北航可靠性工程导论
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北航可靠性与系统工程学院 20
2012/10/15
责任故障的确定
从属故障、误用故障、不再采用的设计引起
非关联以及事先规定的不属于责任范围
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
21
国内外标准上的故障定义
• Failure（失效）. An event in which an item does not perform one or more of its required functions within the specified limits under specified conditions -Mil-STD-2155 • Fault（故障）. A degradation in performance due to failure of parts, detuning, misalignment, maladjustment, and so forth. -Mil-STD-2155 • 故障（failure,fault）产品或产品的一部分不能或 将不能完成预定功能的事件或状态，对于某些产 品如电子元器件，弹药等称失效。-GJB451A
1）用他们的知识和技能造福于人类； 2）诚实、公正、忠诚地服务于公众、雇主和客户； ……
基本法则
1）工作师在工作中要把公众的安全、健康和福利放 在第一位。 ……
2012/10/15 北航可靠性与系统工程学院 15
The functions performed by the reliability engineer
——MIL-STD-785, Reliability Program for Systems and Equipment Development and Production
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
16
本节课程内容
一、产品设计与现代设计思想 二、可靠性的基本概念 三、可靠性工程与可靠性系统工程
3. 结 果 3. 结 果
产 品 图 纸 产 品 图 纸
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
10
为什么要讲授这门课程？
• 传统工程教育关注产品是如何工作的。 • 物理法则告诉我们，任何暴露在现实世界上的有 组织的系统都会受到各种随机因素的干扰，并且 自身会产生退化，使产品总是逼近故障。 • 工程师不仅要实现产品的功能，而且还要使失效 的状态得以合理的避免或延缓。 • 某些高可靠性的产品是由凭借优良传统经验及高 质量维护的设计和制造团队生产出来。 • 现代产品的开发风险对传统方法的效能提出了挑 战。 • 了解可靠性工程的原理和方法已成为现代工程的 一个必不可少的组成部分。
实 际 功 能 实 际 功 能
实 际 成 本 实 际 成 本
比 较 比 较
实 际 的 具 体 功 能 实 际 的 具 体 功 能 实 际 的 具 体 成 本 实 际 的 具 体 成 本
3 . 结 果 3 . 结 果
产 品 图 纸 产 品 图 纸
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
9
Yousef Haik’s Process (2003)
2012/10/15 北航可靠性与系统工程学院 11
产品故障
• 产品为什么会发生故障？
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
12
为什么工程产品会发生故障？
• 设计上的先天不足 • 产品以某种方式（往往是随机因素）处于过应 力状态或疲劳状态 • 变异、损耗导致的失效 • 潜在通路导致的失效 • 不正确的规范、设计和软件编码 • 错误的生产、组装或测试 • 使用或维护、维修不正确 • ……
• Tasks shall focus on the prevention, detection, and correction of reliability design deficiencies, weak parts, workmanship defects. Reliability engineering shall be an integral part of the item design process, including design changes。
20 min 23s
2012/10/15
具 体 功 能 具 体 功 能 1 . 功 能 阶 段 1 . 功 能 阶 段
技 术 要 求 和 详 细 成 本 技 术 要 求 和 详 细 成 本
1 . 1 确 定 总 体 功 能 结 构 1 . 1 确 定 总 体 功 能 结 构
1 . 1 确 定 特 殊 功 能 结 构 1 . 1 确 定 特 殊 功 能 结 构
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
2
产品设计
• 产品是如何设计出来的？
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
3
工程设计
• 概念
设计（design）是为构建有意义的秩序而付 出的有意识的直觉上的努力。 ——Victor Papanek 更详细的定义如下：
第一步：理解用户的期望、需要、动机，并理解业 务、技术和行业上的需求和限制 ； 第二步：将这些所知道的东西转化为对产品的规划 （或者产品本身），使得产品的形式、内容和行为变得 有用、能用，令人向往，并且在经济和技术上可行。
任 务 任 务 0. 任 务 表 述 阶 段 0. 任 务 表 述 阶 段 0.1产 品 环 境 说 明 和 分 析 0.1产 品 环 境 说 明 和 分 析
具 体 功 能 具 体 功 能 1. 功 能 阶 段 1. 功 能 阶 段
技 术 要 求 和 详 细 成 本 技 术 要 求 和 详 细 成 本
2.1外 形 设 计 及 材 料 选 择 2.1外 形 设 计 及 材 料 选 择
2 .2产 品 设 计 2 .2产 品 设 计
实 际 功 能 实 际 功 能
实 际 成 本 实 际 成 本
比 较 比 较
实 际 的 具 体 功 能 实 际 的 具 体 功 能 实 际 的 具 体 成 本 实 际 的 具 体 成 本
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
6
设计过程
• 设计过程是一系列事件的序列，这些事 件帮助定义设计的不同阶段，同时以一 种系统的方式来展开设计。
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
7
Johnson’s Process (1978)
1 1 问 题 定 义 和 说 明 问 题 定 义 和 说 明 市 场 调 查 市 场 调 查 信 息 搜 集 信 息 搜 集 前 人 的 工 作 前 人 的 工 作
硕士研究生课程《可靠性工程导论》
ห้องสมุดไป่ตู้
可靠性工程导论 基本概念
任 羿
办公室：为民楼609房间 电话：10-8231-3713 E-mail：renyi@buaa.edu.cn 北航可靠性与系统工程学院 可靠性综合设计与仿真实验室 2011年12月
本节课程内容
一、产品设计与现代设计思想 二、可靠性的基本概念 三、可靠性工程与可靠性系统工程
优 优 试 试
化 化 算 算
的 的 试 试
材 料 和 尺 寸 选 择 材 料 和 尺 寸 选 择 方 法 方 法 用 用
6 6
制 造 规 范 及 模 型 构 架 制 造 规 范 及 模 型 构 架
7 7
理 理 实 实
论 论 验 验
分 分 分 分
设 计 分 析 和 评 估 设 计 分 析 和 评 估 析 评 估 析 评 估 析 评 估 析 评 估 否 定 设 计 否 定 设 计
2 2
3 3
系 系 创 创 可 可
统 统 造 造 行 行
化 化 性 性 性 性
方 法 方 法 计 算 计 算
设 置 综 合 设 置 综 合
机 械 设 计 机 械 设 计 综 合 综 合
否 定 观 点 否 定 观 点 4 4 最 佳 配 置 选 择 最 佳 配 置 选 择
5 5
2012/10/15 北航可靠性与系统工程学院 18
可以洗地瓜的洗衣机
• 海尔在西南地区农村销售的洗衣机经常遭到质 量投诉 • 当地农民经常用洗衣机来洗地瓜和土豆，洗衣 机负荷大，泥土堵塞洗衣机的下水口。
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
19
产品故障及其分类
产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的 事件或状态，称之为故障。故障的表现形式，叫做 故障模式。引起故障的物理化学变化等内在原因， 叫做故障机理。 不可修产品（如电子元器件、弹药）：失效 1. 2. 3. 4. 5. 按发生规律：偶然故障与必然(渐变)故障； 按后果：灾难故障、严重故障和一般故障； 按原因：早期故障、耗损故障； 按统计特性：独立(原发)故障、从属(诱发)故障； 按责任：责任Vs.非责任故障；
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
17
可靠性的定义
可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完 成规定功能的能力。 Reliability is the capability of an item to perform a required function under stated conditions for a 可靠性定义的三要素 specified period of time. 这种能力的定量描述用概率。 1.可靠性用概率来度量（如可靠度）； 2.产品的可靠性与产品故障有紧密关系； 3.产品的可靠性一般与时间有关。
实 际 功 能 实 际 功 能
所 需 功 能 和 实 际 功 能 比 较 所 需 功 能 和 实 际 功 能 比 较
2 . 外 形 设 计 阶 段 2 . 外 形 设 计 阶 段
2 . 1 外 形 设 计 及 材 料 选 择 2 . 1 外 形 设 计 及 材 料 选 择
2 . 2 产 品 设 计 2 . 2 产 品 设 计
2012/10/15 北航可靠性与系统工程学院 13
风险认知
竞争 安全性 市场压力
管理侧重点
保证和服 务费用
Perceived Risk
用户需求
法律、法规 社会责任 研制风险
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
14
法律、社会责任
• 美国机械工程师协会（ASME）职业规范 工程师用以下行动来维护和发展工程职业 的诚信、荣誉和尊严
1.1确 定 总 体 功 能 结 构 1.1确 定 总 体 功 能 结 构
1.1确 定 特 殊 功 能 结 构 1.1确 定 特 殊 功 能 结 构
实 际 功 能 实 际 功 能
所 需 功 能 和 实 际 功 能 比 较 所 需 功 能 和 实 际 功 能 比 较
2. 外 形 设 计 阶 段 2. 外 形 设 计 阶 段
2012/10/15 北航可靠性与系统工程学院 23
任务剖面
1、是对产品在完成规定任务这段时间内所要经 41 C 14 min 24 s
36 C
历的全部重要事件和状态的一种时序描述（是 24 C 20 min16s
30 C
20 min 16 s
寿命剖面的一部分，如导弹的挂飞阶段和自由 飞阶段） 2、产品执行多种任务对应于多个任务剖面
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
4
工程设计
• 概念
工程设计是为满足目标需求而创造某种系统、 部件或方法的过程。 —— ABET(美国工程与技术鉴定委员会)
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
5
设计层次
•改装设计（Adaptive design） •改进设计（Development design） •全新设计（New design） •创新设计（Innovation design）
2012/10/15 Introduction to Reliability Engineering Conception 22
寿命周期与寿命剖面
产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的 全部事件和环境的时序描述。通常把产品的寿命剖面分 为后勤和使用两个阶段。它包含一个或多个任务剖面。
某导弹的寿命剖面示例
8 8 利 润 利 润
生 产 -分 销 - 消 费 -回 收 循 环 生 产 -分 销 - 消 费 -回 收 循 环
2012/10/15
北航可靠性与系统工程学院
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Dym’s Process (1994)
任 务 任 务 0 . 任 务 表 述 阶 段 0 . 任 务 表 述 阶 段 0 . 1 产 品 环 境 说 明 和 分 析 0 . 1 产 品 环 境 说 明 和 分 析
2012/10/15
责任故障的确定
从属故障、误用故障、不再采用的设计引起
非关联以及事先规定的不属于责任范围
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国内外标准上的故障定义
• Failure（失效）. An event in which an item does not perform one or more of its required functions within the specified limits under specified conditions -Mil-STD-2155 • Fault（故障）. A degradation in performance due to failure of parts, detuning, misalignment, maladjustment, and so forth. -Mil-STD-2155 • 故障（failure,fault）产品或产品的一部分不能或 将不能完成预定功能的事件或状态，对于某些产 品如电子元器件，弹药等称失效。-GJB451A
1）用他们的知识和技能造福于人类； 2）诚实、公正、忠诚地服务于公众、雇主和客户； ……
基本法则
1）工作师在工作中要把公众的安全、健康和福利放 在第一位。 ……
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The functions performed by the reliability engineer
——MIL-STD-785, Reliability Program for Systems and Equipment Development and Production
2012/10/15
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16
本节课程内容
一、产品设计与现代设计思想 二、可靠性的基本概念 三、可靠性工程与可靠性系统工程
3. 结 果 3. 结 果
产 品 图 纸 产 品 图 纸
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10
为什么要讲授这门课程？
• 传统工程教育关注产品是如何工作的。 • 物理法则告诉我们，任何暴露在现实世界上的有 组织的系统都会受到各种随机因素的干扰，并且 自身会产生退化，使产品总是逼近故障。 • 工程师不仅要实现产品的功能，而且还要使失效 的状态得以合理的避免或延缓。 • 某些高可靠性的产品是由凭借优良传统经验及高 质量维护的设计和制造团队生产出来。 • 现代产品的开发风险对传统方法的效能提出了挑 战。 • 了解可靠性工程的原理和方法已成为现代工程的 一个必不可少的组成部分。
实 际 功 能 实 际 功 能
实 际 成 本 实 际 成 本
比 较 比 较
实 际 的 具 体 功 能 实 际 的 具 体 功 能 实 际 的 具 体 成 本 实 际 的 具 体 成 本
3 . 结 果 3 . 结 果
产 品 图 纸 产 品 图 纸
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Yousef Haik’s Process (2003)
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产品故障
• 产品为什么会发生故障？
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12
为什么工程产品会发生故障？
• 设计上的先天不足 • 产品以某种方式（往往是随机因素）处于过应 力状态或疲劳状态 • 变异、损耗导致的失效 • 潜在通路导致的失效 • 不正确的规范、设计和软件编码 • 错误的生产、组装或测试 • 使用或维护、维修不正确 • ……
• Tasks shall focus on the prevention, detection, and correction of reliability design deficiencies, weak parts, workmanship defects. Reliability engineering shall be an integral part of the item design process, including design changes。
20 min 23s
2012/10/15
具 体 功 能 具 体 功 能 1 . 功 能 阶 段 1 . 功 能 阶 段
技 术 要 求 和 详 细 成 本 技 术 要 求 和 详 细 成 本
1 . 1 确 定 总 体 功 能 结 构 1 . 1 确 定 总 体 功 能 结 构
1 . 1 确 定 特 殊 功 能 结 构 1 . 1 确 定 特 殊 功 能 结 构
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产品设计
• 产品是如何设计出来的？
2012/10/15
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3
工程设计
• 概念
设计（design）是为构建有意义的秩序而付 出的有意识的直觉上的努力。 ——Victor Papanek 更详细的定义如下：
第一步：理解用户的期望、需要、动机，并理解业 务、技术和行业上的需求和限制 ； 第二步：将这些所知道的东西转化为对产品的规划 （或者产品本身），使得产品的形式、内容和行为变得 有用、能用，令人向往，并且在经济和技术上可行。
任 务 任 务 0. 任 务 表 述 阶 段 0. 任 务 表 述 阶 段 0.1产 品 环 境 说 明 和 分 析 0.1产 品 环 境 说 明 和 分 析
具 体 功 能 具 体 功 能 1. 功 能 阶 段 1. 功 能 阶 段
技 术 要 求 和 详 细 成 本 技 术 要 求 和 详 细 成 本
2.1外 形 设 计 及 材 料 选 择 2.1外 形 设 计 及 材 料 选 择
2 .2产 品 设 计 2 .2产 品 设 计
实 际 功 能 实 际 功 能
实 际 成 本 实 际 成 本
比 较 比 较
实 际 的 具 体 功 能 实 际 的 具 体 功 能 实 际 的 具 体 成 本 实 际 的 具 体 成 本
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设计过程
• 设计过程是一系列事件的序列，这些事 件帮助定义设计的不同阶段，同时以一 种系统的方式来展开设计。
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Johnson’s Process (1978)
1 1 问 题 定 义 和 说 明 问 题 定 义 和 说 明 市 场 调 查 市 场 调 查 信 息 搜 集 信 息 搜 集 前 人 的 工 作 前 人 的 工 作
硕士研究生课程《可靠性工程导论》
ห้องสมุดไป่ตู้
可靠性工程导论 基本概念
任 羿
办公室：为民楼609房间 电话：10-8231-3713 E-mail：renyi@buaa.edu.cn 北航可靠性与系统工程学院 可靠性综合设计与仿真实验室 2011年12月
本节课程内容
一、产品设计与现代设计思想 二、可靠性的基本概念 三、可靠性工程与可靠性系统工程
优 优 试 试
化 化 算 算
的 的 试 试
材 料 和 尺 寸 选 择 材 料 和 尺 寸 选 择 方 法 方 法 用 用
6 6
制 造 规 范 及 模 型 构 架 制 造 规 范 及 模 型 构 架
7 7
理 理 实 实
论 论 验 验
分 分 分 分
设 计 分 析 和 评 估 设 计 分 析 和 评 估 析 评 估 析 评 估 析 评 估 析 评 估 否 定 设 计 否 定 设 计
2 2
3 3
系 系 创 创 可 可
统 统 造 造 行 行
化 化 性 性 性 性
方 法 方 法 计 算 计 算
设 置 综 合 设 置 综 合
机 械 设 计 机 械 设 计 综 合 综 合
否 定 观 点 否 定 观 点 4 4 最 佳 配 置 选 择 最 佳 配 置 选 择
5 5
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可以洗地瓜的洗衣机
• 海尔在西南地区农村销售的洗衣机经常遭到质 量投诉 • 当地农民经常用洗衣机来洗地瓜和土豆，洗衣 机负荷大，泥土堵塞洗衣机的下水口。
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19
产品故障及其分类
产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的 事件或状态，称之为故障。故障的表现形式，叫做 故障模式。引起故障的物理化学变化等内在原因， 叫做故障机理。 不可修产品（如电子元器件、弹药）：失效 1. 2. 3. 4. 5. 按发生规律：偶然故障与必然(渐变)故障； 按后果：灾难故障、严重故障和一般故障； 按原因：早期故障、耗损故障； 按统计特性：独立(原发)故障、从属(诱发)故障； 按责任：责任Vs.非责任故障；
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17
可靠性的定义
可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完 成规定功能的能力。 Reliability is the capability of an item to perform a required function under stated conditions for a 可靠性定义的三要素 specified period of time. 这种能力的定量描述用概率。 1.可靠性用概率来度量（如可靠度）； 2.产品的可靠性与产品故障有紧密关系； 3.产品的可靠性一般与时间有关。
实 际 功 能 实 际 功 能
所 需 功 能 和 实 际 功 能 比 较 所 需 功 能 和 实 际 功 能 比 较
2 . 外 形 设 计 阶 段 2 . 外 形 设 计 阶 段
2 . 1 外 形 设 计 及 材 料 选 择 2 . 1 外 形 设 计 及 材 料 选 择
2 . 2 产 品 设 计 2 . 2 产 品 设 计
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风险认知
竞争 安全性 市场压力
管理侧重点
保证和服 务费用
Perceived Risk
用户需求
法律、法规 社会责任 研制风险
2012/10/15
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法律、社会责任
• 美国机械工程师协会（ASME）职业规范 工程师用以下行动来维护和发展工程职业 的诚信、荣誉和尊严
1.1确 定 总 体 功 能 结 构 1.1确 定 总 体 功 能 结 构
1.1确 定 特 殊 功 能 结 构 1.1确 定 特 殊 功 能 结 构
实 际 功 能 实 际 功 能
所 需 功 能 和 实 际 功 能 比 较 所 需 功 能 和 实 际 功 能 比 较
2. 外 形 设 计 阶 段 2. 外 形 设 计 阶 段
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任务剖面
1、是对产品在完成规定任务这段时间内所要经 41 C 14 min 24 s
36 C
历的全部重要事件和状态的一种时序描述（是 24 C 20 min16s
30 C
20 min 16 s
寿命剖面的一部分，如导弹的挂飞阶段和自由 飞阶段） 2、产品执行多种任务对应于多个任务剖面
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4
工程设计
• 概念
工程设计是为满足目标需求而创造某种系统、 部件或方法的过程。 —— ABET(美国工程与技术鉴定委员会)
2012/10/15
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5
设计层次
•改装设计（Adaptive design） •改进设计（Development design） •全新设计（New design） •创新设计（Innovation design）
2012/10/15 Introduction to Reliability Engineering Conception 22
寿命周期与寿命剖面
产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的 全部事件和环境的时序描述。通常把产品的寿命剖面分 为后勤和使用两个阶段。它包含一个或多个任务剖面。
某导弹的寿命剖面示例
8 8 利 润 利 润
生 产 -分 销 - 消 费 -回 收 循 环 生 产 -分 销 - 消 费 -回 收 循 环
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Dym’s Process (1994)
任 务 任 务 0 . 任 务 表 述 阶 段 0 . 任 务 表 述 阶 段 0 . 1 产 品 环 境 说 明 和 分 析 0 . 1 产 品 环 境 说 明 和 分 析