可靠性设计、分析、试验技术

产品可靠性还可分为基本可靠性和任务可靠性。
基本可靠性是产品在规定条件下无故障的持续时间或 概率，它反映产品对维修人力的要求。因此在评定产品基 本可靠性时应统计产品的所有寿命单位和所有故障，而不 局限于发生在任务期间的故障，也不局限于是否危及任务 成功的故障。
任务可靠性是产品在规定的任务剖面内完成规定功能 的能力。评定产品任务可靠性时仅考虑在任务期间发生的 影响完成任务的故障。
试验故障统计表
故障数(个) 累积故障数（个） 时间（小时）
0
0
1
1
1
2
1
3
1
4
500-600 600-700 700-800 800-900 900-1000
故障数(个)
6 3 2 0 0
累积故障数 (个) 10
13 15 16 16
Ft
F t
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
t (×100h)
可靠性常用度量参数
可靠度
产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功
能的概率称为可靠度，一般用 Rt表示。若产品的总数为
N0，，工作到t时刻产品发生的故障数为r(t) ，则产品在时
刻的可靠度的观测值为： Rt
N0
r t
N0
故障率 工作到某时刻尚未发生故障的产品数，在该时刻后
单位时间内发生故障的概率，称之为产品的故障率。故障
Ｒs=0.348
2.5并联系统可靠性模型
❖ 并联系统：组成系统的 所有子系统都发生失效 系统才发生故障．
❖ 框图： ❖ 可靠性数学模型
n
Rs t 1 1 Ri t i 1
1
2 ••• n 并联系统框图
2.5并联系统可靠性模型
当系统各单元的寿命分布为指数分布时，
对n个相同单元的并联系统，有：
可靠度函数、累积故障分布函数
如前所述，产品可靠度是产品在规定条件下规定时间 完成规定功能的概率，描述的是产品功能随时间保持的概
率，即产品可靠度是时间的函数，一般用R(t)表示，产品
的可靠度函数即：
R(t)=P(T >t) 式中：T——产品发生故障的时间；
t——规定的时间。
时间(小时)
0——100 100-200 200-300 300-400 400-500
设计特性是指与保障有关的设计特性，如 与可靠性和维修性有关的，以及保障资源 要求产品所具有的设计特性。这些设计特 性可以通过设计直接影响产品的硬件和软 件。如使设计的产品便于操作、检测、维 修、装卸、运输、消耗品（油、水、气、 弹）补给等设计特性。从保障性角度看， 良好的保障设计特性是使产品具有可保障 特性或者说所设计的产品是可保障的。
按故障引起的后果可分为致命性故障和非致命性故 障。前者会使产品不能完成规定任务或可能导致人或物的 重大损失、最终使任务失败，后者不影响任务完成，但会 导致非计划的维修。按故障的统计特性又可分为独立故障 和从属故障。前者是指不是由于另一个产品故障引起的故 障，后者是由另一产品故障引起的故障。在评价产品可靠 性时只统计独立故障。
Rs t 1 1 eλit h
T
Rs tdt
0
1 λ
1 2λ
பைடு நூலகம்
1 nλ
2.6工程应用要点
• 系统越复杂，产品可靠性越低．因此简化设计是提 高产品可靠性最有效的途径．
• 采用并联的系统，可靠性明显提高，尤其当n=2时， 提高更明显，当并联过多，可靠度提高大为减慢．
• 并联系统提高的是任务可靠性，但并联会使产品变 得复杂，而产品基本可靠性会降低，同时并联会使 体积、重量、成本增加．因此，是否采用并联要综 合权衡．一般在涉及安全性和关键任务可靠性要求 时采用．
MTTF et dt 1/
0
平均故障间隔时间（MTBF） 一个可修产品在使用过程中发生了N0 次故障，每次
故障修复后又重新投入使用，测得其每次工作持续时间 为t1,t2, …tN0 。其平均故障间隔时间MTBF为：
MTBF
1 N0
N0
ti
i1
T N0
贮存寿命 产品在规定条件下贮存时，仍能满足规定质量要求
三、可靠性预计
3.1目的
❖ 大致估计整机可能的可靠性 ❖ 发现潜在薄弱环节
标准：
GJB813-90《可靠性模型的建立和可靠性预计》 GJB/Z299B—98《电子设备可靠性预计手册》 MIL-HDBK—217F《电子设备可靠性预计》
3.2可靠性预计-方法1
方法１ ❖ 元器件计数法
n
λs Ni bπQ
可靠性设计、分析、试验技术
李良巧
目录
一． 可靠性基本概念 二． 可靠性模型 三． 可靠性预计 四． 可靠性分配 五． FMEA/FTA 六． 可靠性设计准则 七． 电路容差分析 八． 元器件降额设计
九． 热设计 一○．安全性设计与分析 一一．机械可靠性概述 一二．软件可靠性 一三．可靠性试验与评价 一四．环境应力筛选 一五．可靠性研制试验 一六．可靠性鉴定验证试验
的时间长度。 产品出厂后，即使不工作，在规定的条件下贮存，
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得多，但贮存产品的可靠性也是 在不断下降的。因此，贮存寿命是产品贮存可靠性的一 种度量参数。
2.维修性
维修性定义：产品在拟定的条件下和规定 的时间内，按规定的程序和方法进行维修时， 保持或恢复到规定状态的能力。 概率表示为 维修度M ❖关注焦点：维修简便、快速、经济 ❖维修性是对可靠性的重要补充 ❖维修性是产品固有属性、是设计出来的 ❖维修是一种活动，产品故障后为恢复其性能 的活动
维修性定性定量要求
定性要求：
❖ 良好可达性 ❖ 高的标准化和互换性 ❖ 完善的防差错措施及识别标识 ❖ 良好的测试性 ❖ 保障维修安全 ❖ 符合维修的人—工程要求
定量要求
❖ 平均修复时间MTTR ❖ 最大维修时间M maxct 给定维修度的最
大维修时间M一般0.9-0.95 M maxct约等于2-3MTTR
2.2、可靠性模型 ❖ 可靠性框图模型 ❖ 可靠性数学模型
2.3串联系统可靠性模型
➢ 串联系统：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．
➢ 可靠性框图:
1
2 ••• n
➢ 可靠性数学模型：
n
Rs t Ri t
i 1
➢ 若单元的寿命分布为指数分布，则：
Ri t eλit
故障及其分类 故障是指产品不能执行规定功能的状态。 失效是指产品丧失完成规定功能能力的事件。 故障模式是指产品故障的表现形式，如三极管的短
路或开路、灯丝的烧断等。 故障机理是指引起产品故障的物理、化学或生物等
变化的内在原因。
按故障的规律可分为偶然故障和耗损故障。偶然故 障是由于偶然因素引起的故障，其重复出现的风险可以 忽略不计，只能通过概率或统计方法来预测。耗损故障 是通过事前检测或监测可预测到的故障，是由于产品的 规定性能随时间增加而逐渐衰退引起的。耗损故障可以 通过预防维修，防止故障的发生，延长产品的使用寿命。
i 1
❖ Ni─ 第 i 种元器件数量 ❖ λb ─ 第 i 种元器件基本失效率(1/h) ❖ Q ─ 第 i 种元器件通用质量系数 ❖ n ─ 整机所用元器件的种类数
3.3 可靠性预计-方法2
❖ 应力分析法：如普通二极管工作失效率预计模型 ❖ p = bEQACRS2 ❖ p －工作失效率 ❖ b －基本失效率 ❖ E －环境系数 ❖ Q －质量系数：考虑不同组件的质量水平 ❖ A －应用系数：考虑对电路功能影响 ❖ C －结构系数：考虑封装影响 ❖ 之R比－额定功率或电流系数，与最大功率或电流额定值 ❖ S2－电压应力系数
❖ 修复时间中值~M ct M(t)=0.5的维修时间 又叫中位修复时间
3.可用性
可用性：产品在任意时刻需要和开始执行 任务时，处于可工作或可使用的程度。概 率度量为可用度 ❖ 开则能动，召之即来 ❖ 固有可用度Ai:仅与工作时间和修复性时间 有关的一种可用性。是设计特性
MTBF Ai=————————
2.4串联系统可靠性模型
若每个单元工作时间与系统时间相同，且单元也服 从指数分布，则
n
n
n
λit
Rs t
Ri t
e e e λit
i1
λst
i 1
i 1
n
λs λi i 1
系统平均故障间隔时间MTBF
T
1 λs
1
n
λi
i 1
若由10个都等于0.9的单元组成串联系统，则
一、可靠性基本概念
（含维修性、测试性、可用性、保障性）
1.可靠性
可靠性定义： 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。可靠性的概率度量亦称可靠度。 产品指的是新版ISO9000中定义的硬件和流程性材料
等有形产品以及软件等无形产品。 “规定时间”和产品可靠性关系也极为密切。 “规定的功能”指的是产品规格书中给出的正常工
率一般用 t 表示。
一般情况下，t 可用下式进行工程计算：
t
r t Ns tt
平均故障前时间（MTTF）
设 N0 个不可修复的产品在同样条件下进行试验，
测得其全部故障时间为 t1, t2 , …tN0。其平均故障前时间
（MTTF）为：
MTTF
1 N0
N0
ti
i1
当产品的寿命服从指数分布时，
❖ 虚警率：在规定的时间内发生的虚警率数
（NFA）与同一时期内故障总数NF之比
r NFA FA=____________* 100% NF + NFA
6.保障性
系统产品的设计特性和计划的保障资源满足 平时和战时使用要求的能力称为保障性。 保障性也是产品的一种重要的固有属性。 它包含两方面含义，即与产品保障有关的 设计特性和保障资源的充足和适用程度。
MTBF+MTTR
❖ 可达可用性：仅与工作时间和修复性和预 防性维修时间有关 MTBMA Aa=______________ MTBMA+MMT
MTBMA-平均维修活动间隔时间 MMT-平均维修时间
❖ 使用可用性：与能工作时间和不能工作时 间有关的一种可用性 MTBMA
Ao=___________________
MTBMA+MDT
MDT-平均停机时间
4.系统效能
系统效能：系统在规定条件和规定时间内满 足一组特定任务要求和程度。
E= A D C ❖ 人的效能=健康可干（A）* 干而无病（D）
* 能力（C） ❖ 系统效能=召之即来 * 来之能战 * 战之能胜
5.测试性
测试性：产品能及时并准确地确定其状态（可工作、 不可工作或性能下降）并隔离其内部故障的能力。
故障检测率：产品在规定时间内，在规定的条件下， 用规定的方法能够准确检测出的故障数（No）与 所发生故障总数（Nt）之比：
rFD =No/Nt * 100 %
❖ 故障隔离率:
rFI :用规定的方法将检测到的故障正确隔离
到不大于规定模糊度的故障数Nl与检测到故 障总数Nd
rFI=-----N--l-* 100% Nd
维修的种类
❖ 预防性维修：通过系统维修检查、检测和 消除产品的故障征兆，使其保持在规定状 态进行的全部活动。包括预先维修，定时 维修，视情维修和故障检查等
❖ 修复性维修：产品发生故障后，使其恢复 到规定状态进行的全部活动。它可以包括 下述一个或多个步骤：故障定位，故障隔 离，分解、更换、组装、调校及检测等， 也称修理。
3.4可靠性预计-方法3,4
❖ 方法３ 相似产品预计法
❖ 方法４ 专家评分法
3.5可靠性预计－工程要点
1. 预计的绝对值意义不大．不同方案间预计的相对值 更有意义，可比较方案的可靠性好坏．
2. 预计时，一定要找出值相对较高的组件，并对其 采取措施加以预防．
3. 预计值必须大于规定的可靠性要求 4. 系统可靠性预计时要注意各单元的运行比影响．
保障资源是保证产品完成平时和战时使用 的人力和物力。从保障性的角度看，充足 的并与产品匹配完善的保障资源说明产品 是能得到保障的。
产品具有可保障的特性和能保障的特性才 是具有完整保障性的产品。
二、可靠性建模
2.1、目的 --用于可靠性定量分配、预计和评价
（GJB813-90《可靠性模型的建立和可靠性预计》）
5. 任务可靠性模型只能用于任务可靠性预计，不能 用于基本可靠性预计．
6. 基本可靠性预计是基于全串联系统的可靠性预 计．
作的性能指标。
产品的可靠性一般可分为固有可靠性和使用可靠性。 产品固有可靠性是产品在设计、制造中赋予的，是产 品的一种固有特性，也是产品的开发者可以控制的。而产 品使用可靠性则是产品在实际使用过程中表现出的一种性 能的保持能力的特性，它除了考虑固有可靠性的影响因素 之外，还要考虑产品安装、操作使用和维修保障等方面因 素的影响。