可靠性预计 应力分析法
机械设计中的安全性与可靠性评估方法探讨
机械设计中的安全性与可靠性评估方法探讨在现代工业生产中，机械设计的安全性与可靠性至关重要。
机械产品的质量和性能不仅关系到生产效率和经济效益，更直接影响到人员的生命安全和环境的保护。
因此，如何准确评估机械设计的安全性与可靠性成为了机械工程领域的重要研究课题。
机械设计中的安全性是指机械产品在使用过程中，不会对操作人员和周围环境造成危害的特性。
而可靠性则是指机械产品在规定的时间和条件下，能够正常工作的能力。
这两个方面相互关联，缺一不可。
如果机械产品的安全性得不到保障，即使其具有较高的可靠性，也可能会引发严重的事故；反之，如果机械产品的可靠性不足，频繁出现故障，也会在一定程度上影响其安全性。
在评估机械设计的安全性时，首先要进行危险识别。
这需要对机械产品的整个生命周期进行分析，包括设计、制造、安装、调试、使用、维护和报废等阶段。
通过对各个阶段可能存在的危险因素进行识别，如机械部件的运动、高温、高压、噪声、振动、辐射等，为后续的风险评估提供基础。
风险评估是安全性评估的核心环节。
它通过对识别出的危险因素进行定性或定量的分析，确定其发生的可能性和后果的严重程度。
常用的风险评估方法有故障模式与影响分析（FMEA）、故障树分析（FTA）、事件树分析（ETA）等。
以 FMEA 为例，它通过对系统中各个组成部分可能出现的故障模式进行分析，评估其对系统整体功能的影响，并根据影响的严重程度、发生的概率和可检测性等因素，确定故障模式的风险优先级。
在机械设计中，为了提高安全性，还需要采取相应的安全防护措施。
这些措施可以分为本质安全设计和附加安全防护装置两类。
本质安全设计是通过改变机械产品的结构、材料、工艺等，从根本上消除或减少危险因素。
例如，采用无锐角的设计、选择强度高的材料、优化工艺流程等。
附加安全防护装置则是在机械产品上安装防护栏、防护罩、联锁装置、紧急制动装置等，以防止操作人员接触到危险因素。
可靠性评估是对机械产品在规定时间内和规定条件下完成规定功能的能力进行评估。
可靠性预计及其准确性_张增照
在进行可靠性预计时，是什么因素影响了预 计的准确性呢？我们认为有以下几点：
４．１ 预计手册本身的准确性
所用预计手册本身的准确性是影响预计准确 性的因素之一。如何保证预计手册的准确性，是 编制预计手册工作者的重要工作，它决定于数据 的收集、取舍、统计处理、验证等环节。例如： 在 ＧＪＢ２２９９ 的编制中，要从大量的现役设备中通 过收集设备元器件的工作环境、故障时间、工作 时间、故障原因、现象等数据，进而统计分析出 元器件的失效率，并不是简单地把所有的故障数 据都拿来计算就可；而且要依据统计数学，对代 表性的数据有严格的判别、取舍依据，并用现场 数据不断地修订手册的预计值。
业标准就是由 ＭＩＬ－ ＳＴＤ－ ２１７ 演变而 Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ ＳＲ－ ３３２
由商业级电子元器件的 Ｂｅｌｌｃｏｒｅ 标准演变而来。
来的（如表 １ 所示）。
３ 可靠性预计手册的数据 内涵
ＰＲＩＳＭ
ＣＮＥＴ ９３ ＲＤＦ－ ２０００
最初由可靠性分析中心（ＲＡＣ）制定，结合了工艺 等级因素。
由法国电信部门制定。
在美国国防部宣布不再对 Ｍ ２１７ 进行修订或
收稿日期：２００５－ ０６－ １０ 作者简介：张增照（１９６４－ ），男，山东青岛人，信息产业部电子第五研究所科技处副主任，高级工程师，硕士，参与了
ＧＪＢ／Ｚ ２９９Ｂ－ ９８《电子设备可靠性预计手册》的修订，主持 ＧＪＢ／Ｚ ２９９Ｃ 的修订，主要从事可靠性预计研究、电子 元器件选用研究。
靠性预计的权威性依据。 以恒定失效率为基础的可靠性预
表 １ 可靠性预计模型／标准
计方法，最初由 ＭＩＬ－ ＳＴＤ－ ２１７ 引入， 模型
说明
多年来被用于估计产品和系统的失效 ＭＩＬ－ ＨＤＢＫ－ ２１７ 率和平均无故障工作时间。有许多商
电子设备可靠性预计
信息产业部电子五所
主要内容
1. 可靠性预计的目的和作用及工程应用 2. 基本可靠性预计和任务可靠性预计 3. 可靠性预计类型及其不同使用阶段 4. 相似预计法的程序 5. 元器件计数法的可靠性预计 6. 元器件应力分析法的可靠性预计 7. 使用《电子设备可靠性预计手册》应注意的事项
元器件的应力分析法－预计程序
(1) 建立产品可靠性模型。 (2)明确各元器件的应用方式，工作环境温度及其它环境 应力，以及电应力比等工作应力数据； (3)汇编设备的元器件详细清单，清单内容包括：元器件名称，
型号规格，数量，产品标准或技术文件，性能额定值及有关的设计、工艺、 结构参数和工作应力数据等；
可靠性预计的目的和作用及工程应用
1.2 可靠性预计的作用
(1) 在设备、系统的设计阶段, 定量地预测其可靠性水平, 以判断设计方案能否满足可靠性指标的要求。 (2) 对几种相似的设计方案进行比较, 以便选择在可靠性、 性能、重量、费用等方面最佳的综合设计方案。 (3) 为实施可靠性分配提供依据。 (4) 为优选元器件及合理使用元器件提供指南。 (5) 通过应力分析法预计, 可鉴别设计上潜在的问题, 以便 于及时地采取措施来改进设计，以便制定设备、系统 的预防性维护方案。 。 (6) 中立机构进行可靠性预计，预测产品的寿命，增强产 品的竞争力。
8. 特殊可靠性预计的修正
可靠性预计的目的和作用及工程应用
1.1 可靠性预计的目的
• 可靠性预计是电子设备可靠性从定性考虑转入定量分析的关键, 是“设计未来”的先导, 是决策设计、改进设计, 确保产品满足 可靠性指标要求的不可缺少的技术手段。 • 可靠性预计不去追求绝对准确。采用统一尺度预计，为可靠性 的定量分析提供可比的相对度量。 • 预计的主要目的在于检查产品研制方案和电路设计的合理性， 比较不同设计方案的可靠性水平，发现薄弱环节，对高故障率 和承受过高应力部分引起注意。 • 与可靠性分配技术相结合，把规定的可靠性指标合理地分配给 各个组成部分，并为制定研制计划、验证试验方案以及维修、 后勤保障方案提供依据。
可靠性资料整理-Read
可靠性整理第一部分：概述（一）可靠性的必要性：1.客户的需要：仪器的使用部门，尤其是实时在线检测仪器的使用部门，强烈地希望所使用的仪器能够长时间连续、无故障得工作。
2.自身的需要：仪器自身可靠性的提高，就意味着自身竞争力的提高，最终的结果不是我们寻求客户，而是客户寻求我们。
（二）可靠性的定义可靠性的经典定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。
该定义明确指出评价一个产品的可靠性，与规定的工作条件和规定的工作时间有关，也与规定产品应完成的功能有关。
产品的可靠性与工作条件的关系极为密切。
“规定的工作条件”是指产品工作时所处的环境条件、负荷条件和工作方式。
环境条件一般分为气候环境和机械环境。
气候环境是指电子元器件所处环境的气候条件，如温度、湿度、气压、气氛、盐雾、霉菌、辐射等；机械环境是指电子元器件是否经常受到外界机械应力的影响，如振动、冲击、碰撞、跌落、离心、摇摆等。
环境对电路所施加的应力可能是恒定的，也可能是变化的和交变的。
负荷条件是指电子元器件所承受的电、热、力等应力的条件，目前主要是指加在电子元器件上的电压、电流和功率等条件。
工作方式一般分为连续工作或间断工作，不工作的情况属于存贮状态。
“规定的时间”是指评价电子元器件的可靠性和规定的时间有关。
可靠性本身就是时间的函数，要保持电子元器件全部性能处于良好的工作状态，时间长比时间短更困难。
在同一工作条件下，保持的时间越长可靠性越高。
所以，在讨论电子元器件可靠性时，必须指明在多长时间内的可靠性。
规定功能：要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定功能。
产品丧失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障。
能力：只是定性的理解是比较抽象的，为了衡量检验，后面将加以定量描述。
产品的失效或故障均具有偶然性，一个产品在某段时间内的工作情况并不很好地反映该产品可靠性的高低，而应该观察大量该种产品的工作情况并进行合理的处理后才能正确的反映该产品的可靠性，因此对能力的定量需用概率和数理统计的方法。
可靠性预计
Mo——相似设备的MTBF值
Nn——（新）设计方案的（估计）有源器件数；
λsp——（新）设计方案的失效率（预计值）；
MTBFsp——（新）设计方案的MTBF（预计值）。
②相似电路法
相似电路法是利用已了解的电路的可靠性数据来推断新设计方案产品的可靠性方法。此种方法应用在方案设计阶段。
将上述一步至七步的检索和计算用表格形式列在表7—7中，便于学习和对照。
（ii）电源变压器
第一步检索“目次”感性元件在P163～173。
第二步查P.164变压器的工作失效率λp
λp＝λbπEπθπA
第三步查P.166表5，1，7，1—3πE＝1。
第四步查P.167表5，1，7，1——7选择绝缘等级A，额定温度为105℃。因为变压器的温升△T设计小于60℃，加上工作环境温度T＝40℃，T+△T＝100℃<105℃，选择合理查得札λb＝0.078。
数量N
基本失效率（λb）
π系数
工作失效率λp
（10-6/h）
备注
πE
πθ
πA
πS2
πr
πC
πR
πK
πTAPS
πCV
1
硅整流桥
（2CP24）
4
0.145
1.7
1
0.65
0.6409
T＝40℃
S＝0.5
2
工功率晶体管（3DA18C）
1
0.244
2
1
1
1.2
2.5
1
1.4640
T＝40℃
S＝0.5
3
中小功率晶体管（3DG4C）
第三步T＝50℃，S＝0.4时，查表5.1.4.2－5，查得λb＝0.009（10-6/h）。
可靠性理论
可靠性理论一、单项选择题(只有一个选项正确，共10道小题)1. 失效率的浴盆曲线的三个时期中，不包括下列的（）(A) 早期失效期(B) 随机失效期(C) 多发失效期(D) 耗损失效期正确答案：C解答参考：2. 指数分布具有的特点中，不包括下列的（）(A) 失效率为常数(B) 概率密度函数单调下降(C) 无记忆性(D) 多适用于机械产品正确答案：D解答参考：3. 可靠性的特征量中，不包含下列的（）(A) 可靠度(B) 失效率(C) 平均寿命(D) 性价比正确答案：D解答参考：4. 失效率为常数的可靠性分布是（）(A) 威布尔分布(B) 指数分布(C) 正态分布(D) 二项分布正确答案：B解答参考：5. 可靠性特征量失效率的单位可以是（）(A) 菲特(B) 小时(C) 个(D) 秒正确答案：A解答参考：6. 常见的冗余系统结构中，不包含下列的（）(A) 串联结构(B) 并联结构(C) n中取k结构(D) 冷储备系统结构正确答案：A解答参考：7. 三参数威布尔分布的三个参数中，不包含下列的（）(A) 位置参数(B) 特征参数(C) 尺度参数(D) 形状参数正确答案：B解答参考：8. 一个由三个相同的单元组成的3中取2系统，若该单元的可靠度均为0.8，则系统的可靠度为：（）(A) 0.512(B) 0.992(C) 0.896(D) 0.764正确答案：C解答参考：9. 有四个相同的单元组成的系统中，其可靠度最高的系统结构是：（）(A) 四个单元串联(B) 四个单元并联(C) 两两串联后再互相并联(D) 两两并联后再互相串联正确答案：B解答参考：10. 故障树分析方法的步骤不包括以下的：（）(A) 系统的定义(B) 故障树的构造(C) 故障树的评价(D) 故障树的拆散正确答案：D解答参考：三、判断题(判断正误，共5道小题)11.（）产品的故障密度函数反映了产品的故障强度。
正确答案：说法正确解答参考：12.（）与电子产品相比，机械产品的失效主要是耗损型失效。
可靠性的技术的应用及其评价方法
可靠性的技术的应用及其评价方法2007-07-02 22:34:05| 分类：知识仓储| 标签：嵌入式|字号大中小订阅一、可靠性评价分析技术的应用由于设计阶段对产品的可靠性将起到奠基作用，故在设计过程中，应不断对产品的可靠性进行定性和定量的评价分析）以便及时了解产品的可靠性指标是否有了保证，所采取的各种可靠性设计措施是否有效，有效程度如何，设计中是否还存在薄弱环节和潜在缺陷，产品在今后使用中可能会发生什么样的故障，以及故障一旦发生时，其影响和危害程度如何等等。
弄清以上问题将有助于及时发现缺陷，及时改进设计，防止“带病”投产，保证预定的可靠性指标得到满足。
下面介绍几种主要的评价分析技术的应用：1 ．可靠性预计与分配可靠性预计是在设计阶段，根据设计中所选用的电路程式、元器件、可靠性结构模型、工作环境、工作应力以及过去积累的统计数据，推测产品可能达到的可靠性水平。
预计的目的不是在于了解在什么时候将发生什么样的失效，而是在于从设计开始就采取措施以防止失效的发生，并用定量的方法评价可靠性设计的效果。
可靠性分配是将可靠性指标或预计所能达到的目标值加以分解，用科学的方法，合理分配给分系统、设备、部件直至各元器件和每一个连接点、焊接点，以保证可靠性既定目标得以实现。
通过分配，不仅可以层层落实设计指标，还可发现设计的薄弱环节和尚能挖掘的潜力。
可靠性预计的方法一般有相似设备法、相似电路法。
有源器件法、元器件计数法及元器件应力分析法等，它们分别适用于不同的设计阶段：当产品处于方论证阶段时，可用相似设备法、相似电路法、有源器件法等快速预计法进行可行性预计，以评价设计方案的可行性；当产品处于旱期的详细设计阶段时，可用元器件计数法进行初步设计预计，以了解元器件的初步选择是否恰当，并为可靠性分配打下预计的基础，而当产品处于详细设计阶段的中期和后期，可用元器件应力分析法进行详细的设计预计，以便及时发现设计的薄弱环节或潜在能力，及时改进设计，以期达到优化设计的目的。
基于应力分析的导弹测试设备可靠性预测方法
(Navy Submarine Academy, Qingdao, 266199)
Abstract: Reliability of testing equipment is very important to operational use of missle weapon system, the reliability forecasting for missile testing equipment is analyzed based on stress aalysis. Missile testing equipment is composed mainly by electron devices including electric relay, connector, switch and indicator light, so reliability forecasting for these electron devices is analyzed respectively. The reliability forecasting for a type missle testing console is counted by this method. At last, the operating state and non-operating state failure rate curve are gaven. The most important devices for reliability forecasting can be found by stress analysis method, thus providing reliable data for increasing maintenance efficiency.
可靠性预计
应力法 主要修正因素
质量等级
元器件质量直接影响其失效率，不同质量等级对 元器件失效率的影响程度以质量系数 来表示。从 而，元器件工作失效率模型中的 值取决于元器件 的质量等级。
应力法 主要修正因素
环境温度
元器件在某一环境类别中，有相应的通用工作环 境温度和常用工作应力。
应力法
特点
谢 谢！
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标准：
NSWC-98是美国海军水面作战中心于98年发布的机械产品零部件预计 标准，给出了共计28种标准件的失效率预计模型，这些模型所考虑的因 素主要包括： 载荷； 几何形状及尺寸； 材料性能； 生产情况；
机械产品可靠性分析
机械产品的组成零部件非标准化程度高，其失效统计值很分 散，造成失效数据统计困难，难以像电子产品那样进行预计， 且机械产品不同失效模式之间往往是相关的，在进行可靠性分 析时需要考虑失效模式相关性，例如转动件的磨损往往是间隙 不当造成的。
机械产品的可靠性分析往往更注重失效模式分析而并非预计。 通过对失效模式和失效机理的研究，采用改进措施，防止失效 的发生。进行失效模式分析的主要手段是FMEA/CA。
可靠性预计标准
相关标准
GJB 299B/C MIL 217-F2/Plus IEC TR62380（RDF2000） Telcordia TR/SR NSWC
按设备、系统的可靠性模型初级预计设备、系统的平均故障
间隔时间等可靠性指标。
注意事项
尽早地进行可靠性预计，当可靠性预计值未达到可靠性分配 值及早注意，采取必要措施。 在各个阶段，应反复迭代进行。在方案论证和初步设计阶段， 缺乏信息，估计值，仍提供有效反馈信息。随着进展，产品定 义进一步确定和可靠性模型的细化，应反复进行。 预计结果的相对意义比绝对值更为重要。一般地预计值与实 际值的误差在一、二倍之内可认为是正常的。找出故障薄弱环 节，改进；可靠性预计结果是方案优选、调整的重要依据。 可靠性预计值应大于成熟期的规定值。
可靠性预计和分配
n
Rsy Riy
i（1 1）当各构成单元旳估计失效概率很小时旳可靠性分配
n
• 因为该系统为串联络统，故有 Rsy Riy ，因为 Rsy 1 qsy ，Riy 1 qiy
，则有
i 1
n
n
n2
1 qsy 1 qiy 1 qiy q jyq ky
1 n q1否需要进行可靠性分配
Rsy RAy RBy RCy RDy 0.9 0.92 0.94 0.96 0.747
因为
Rsy 0.747
不大于系统要求具有旳可靠度 Rsq 0.9
故对系统各构成单元必须进行可靠性分配。考虑此处估计公
式为近似公式，且构成单元中有旳失效概率不够小，为确保 一次分配成功，按 Rsq 0.9进1 行分配
分配旳含义： 给定系统可靠度 Rs* 要求 f (R1, R2,..., Rn ) Rs*
16
一、串联络统可靠性旳分配
1、等分分配法：把可靠度平均分给各个单元
n
Rs Ri i1
Ri
R1/ n s
i 1,2,...n
17
1-2利用估计值旳分配法
当对某一系统进行可靠性估计后，有时发觉该系统旳可 靠度估计值Rsy不大于要求该系统应该到达可靠度值Rsq。 此时必须重新拟定各构成单元（也涉及子系统）旳可靠度， 即对各单元旳可靠度进行重新分配。
R1 R2 R3 R4 R5
解：（1）判断对该系统是否要进行可靠度分配 因为在1000h时
R R R R R R (1000) (1000) (1000) (1000) (1000) (1000)
p
不影响系统失效旳并联单元l，k旳对数
3、上下限综合计算 系统可靠度旳预测值
可靠性预计
R2 R1R2 ( F3 R4 R5 R6 R7 R8 R3 F4 R5 R6 R7 R8 R3 R4 R5 R6 R7 F8 )
F3 F4 F8 R1R2 R8 ( ) R3 R4 R8 q n Fj R R( ) 其一般式为： 2 i R j 1 i 1 j
n--- 系统单元数； q--- 并联单元中一个元件故障发生后系统能正常工作的概率，此例q=6 ； Fj ,Rj------ 并联单元中一个故障元件的故障率和可靠度。
Rj 第二次预计：考虑系统的任一并联子系统中有 2 个单元失效，系统仍能正常工作的概率
i 1 j 1
第二次下限预计值 ：用于详细设计阶段电子设备的可靠性预计方法, 已具备了详细的元器件清单、电应力比、环境温度
等信息, 这种方法预计的可靠性比计数法的结果要准
确些。由于元器件的故障率与其承受的应力水平及
工作环境有极大的关系, 进入详细设计阶段, 取得了
元器件种类及数量、质量水平、工作应力、产品的 工作环境信息后, 即可用应力分析法结合元件计数法 预计设备的可靠性。
S Ni P
i 1
i
N
i
Ni 为第i种元器 P 为第i种元器件的故障率； 式中： 件的数量； N 为系统中元器件种类数。 系统的MTBFs 1
S
二、可靠性预计的步骤
①熟悉系统工艺流程，分析元件之间的 物理关系和功能。 ②根据系统和子系统、子系统和元件的 功能关系，画出逻辑框图。 ③确定元件的失效率或者不可靠度。 ④建立数学模型。 ⑤按元器件、子系统、系统顺序进行可 靠性估计。 ⑥列出可靠性预计的参考数据。 ⑦得出预计结论。
(1)上限 R上的预计
当系统中的并联子系统可靠性很高时， 可以认为这些并联部件或冗余部分的可 靠度都近似于1，而系统失效主要是由串 联单元引起的，因此在计算系统可靠度 的上限值时，只考虑系统中的串联单元。
可靠性预计简介
可靠性工程
第三部分 可靠性预计的方法与模型
1、电子类器件可靠性预计方法
2、可靠性常用预计模型
可靠性工程
元件可靠性预计方法
电子类器件常用的可靠性预计方法
• 元件计数法 • 应力分析法
可靠性工程
元件计数法
可靠性工程
元件计数法
可靠性工程
电子元器件的应力分析法
电子元器件应力分析法主要用于产品的详细 设计阶段，是对某种电子元器件在实验室的标准 应力与环境条件下，通过大量的试验，并对其试 验结果进行统计而得出该种元器件的故障率，我 们把这种故障称为“基本故障”。在预计电子元 器件工作故障率时，根据元器件的质量等级，应 力水平、环境条件等因素对基本故障率进行修正。 不同类别的元器件有不同的工作故障率计算模型。
可靠性工程
•
• •
可靠性预计分类
根据可靠性的定量要求 来划分: • 基本可靠性预计是用串联模型估计产品所有 部件对维修和后勤保障的要求 • 任务可靠性预计利用可靠性模型估计产品成 功地完成规定任务的概率
可靠性工程
第二部分 可靠性预计的工作流程
• 明确系统定义 • 确定系统的环境条件 • 建立系统可靠性模型，包括可靠性框图和可 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 和任务可靠性
可靠性工程
217F 环境类别
• AIF (Airborne, Inhabit Fighter) - 战斗机坐舱 • ARW (Airborne, Rotary Winged) - 直升机 • SF (Space, Flight, Commercial) - 宇宙飞行 • MF (Missile, Flight) - 导弹飞行 • MS (Missile, Launch) - 导弹发射 • CL (Cannon, Launch) - 加农(炮弹)发射
可靠性工程每章基本概念及复习要点
复习要点：❖可靠性❖广义可靠性❖失效率❖MTTF（平均寿命）❖MTBF（平均事故间隔）❖维修性❖有效性❖修复度❖最小路集及求解❖最小割集及求解❖可靠寿命❖中位寿命❖特征寿命❖研究可靠性的意义❖可靠性定义中各要素的实际含义❖浴盆曲线❖可靠性中常见的分布❖简述串联系统特性❖简述并联系统特性❖简述旁联系统特性❖简述r/n系统的优势❖并－串联系统与串－并联系统的可靠性关系❖马尔可夫过程❖可靠性设计的重要性❖建立可靠性模型的一般步骤❖降额设计的基本原理❖冗余(余度)设计的基本原理❖故障树分析优缺点广义可靠性：包括可靠性、维修性、耐久性、安全性。
可靠性:产品在规定时期内规定条件规定的时间完成规定功能能力。
耐久性：产品在规定的使用和维修条件下，达到某种技术或经济指标极限时，完成规定功能能力。
安全性：产品在一定的功能、时间、成本等制约条件下，使人员和设备蒙受伤害和损失最小的能力可靠度R(t)：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率累积失效概率F(t)：也称不可靠度，产品在规定条件下和规定时间内失效的概率失效概率密度f(t)：产品在包含t的单位时间内发生失效的概率失效率λ(t):工作到t时刻尚未失效的产品，在该时刻t后的单位时间内发生失效的概率。
基本：实验室条件下。
应用：考虑到环境，利用，降额和其它因素的实际使用环境条件下。
任务：元器件在执行任务期间，即工作条件下的基本不可修产品平均寿命MTTF：指产品失效前的平均工作时间可修MTBF：指相邻两次故障间的平均工作时间，称为平均无故障工作时间或平均故障间隔时间维修性：在规定的条件下使用的可维修产品，在规定的时间内，按规定的程序和法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力维修度M(t)：是指在规定的条件下使用的产品发生故障后，在规定的时间(0，t)内完成修复的概率。
修复率μ(t)：修理时间已达到某一时刻但尚未修复的产品在该时刻后的单位时间内完成修理的概率。
系统可靠性预计的方法
2.2上、下限法 上、下限法的基本思想是将复杂的系统先简单的看成是某些
单元的串联系统，求出系统可靠度的上限值和下限值。然后逐步考虑系统的复杂
情况，逐次求系统可靠度的愈来愈精确的值。
上、下限法的优点是对复杂系统特别适用。他不要求单元之间是相互独立的，
========================================第2页========================================
数学模型法优点是计算比较精确，缺点是比较麻烦，且需要画出系统的逻辑框图。
2.4应力分析法 应力分析法的步骤与元件计数法大致相同，只是应力分析法
要求更为详细的元器件失效模型和应力数据，故适用于设计后阶段。此方法需涉
及到大量的公式和图表。
用应力分析法预计的步骤是：
(1）计算出单个元器件的工作失效率λp；
上、下限值，最后通过综合公式得到系统的可靠度预计值。
2.3数学模型法 所谓数学模型法就是根据组成系统的各单元间的可靠性数学
模型，按概率运算法则，预计系统的可靠度的方法，他是一种经典的方法。
在工程上的具体计算步骤是：建立系统的可靠性逻辑框图及可靠性数学模型，
并利用相应的公式，依据已知条件求出系统的可靠度。
适用于热贮备和冷贮备系统，也适用于多种目的和阶段工作的系统。
在工程应用中具体方法是：首先假定系统中并联部分的可靠度为1，从而忽略了
他的影响，这样得到的系统可靠度显然是最高的，这就是上限值；其次假设并联
单元不起冗余作用，全部作为串联单元处理，这时处理方法最为简单，但得到的
是系统的可靠度最低值，这就是下限值；然后，逐步考虑某些因素以修正上述的
可靠性应力试验与应用
·660·可靠性应力试验与应用衣明华摘 要：应力试验可靠性最重要的试验之一，它能够激发和发现故障，通过设计改进，从而通过产品的可靠性。
也可以通过试验消除产品早期故障多发期的故障，以达到产品快速进入故障稳定期和低成本运行的目的。
关键词：可靠性；应力试验；应用可靠性应力试验，是通过施加不同的应力，来检验产品可靠性的方法。
施加的应力，可以是温度、湿度、盐雾度、大气压力（海拔高度）、振动等机械、化学应力，也可以是电压、电流等电应力，最常用的是温度和振动。
1 可靠性应力试验的方法可靠性应力试验就是在试验样品上施加所要求的应力类型，如：温度、湿度、振动等，然后进行功能测试，来发现应力变化所激发的产品故障。
我们下面以温度和振动为例来说明试验的具体方法。
1.1 温度应力试验1.1.1 温度应力试验过程温度应力试验过程是以步进的方式进行的。
温度步进应力试验一般先做低温再做高温，步进增量通常定用10℃。
为了使电子器件达到更高的温度，可能的情况下应该将塑料壳体等零部件拿开，以便不发生材料相变。
温度步进应力应该从常温+20℃开始，最低温度和最高温度应根据产品特性和试验的目标来确定。
图1 温度减小阶段·661·温度保持时间必须足够长，以确保温度完全稳定，并且设备及其器件被“浸透”，通常是根据样品热电偶的响应确定样品温度是否稳定，而后保持5到15分钟。
元器件的热量可用作最短或最长温度保持时间的工程判断。
功能测试应在温度稳定之后立即进行，也可以在整个温度应力上都进行。
图2 温度上升阶段1.1.2 温度工作极限连续施加温度步进应力，直到在某个温度等级上样品停止工作，将温度调至室温（+20℃）并保持15分钟，若样品恢复正常工作，则确定该温度为产品的温度工作极限。
一旦确定了工作极限，就可以确定试验的温度范围。
如果是非破坏性试验，就必须在温度工作极限范围内进行试验，还要留出适当的余量（例如20%），以保证不对部件造成损坏。
可靠性基础知识介绍
表1：电子元件累计失效统计
序号 失效时间范围h 失效数 累计数r(t) 仍在工作数Ns R(t) F(t)
10
0
0
110
1
0
2 0～400
6
6
104
0.945 0.055
3 400～800
28344 800～来自2003771
5 1200～1600 23
94
6 1600～2000 9
103
7 2000～2400 5
382
=
=4.33/h
3
平均修复时间MTTR，是度量产品维修性的重 要指标。
8、贮存寿命 产品在规定条件下存储时，仍能满足规定质量 要求的时间长度，称为贮存寿命。产品出厂后 即使不工作，在规定的条件下存贮，产品也有 一个非工作状态的偶然故障率，非工作的偶然 故障率比工作故障率小的多，但贮存产品的可 靠性也在不断下降，因此，储存寿命是度量产 品存储可靠性的一个不可忽视的度量参数。
=1000+1500+2000+2200+2300 5
=1800h
λ(t)= 1 = 1 =0.00056/h
MTTF 1800
R(t)
e= 0.000561800 = e1
例：有100个不可修复的电子产品进行试验， 在500小时内，3个坏掉了，到600小时时，又 有2个坏掉了，求λ(t)在500小时这个时刻的故 障率？ 已知：t=500h, △t=600-500=100，△r(t)=2，
故障率趋于常数，A、B区是耗损期到来之前产 品的主要使用期。 出现的偶然故障，只能通过统计方法来预测。 ③耗损故障期 产品使用很长一段时间后，故障迅速上升，直 至极度。此时的故障主要由产品的老化、疲劳、 磨损、腐蚀等原因引起。 对耗损故障可通过实验数据分析耗损期到来的 起始拐点，并通过预防维修来延长产品的寿命。
可靠性预计技术
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环境应力对产品可靠性的影响
环境越恶劣可靠性越差
温度应力会提高产品的故障率 振动应力会加速产品的疲劳 湿度和化学应力会缩短产品的寿命
环境应力和可靠性一般是指数关系：
温度－ Arrhenius 振动－ Coffin-Manson 湿度和其他－ Eyring
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Bellcore MethodI 举例
单元EXAMPLE的工作环境的修正因子为2.0,工作 温度为40摄氏度，电应力为50％。求运行单元在没 有做老化试验和在70摄氏度老化72小时情况下的预 计结果，其组成为：
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采用217F、299B对元器件预计
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元器件可靠性预计举例
例 : 现 有 一 128 位 的 MOS 型 可 编 程 只 读 存 储 器 （PROM），工作环境为宇宙飞行，质量等级为A2 级，密封扁平封装，管脚数（引出端数）为16个， 最大结温为75度，工作电压为12V，是稳定生产 的器件，求失效率。
Bellcore的后续标准为Telcordia Issue 1和 Telcordia Issue 2
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Bellcore 特点
方法 Method I Method II Method III
说明 考虑老化数据对可靠性预计结果修正 考虑实验 室数 据对 可靠 性预 计结 果修 正 考虑现场数据对可靠性预计结果修正
系统可靠性预计分析报告
系统可靠性预计分析报告在当今高度依赖技术的社会中，各种系统在我们的生活和工作中扮演着至关重要的角色。
从简单的家用电器到复杂的工业控制系统，从通信网络到交通运输设施，系统的可靠性直接影响着我们的生活质量、工作效率以及安全保障。
因此，对系统进行可靠性预计分析显得尤为重要。
一、系统可靠性预计的重要性系统可靠性预计是在系统设计阶段，通过对系统的组成部分、工作环境、使用条件等因素的分析，预测系统在规定的时间内和规定的条件下完成规定功能的能力。
其重要性主要体现在以下几个方面：1、为系统设计提供依据通过可靠性预计，可以在设计阶段发现系统可能存在的可靠性问题，从而采取相应的改进措施，优化系统设计，提高系统的可靠性。
2、评估系统性能可靠性预计可以帮助评估系统在不同工作条件下的性能表现，为系统的选型、配置和使用提供参考。
3、控制成本在设计阶段进行可靠性预计，可以避免在后期出现可靠性问题时进行大规模的整改和维修，从而有效地控制成本。
4、提高用户满意度可靠的系统能够满足用户的需求，减少故障和停机时间，提高用户的满意度和忠诚度。
二、系统可靠性预计的方法目前，常用的系统可靠性预计方法主要有以下几种：1、元器件计数法这种方法适用于初步设计阶段，通过对系统中各类元器件的数量和质量等级进行统计，结合相应的可靠性数据手册，计算系统的基本可靠性指标。
2、应力分析法应力分析法相对较为复杂，需要考虑元器件的工作应力（如温度、湿度、电压等）对可靠性的影响。
通过建立数学模型，分析应力与可靠性之间的关系，从而更准确地预计系统的可靠性。
3、故障模式影响及危害性分析（FMECA）FMECA 是一种自下而上的分析方法，通过对系统中各个元器件和组件的故障模式、故障影响以及危害程度进行分析，评估系统的可靠性，并提出改进措施。
4、可靠性框图法可靠性框图法通过绘制系统的功能框图，将系统分解为若干个相互独立的子系统或组件，然后根据它们之间的逻辑关系计算系统的可靠性指标。
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5.2.4 故障率预计法
一、基本概念 故障率预计法主要用于非电子产品的可 靠性预计，其原理与电子元器件的应力分 析法基本相同。 在实验室常温条件测得的故障率为基本 故障率，实际故障率为“工作故障率”。 对于非电子产品可考虑降额因子D和环境因 子K对λ的影响
二、计算公式 λ=λb*K*D
式中：
λ——工作故障率 λb——基本故障率 K，D——取值由工程经验确定
• 例5-3 硅二极管，JANTX级，作为功率整流 器用于固定地面环境，0.6最大额定电流和 40%额定电压，壳温（Tc）为60℃。该器 件的额定电流为5A，Ts=100℃、 Tmax=150℃，采用冶金键合接触，是预计 其故障率（国外元器件）
• 解：第一步是确定应力比因子（S），它等于最
大额定电流乘以校正因子（CF），可表示为
5.2.3 应力分析法
• 一、基本概念 应力分析法用于产品详细设计阶段的电子元器 件故障预计。这种方法也是基于概率统计，是对 某种电子元器件在实验室的标准应力与环境下， 通过大量实验，并对其实验结果进行统计而得出 该种元器件的故障率，我们把这种故障成为“基 本故障”。在预计电子元器件工作故障率是，根 据元器件的质量等级，应力水平、环境条件等因 素对基本故障率进行修正
S=0.6CF
当器件的Ts>25℃和Tmax<175 ℃时 CF=（Tmax-Ts）/150=(150-100)/150=0.33
S=0.6*0.333=0.2
T=Tc+(175-Tmax)=60 ℃+(175-150) ℃=85 ℃
• 补充例题：某设备选用一个金属膜电阻器， 其额定温度为70℃，额定功率为0.25W， 阻值为20kΩ，使用了一般地面环境GFI， 电阻器的工作环境温度为50℃，工作时此 电阻的耗散功率为0.1W，求该电阻的工作 失效率λp？
二、计算公式 λp＝λb（πE πQ πA πS2 πR πC） 式中：λb——元器件基本故障率； πQ——质量系数，不同质量等级同类器件取值不同； πE——环境系数，其数值取决于器件的种类和除温度外 的环境类别； πA——应用系数，指应用电路的影响因素，同一器件在不 同的线路中使用时，取值不同； πS2——电压应力系数，器件加不同电压时，取值不同； πR不同的取值； πC——结构系数（配置系数），相同类型的单管，双管， 复合管有不同的取值
• 解： 由5.1.4.2可知λp＝λbπEπRπθ • 计算应力比（或称降额系数）S＝工作功率/ 额定功率＝0.1/0.25＝0.4。 • T＝50℃，S＝0.4时，查表5.1.4.2－5，查得 λb＝0.009（10-6/h）。 • 阻值为20kΩ，查表5.1.4.2－3，查得πR＝1。 • 查表5.1.4.2－1，查得πE＝1.8。 • 查表5.1.4.2－2，查得πθ＝1。 • 计算该电阻的工作失效率λp • λp＝0.009×1.8×1×1＝0.0162（10-6/h）