 求。 我国开展可靠性工作的经验证明，在产 品的整个寿命周期内，对可靠性起重 要影响的是设计阶段，见下表：
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二、系统的可靠性设计
影响因素 可靠性 固有可 靠性 零、部件材料 设计技术 影响程 度 30% 40%
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Hale Waihona Puke 一、系统的可靠性分析(3) m/n (G)表决系统 n中取m系统是指由n个单元组成的系统中， 至少有m个单元正常工作系统才正常工作， 记为m/n (G). 显然，串联系统是n/n (G) 系统，并联系统 是1/n (G).
m/n (G)表决系统可靠性框图
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一、系统的可靠性分析
假设各单元寿命都为指数分布 可靠度函数：
1
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系统的、自上而下 的归纳分析方法
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二、系统的可靠性设计
定性分析要求项目表
序号 要求项目名 称 分析方法特点 目的 分析造成产品故障状态(或事件) 的各种原因或原因的组合，发 现设计中薄弱环节，提出改进 措施 判断是否会由于系统、设备安 装不当而产生不可接受的风险， 或是否会由于该区域中某系统 的设备故障而引起另一系统的 故障
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故障树(或事 系统的、自上而下 件树)分析 的演绎分析方法 (FTA.ETA)
4
区域安全性 分析(ZSA)
按装备的区域进行 分析、检查法
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二、系统的可靠性设计
4. 可靠度设计的主要内容
(1) 可靠度建模 (2) 进行各种可靠性分析 (3) 采取各种可靠性设计方法
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Thanks a lot!!!
使设备便于操作、维修，提高使用可靠 性
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二、系统的可靠性设计
定性分析要求项目表
序号 要求项目名 称 功能危险分 析(FHA) 故障模式和 影响分析 (FMEA) 分析方法特点 整合的、系统的演 绎方法 目的 检查系统功能故障，确定设计 方案的可行性，发现设计中潜 在的问题，提出改进措施。 评价每个零件或设备的故障模 式对装备或系统产生的影响， 确定其严重度，发现设计中的 薄弱环节，提出改进措施。
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R(t ) C e
i m
i it n
[1 e
t n i
]
系统的平均寿命：
1 i m i
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n
一、系统的可靠性分析
例：设某种单元的可靠度为 R0 (t ) et 其中 =0.001/h,试求出： • 由这种单元组成的二单元串联系统、 二单元并联系统及2/3(G)系统的平均 寿命; • 当t=100h,500h,700h,1000h时，一单 元、二单元串联、二单元并联及 2/3(G)系统的可靠度，并加以比较。
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2. 可靠性要求 可靠性要求是进行可靠性设计、分析、制造、 试验、验收的依据。可靠性要求分为定 量要求和定性要求两种。 (1)可靠性的定量要求 可靠性的定量要求是指选择和确定产品的可 靠性参数、指标以及验证时机和验证方 法，以便在设计、生产、试验验证和使 用过程中用量化的方法来评价或验证产 品的可靠性水平。
序号 要求项目名称 目的 将可靠性要求及使用中的约束条件转换 为设计条件，给设计人员规定了专门的 技术要求和设计原则，以提高产品可靠 性 减少产品的复合性，提高其基本可靠性
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制定和贯彻可靠性 设计准则
2
简化设计
序号 3 4 5 6
要求项目名称 冗余设计 降额设计 制定和实施元器件 大纲
目的 用多于一种的途径来完成规定的功能， 以提高产品可靠性和安全性 降低元器件、零部件的故障率，以提高 产品的基本任务可靠性和安全性 对电子元器件、机械零部件进行控制与 管理，提高产品可靠性、降低保障费用
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一、系统的可靠性分析
解：(1)一个单元与系统的平均寿命分 别为 1
单
2串
1
1000 h
500h
2 3 2并 1500h 2 5 2 / 3( G ) 833.3h 6
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一、系统的可靠性分析
解：t=100h时，一个单元与系统的可 靠度分别为：
1 (1) n 1 i 1 i 1i j n i j
平均寿命：
n
i 1
1
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i 1
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i
一、系统的可靠性分析
由以上分析可以看出： a) 并联系统的失效概率低于各单元的失 效概率; b) 并联系统的可靠度高于各单元的可靠 度; c) 并联系统的平均寿命高于各单元的平 均寿命。这说明，通过并联可以提高 系统的可靠度; d) 并联系统的各单元服从指数寿命分布， 该系统不再服从指数寿命分布。
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二、系统的可靠性设计
1. 可靠性设计的基本原则
(4)在设计时，应在继承以往成功经验的基 础上，积极采用先进的设计原理和可靠 性设计技术。但在采用新技术、新型元 器件、新工艺、新材料之前，必须经过 试验，并严格论证其对可靠性的影响; (5)在进行产品可靠性的设计时，应对产品 的性能、可靠性、费用、时间等各方面 因素进行权衡，以便作出最佳设计方案。
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一、系统的可靠性分析
(3) 混联系统 由串联系统和并联系统混合而成的系统称 为混联系统，最典型的是串-并联系统 和并-串联系统。 a)串-并联系统
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一、系统的可靠性分析
(4) 旁联系统 为了提高系统的可靠度，除了多安装一些单元 外，还可以储备一些单元，以便当工作单 元失效时，能立即通过转换开关使储备的 单元逐个地去替换，直到所有单元都发生 故障时为止，系统才失效。 旁联系统与并联系统的区别在于：并联系统中 每个单元一开始就同时处于工作状态，而 旁联系统中仅用一个单元工作，其余单元 处于待机工作状态。 (5) 复杂系统
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二、系统的可靠性设计
二、系统的可靠性设计
2. 可靠性要求 (2)可靠性的定性要求 可靠性的定性要求是指用一种非量化的形 式来设计、评价，以保证产品的可靠 性。可靠性定性要求可分为定性设计 要求和定性分析要求两种。
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二、系统的可靠性设计
2. 可靠性要求 (2)可靠性的定性要求 定性设计要求项目表
确定关键件和重要 件
利用现有的资源来提高关键产品的可靠 性
选择能抵消或影响环境作用的设计方案 和材料，或提出一些能改变环境的方案、 或把环境应力控制在可接受的极限范围 内 通过元件选择、电路设计、结构设计、 结构布局来减少温度对产品可靠性的影 响，使其能在较宽的温度范围内可靠地 工作
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二、系统的可靠性设计
1.
可靠性设计的基本原则 在可靠性设计过程中应遵循以下原则： (1)可靠性设计应有明确的可靠性指标和可靠性评 估方案; (2)可靠性设计必须贯穿于功能设计的各个环节， 在满足基本功能的同时，要全面考虑影响可靠 性的各种因素; (3)应针对故障模式(即系统、部件、元器件故障或 失效的表现形式）进行设计，最大限度地消除 或控制产品在寿命周期内可能出现的故障(失 效)模式;
制造技术
使用可 靠性 使用(运输、操 作安装、维修)
10%
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二、系统的可靠性设计
1. 可靠性设计的目的和任务
可靠性设计的目的就是在综合考虑产品的 性能、可靠性、费用和时间等因素的 基础上，通过采用相应的可靠性设计 技术，使产品的寿命周期内符合所规 定的可靠性要求。 系统可靠性设计的主要任务是：通过设计， 基本实现系统固有可靠性。
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一、系统的可靠性分析
1.不可修复系统的可靠性分析 串联系统---如果系统中任何一个单元失效，系 统就失效，或者系统中每个单元都正常工作， 系统才能完成其规定的功能。如图a 并联系统---只有当所有的单元都失效，系统才 丧失其规定的功能，或者只要有一个单元正 常工作，系统就能完成其规定的功能。如图 b
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热设计
序号
要求项目名称
目的 通过采用N版本编程法、恢复块法和贯彻 执行软件工程规范等来提高软件的可靠 性。
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软件可靠性设计
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通过对产品在包装、装卸、运输、储存 包装、装卸、运输、 期间性能变化情况的分析，确定应采取 储存等设计 的保护措施，从而提高其可靠性。 工程保证及生产质 量保证 人机工程设计 采用工程方法及生产质量保证方法来保 证产品的可靠性