1、系统可靠性设计,目 录,系统与系统可靠性的基本概念可靠性预测可靠性分配系统可靠性最优化可靠性分析,系统与系统可靠性的基本概念,系统的组成与类型,系统：由某些彼此相互协调工作的零部件、子系统组成的，为了完成某一特定功能的综合体。,单元：组成系统并相互独立的机件或元件。,系统与单元是相对的概念。,系统与系统可靠性的基本概念,系统可靠性的基本概念,系统的可靠性不仅与组成系统各单元的可靠性有关，而且也与组成该系统各单元间的组合方式和相互匹配有关。,在系统的工作过程中，由于各种载荷的作用，组成系统的各个单元的功能参数会逐渐劣化，可能导致该系统发生故障。为简化计算，认为单元的失效均为独立事件，与其他单元无
2、关。,系统与系统可靠性的基本概念,系统可靠性设计目的,系统可靠性设计（Reliability Design）就是通过预测、分配、分析、改进等一系列可靠性计算和可靠性工程活动，把定量的可靠性目标设计到技术文件和图纸中去，形成系统的固有可靠性。,使系统在满足规定的可靠度指标、完成预定功能的前提下，使该系统的技术性能、重量指标、制造成本及使用寿命等取得协调并达到最优化的结果；或者在性能、重量、成本、寿命和其他要求的约束下，设计出高可靠性系统。,系统与系统可靠性的基本概念,系统可靠性设计方法,按照已知零部件或各单元的可靠性数据，计算系统的可靠性指标； 按照已给定的系统可靠性指标，对组成系统的单元进行可
3、靠性分配，并在多种方案中比较、选优。,系统可靠性设计,系统与系统可靠性的基本概念,确定可靠性指标的基本原则与要求,1.要根据用户或上级部门对产品可靠性要求，使用目的及功能来确定可靠性指标； 2.可靠性指标要有一定先进性； 3.要考虑到生产方研制工作的可靠性水平，注意可靠性指标的可行性； 4.对于复杂的系统或需要采用先进工艺的产品，设计时可靠性一般不需要求进度；已经过考验的产品，设计时应提出较高的可靠性要求； 5.对于会涉及人身生命安全情况的产品，一般要采用长寿命、低失效概率设计； 6.根据当时的技术水平和使用要求，制订出大致的可靠性指标，然后随着技术进步不断修正，最终达到合理的可靠性指标。,可
4、靠性预测,可靠性预测是在产品的设计阶段，运用以往的工程经验、故障数据，当前的技术水平，尤其是以元器件、零部件的失效率作为依据，预报产品实际可能达到的可靠度。,可靠性预测,可靠性预测的目的,检验所做设计是否满足给定的可靠性指标，预测产品的可靠度值； 在方案论证阶段，通过可靠性预测，根据预测结果的相对性进行方案比较，选择最优方案； 综合设计参数及性能指标要求，以达到合理提高产品可靠性的目的； 发现影响产品可靠性的主要因素，找出薄弱环节，采取必要措施，降低产品的失效率，提高其可靠度； 为可靠性增长试验、验证试验及费用核算等方面提供依据； 通过可靠性预测为可靠度分配奠定基础。,可靠性预测,单元可靠性预
5、测,预测元器件、零部件的直接方法是通过收集大量元器件、零部件的使用数据用统计分析方法来确定。,电子元器件应力分析法,应力分析法的基本原则就是通过元器件应力分析得出与温度及负荷系数呈函数关系的基本失效率的数学模型，再考虑各种因素的影响，引进修正系数来估算元器件的使用失效率。,可靠性预测, ：使用失效率 ：基本失效率 ：环境系数 除温度以外产品能正常工作的环境应力对元器件失效率影响的修正系数。 ：取决于元器件的应用，表示线路功能对失效率的影响的修正系数。 ：质量系数 工艺质量的控制系数。,可靠性预测,分立半导体器件，其使用失效率的数学模型为：, ：地面实验室环境为1，车载为5.8，导弹发射为41，
6、火炮发射为690； ：线性电路为1.5，开关电路为0.7； ：特军级为0.24，普军级为1.2，市售的为6.0，塑封器件为12.0； ：额定系数，如小于1瓦为1.0，15瓦为1.5，520瓦为2.0； 2 ：电压应力系数，2=1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5时， 2 =3.0、2.2、1.6、1.2、0.88、0.65； ：复杂度系数，单个晶体管为1.0，对管为2.0。,可靠性预测,机械零件的可靠性预测,统计实验法应力-强度干涉法经验法,当前我国开展可靠性工作的困难在于各生产厂家都没有给出所生产零部件的失效率数据，只能参考国外资料，如美国可靠性手册MIL-HDBK-217B等，再
7、将国内生产的零部件做些抽样试验来确定。,可靠性预测,一些机械零部件的基本失效率,可靠性预测,可靠性预测,系统可靠性预测,系统可靠性功能逻辑图,在可靠性工程中，常用系统的结构图和逻辑图来描述系统与各单元之间的关系。,结构图,各单元之间的物理关系,逻辑图,各单元之间的功能关系,可靠性预测,简单的可靠性逻辑图,串联系统,并联系统,可靠性预测,结构图与逻辑图,结构图,逻辑图,可靠性预测,数学模型法,串联系统的可靠性预测,串联系统正常工作时间为随机变量，组成该系统的第个单元的正常工作时间随机变量为 。,在串联系统中，要使系统正常工作，就必须要求组成系统的个单元都能同时正常工作，并且每一个单元的正常工作时
8、间 都大于系统正常工作时间。,可靠性预测,串联系统的可靠度,可靠性预测,可靠性预测,若零件寿命服从指数分布,系统工作的平均寿命,可靠性预测,由四个零件组成的串联系统中，零件的可靠度分别为： 1 =0.9， 2 =0.8， 3 =0.7， 4 =0.6，求该系统的可靠度。,解,串联系统的可靠度 = =1 ,串联系统可靠度总是小于组成该系统的任何一个单元的可靠度。,可靠性预测,并联系统的可靠性预测,在并联系统中，只有当组成系统的每一个单元都失效以后，系统才失效。,可靠性预测,并联系统的可靠度,并联系统的可靠度总是大于系统中任何一个单元的可靠度，且并联单元数越多，则系统的可靠度越大。,可靠性预测,并
9、联系统可靠度与并联单元数及单元可靠度的关系,可靠性预测,机械系统中，实际上应用较多的是=2的情况，当=2时，并联系统的可靠度为,若单元的可靠度函数为指数函数，则,并联系统的失效率为,可靠性预测,并联系统的平均寿命为,通常情况下，两个单元的失效率并不相等，并联系统的可靠度和平均寿命为,可靠性预测,由四个零件组成的并联系统中，零件的可靠度分别为： 1 =0.9， 2 =0.8， 3 =0.7， 4 =0.6，求该系统的可靠度。,解,并联系统的可靠度,可靠性预测,贮备系统的可靠性预测,当并联系统中只有一个单元工作，其他单元不工作而作贮备，而当工作单元失效，则贮备单元中的一个立即转化为工作状态，使系统
10、始终处于工作状态，则这种系统称为贮备系统或后备冗余系统。,在由n个单元组成的贮备系统中，如果故障检查器与转换开关可靠度很高（接近于1），则在给定的时间t内，只要累积的失效单元数不多于（n-1）个，则系统不会失效。,可靠性预测,假如故障检查器与转换开关的可靠度为1时，两个单元的贮备系统的可靠度,若两个单元的失效率为常数时，上式可变为,此时对于两单元贮备系统的平均寿命为,可靠性预测,由n个单元组成的贮备系统，若转换开关的可靠度为1，且各单元的失效率都为常数时，系统的可靠度,可靠性预测,表决系统的可靠性预测,机械系统、电路系统、自动控制系统等常采用最简单的三中取二表决系统，记为2/3（G）系统。,若
11、 1 = 2 = 3 =,可靠性预测,如果各单元失效时间随机变量服从指数分布，其失效率为常数时，则系统的可靠度,对于2/3（G）系统，当各单元的可靠度相同且都为R时，该系统的可靠度,系统的平均寿命,可靠性预测,混联系统的可靠性预测,一般情况下，将混联系统转化为等效串联系统的方法来计算系统的可靠度。,可靠性预测,可靠性预测,2K-H型行星齿轮机构的见图如图所示。如果太阳轮a，行星轮g及齿圈b的可靠度分别为 ， 1 = 2 = 3 = 及 ，且 =0.995， =0.999， =0.990，求行星齿轮机构的可靠度。设任一齿轮的失效是独立事件。,可靠性预测,解,因只要有一个行星轮不发生失效，则该行星
12、轮子系统就可以正常工作，故三行星轮之间的功能关系为并联。若不考虑轴、轴承、键，壳体等的可靠度，则该行星轮机构整个系统的逻辑图如图所示。,并联子系统的可靠度,等效串联系统的可靠度,可靠性预测,思考,在贮备系统中，若故障检查器及转换开关的可靠度 1时，贮备系统的可靠度如何计算？如何解释单元失效率为常数的表决系统的平均寿命低于并联系统的平均寿命，并联系统的平均寿命又低于贮备系统（故障检查器及转换开关的可靠度为1）的平均寿命？,可靠性预测,布尔真值表法,设系统由n个单元组成，且各单元均有“正常”与“失效”两种状态。对系统所有单元的状态逐一分析，即可得出该系统可正常工作的状态有哪几种，并可分别计算其正常
13、工作的概率，相加后得到系统的可靠度。,这种方法又称为状态穷举法。,可靠性预测,可靠性预测,上下限法,系统的可靠性预测值应低于系统可靠性的上限，高于系统可靠性的下限，上限值 ，下限值 。,可靠性预测,上限值计算,第一步，先假设系统中所有并联贮备单元的可靠性为1，也就是把系统中所有串联单元可靠性之积，作为系统可靠上限的估计值。,m:系统中所有的串联单元数Ri:第i个单元的可靠度,可靠性预测,第二步，再考虑有一对（两个）并联单元失效的概率，并把这一概率从系统可靠性上限值中减去，以降低上限值，更接近真值。,:为一对并联单元失效引起系统失效的状态数 、 :第k对k，k单元的失效概率,可靠性预测,可靠性预
14、测,下限值计算,第一步，先把系统中所有单元都看作是串联的,n:系统中所有的单元数Ri:第i个单元的可靠度,可靠性预测,第二步，如果系统中有一个并联单元失效，系统正常工作的概率,可靠性预测,m:系统中串联单元数q :系统中并联单元数 + :并联单元的可靠度,可靠性预测,第三步，并联单元中有两个单元失效，系统仍能正常工作的概率,p：两个单元失效，系统能正常工作的状态数k、l：同时失效仍不引起系统失效的非串联单元对,可靠性预测,可靠性预测,上、下限综合计算,m：脚标值，上、下限的脚标必须相同,据经验，当 时，即可采用上下限法进行综合计算。,可靠性预测,思考,尝试用上下限法预测该系统的可靠度，并与数学
15、模型法计算所得结果进行比较，并就结果给出自己的工程（数学）解释。,可靠性分配,系统可靠性分配是可靠性设计的主要内容之一，在作系统设计时，在设计的构思和定义阶段，根据需要和国内外同类产品的水平，以及实际的生产能力，首先要提出一定的可靠性指标，在已知系统可靠性指标以后，根据组成系统的单元及单元之间的具体情况来分配其可靠度。,可靠性分配,可靠性分配：是指将工程设计规定的系统可靠度指标合理地分配给组成该系统的各个单元，确定系统各组成单元（总成、分总成、组件、零件）的可靠性定量要求，从而使整个系统可靠性指标得到保证。,可靠性分配实际上是最优化问题，目标函数和约束条件不同，可靠性分配的方法不同。1以可靠性
16、指标为目标函数，成本、体积、寿命等作为约束条件。2以成本、体积等尽可能小为目标函数，可靠性指标为约束条件。,可靠性分配,可靠性分配的目的1落实系统的可靠性指标；2明确对各系统或零部件的可靠性要求；3暴露系统的薄弱环节，促进设计、制造、试验方法的改进与提高；4按最优化方法作可靠性分配，能更加全面地衡量系统的重量、体积、成本、研制周期、性能等因素，以期获得合理的系统设计。,可靠性分配,可靠度分配的注意事项1随着单元可靠度的技术水平的提高，所分配的可靠度也相应增大； 2单元在系统中的重要性愈高，分配给的可靠度就愈高； 3对具有相同重要性、工作周期的单元，应分配给相同的可靠度； 4对于复杂度高的分系统
17、或设备等，应分配较低的可靠性指标； 5对于技术上不成熟的产品，分配较低的可靠性指标； 6对于在恶劣环境条件下工作的产品，应分配较高的可靠性指标； 7对于便于维修的产品，分配的可靠性可低些。,可靠性分配,等分配法,串联系统,当系统中n个单元具有近似的复杂程度、重要性以及制造成本时，可采用等分配法来分配系统各单元的可靠度。这种分配方法的另一出发点是考虑到串联系统的可靠度往往取决于系统中的最弱单元，因此，对其它单元分配以高可靠度没有意义。,可靠性分配,并联系统,当系统的可靠度指标要求很高，而选用已有单元又不能满足要求时，可选用n个相同单元的并联系统，这时单元的可靠度 可大大低于系统的可靠度 。,可靠
18、性分配,串并联系统,利用等分配法对串并联系统进行可靠性分配时，可先将串并联系统简化为“等效串联系统”和“等效单元”，再给同等级等效单元分配以相同的可靠度。,可靠性分配,再分配法,如果已知串联系统（或串并联系统的等效串联系统）各单元的可靠度预测值 1 ， 2 ， ，则系统的可靠度预测值 为,若,可靠性分配,令,并找出m值，使,可靠性分配,则单元可靠度的再分配可按以下方式进行,可靠性分配,设有串联系统4个单元的可靠度预测值由小到大的排列为 1 =0.9507， 2 =0.9570， 3 =0.9856， 4 =0.9998。若涉及规定串联系统的可靠度 =0.9560，试进行可靠度再分配。,解,设=
19、1，则 0 为,可靠性分配,设=2，则 0 为,因此，分配有效，再分配的结果为,可靠性分配,思考,利用等分配法进行单元可靠度分配时，我们必须要注意哪些因素？试说明等分配法与成本控制、生产制造等方面的关系？利用再分配法进行单元可靠度分配时，如何更快更准确的找到“阀值 0 ”？,可靠性分配,相对失效率法 相对失效概率法,相对失效率法是使系统中各单元的容许失效率正比于该单元的预计失效率值，并根据这一原则来分配系统中各单元的可靠度。此法适用于失效率为常数的串联系统。,相对失效概率法是使系统中各单元的容许失效概率正比于该单元的预计失效概率值来分配系统中各单元的可靠度。,可靠性分配,串联系统,1根据统计数
20、据或现场使用经验得到各单元的预计失效率 ；2由单元预计失效率计算出每一单元分配出的权系数 ；,3用下式计算各单元的容许失效率,相对失效率分配考虑了各子系统原来失效率的水平，但没有考虑不同子系统降低失效率的难易程度。,可靠性分配,一个串联系统由三个单元组成，各单元的预计失效率分别为： 1 =0.005 1 ， 2 =0.003 1 ， 2 =0.002 1 。要求工作20h时系统可靠度为： =0.980，试问应给各单元分配的可靠度各位何值。,解,可按相对失效率法为各单元分配可靠度。,（1）确定系统预计失效率 ,可靠性分配,（2）校核 能否满足系统的设计要求,由预计失效率 所决定的工作20h的系统
21、可靠度为,由于 ，故需重新进行单元可靠度分配。,（3）计算各单元失效率的权系数 ,可靠性分配,（4）计算系统的容许失效率 ,（5）计算各单元的容许失效率 ,可靠性分配,（6）计算各单元分配的可靠度 ,（7）检验系统可靠度是否满足要求,系统的设计可靠度大于给定可靠度要求值，即重新进行单元可靠度分配后的系统可靠度满足要求。,可靠性分配,并联系统,若并联系统的容许失效概率为 ，则,若已知各并联单元的预计失效概率 =1,2, ，则可以取 1 个相对关系式,可靠性分配,如图所示的并联子系统由三个单元组成，已知它们的预计失效概率分别为： 1 =0.04， 2 =0.06， 3 =0.12。如果该并联子系统
22、在串联系统中的等效单元分得的容许失效概率为 =0.005，试计算并联子系统中各单元所容许的失效概率值。,S123,可靠性分配,解,可按相对失效概率法为各单元分配可靠度。,（1）确定各单元的预计可靠度,（2）将并联子系统简化为一个等效单元,S123,可靠性分配,（3）求各分支预计失效概率和预计可靠度,第分支,第分支,可靠性分配,（4）求并联子系统等效单元的预计失效概率和预计可靠度,（5）按并联子系统等效单元所分得的总容许失效概率求各分支的容许失效概率,可靠性分配,（6）将各分支的容许失效概率分配给该分支的各单元,（7）列出最后的分配结果,可靠性分配,AGREE分配法,该方法由美国电子设备可靠性顾
23、问团（ AGREE ）提出，考虑单元的重要度、复杂性、工作时间以及它们与系统之间的失效关系，故又称为“按单元复杂度及重要度的分配法”。适合于指数分布的串联系统。,可靠性分配,假设系统由几个单元（子系统）串联组成，且各单元均相互独立，同时服从指数分布。,复杂度：串联单元中所含的重要零部件数 =1,2, 与系统中重要的零部件总数之比。,可靠性分配,假若各个单元的可靠性对系统可靠性的影响相同，那么，系统为N个零件串联而成，系统可靠度 , 0 ：零部件的可靠度,每个单元又是由 个零件组成的，单元可靠度 ,考虑单元复杂度得情况下，分配给第i个单元的可靠度为,可靠性分配,设第i个单元的失效概率为1 ，该单
24、元引起系统失效的概率即重要度 ，考虑重要度时该单元的可靠度为,若同时满足重要度和复杂度要求,可靠性分配,一个由4个单元组成的串联系统，要求连续工作24小时内具有0.96的可靠度。各单元重要度为 1 = 3 =1， 2 =0.90， 4 =0.85。各单元工作时间为 1 = 3 =24， 2 =10， 4 =12。各单元所含的重要零件数 分别为10，20，90，50。试用AGREE法分配可靠度和失效率。,解,系统的总零件数为,可靠性分配,各单元分配的失效率,可靠性分配,各单元分配的可靠度,可靠性分配,思考,针对例题验算进行单元可靠度，看通过失效率 = 计算所得可靠度是否等于分配单元可靠度 =1
25、1 ？尝试总结一下学习可靠度分配的心得体会,系统可靠性最优化,系统可靠性最优化是指利用最优化方法去解决系统的可靠性问题，又称为可靠性最优化设计。,在满足系统最低限度要求的同时，使系统的费用最少通过对单元或子系统可靠度值的优化分配使系统的可靠度值大通过合理设置单元或子系统的冗余（并联）部件使系统可靠性最大,系统可靠性最优化,花费最小的最优化分配方法,若串联系统个单元的预计可靠度（现有可靠度水平）按非减序列排列为 1 ， 2 ， ，则系统的预计可靠度为,若要求的系统可靠度指标 ，则系统中至少有一个单元的可靠度必须提高，即单元的分配可靠度 要大于单元的预计可靠度 。,系统可靠性最优化,将单元的预计可
26、靠度 提高到单元的分配可靠度 水平所要费用的费用函数为,推论 值越大，即可靠度提高的幅度越大，则费用函数 , 值也越大，费用也越高； 值越大，则提高 值所需的费用也越高。,系统可靠性最优化,要使系统可靠度由 提高到 的总花费表示为 =1 , ，=1,2,。希望花费最小，于是构成一个最优化设计问题。,目标函数,约束条件,系统可靠性最优化,令j表示系统中需要提高可靠度的单元序号,系统可靠性最优化,假如,令,为使系统可靠度指标达到 ，=1,2, 0 的各单元的分配可靠度均应提高到,系统可靠性最优化,序号=1,2, 0 的各单元的分配可靠度均为 0 ，而序号= 0 +1, 0 +2,的各单元的分配可靠
27、度可保持原预计可靠度值 不变。即最优化问题的最优解为,提高有关单元的可靠度以后，系统的可靠度指标为,系统可靠性最优化,汽车驱动桥双级主减速器第一级螺旋锥齿轮主从动齿轮的预计可靠度为 =0.85， =0.85；第二级斜齿圆柱齿轮的预计可靠度为 =0.96， =0.97。若它们的费用函数相同，要求齿轮系统的可靠度指标为 =0.80，试用花费最小的原则对4个齿轮可可靠度分配。,解,（1）系统的预计可靠度为,（2）将各单元的预计可靠度按非减序列排序,系统可靠性最优化,（3）求j的最大值 0,当j=1时,当j=2时,系统可靠性最优化,当j=3时,因此， 0 =2,（4）4个齿轮的分配可靠度为,系统可靠性
28、最优化,（5）验算系统可靠度指标,该可靠度分配方案满足要求。,系统可靠性最优化,拉格朗日（Lagrangian）乘子法,拉格朗日乘子法是一种将约束最优化问题转化为无约束最优化问题的求优方法。,约束最优化问题,系统可靠性最优化,构造拉格朗日函数,拉格朗日函数的极值点存在的必要条件,系统可靠性最优化,求解上式即可求得原约束优化问题的最优解,注意：当拉格朗日函数为高于二次的函数时，求解比较困难。,系统可靠性最优化,某系统由n个子系统串联而成，子系统的可靠度 =1,2, 和制造费用 =1,2, 之间的关系为,解,式中 ， 为常数。试用拉格朗日乘子法将系统的可靠度指标 分配给各子系统，并使系统的费用为最
29、小。,这是一个在 = =1 的约束条件下求使 = =1 为最小的问题。,系统可靠性最优化,引入拉格朗日乘子，构造拉格朗日函数,将费用 表达成显式,拉格朗日函数,系统可靠性最优化,解方程组,得,系统可靠性最优化,当共有两个子系统，即=1,2，且已给出： =0.80； 1 =0.90， 1 =4.0； 2 =0.60， 2 =2.0。,拉格朗日函数,解方程组,最优解,系统可靠性最优化,动态规划法,动态规划求最优解的思路完全不同于求函数极值的微分法和求泛函数极值的变分法，它是将多个变量的决策问题分解为包含一个变量的一系列子问题，通过且接这一系列子问题而求得此多变量的最优解。,多个变量的决策问题被分解
30、构造成一个顺序求解各个单独变量的多级序列决策问题。,系统可靠性最优化,若系统可靠度是费用的函数，并且可以分解为：,则在费用为,的条件下使系统可靠度 为最大的问题，称为动态规划。,系统可靠性最优化,由子系统A，B，C，D组成的串联系统，各子系统的成本费用和工作2000h的预计可靠度值如下表所示。要使此系统工作2000h的可靠度指标 0.99，而成本费用又要尽量小，问子系统应有多大的贮备度？,系统可靠性最优化,解,系统的可靠度指标 0.99，根据串联系统的特点，要求每一个子系统的可靠度都应大于0.99。要达到此目标，每个子系统的贮备度 ,不附加贮备件条件下，系统的预计可靠度为,系统可靠性最优化,系
31、统可靠性最优化,子系统A、B不同贮备度组合下的成本与可靠度,系统可靠性最优化,可靠度,成本（万元）,系统可靠性最优化,子系统A与B初选组合的成本与可靠度,系统可靠性最优化,子系统A、B、C不同贮备度组合下的成本与可靠度,系统可靠性最优化,可靠度,成本（万元）,系统可靠性最优化,子系统A、B与C初选组合的成本与可靠度,系统可靠性最优化,子系统A、B、C、D不同贮备度组合下的成本与可靠度,系统可靠性最优化,成本（万元）,可靠度,系统可靠性最优化,思考,通过对系统可靠性最优化的学习，你认为哪种方法适宜于机械产品可靠性最优化设计？试比较几种最优化方法的优缺点？,可靠性分析,可靠性分析是利用归纳、演绎的
32、方法对系统可能发生的故障进行研究，研究失效（故障）的原因、后果和影响及严重程度，从而为系统设计提供改进建议。,故障模式、影响及危害度分析（FMEA、FMECA） (Failure mode effect analysis、Failure mode effect criticality analysis)故障树分析（FTA） (Failure tree analysis),可靠性分析,故障模式、影响及危害度分析（FMEA、FMECA）,故障模式影响分析（FMEA）：在产品设计过程中，通过对产品各组成单元潜在的各种故障模式及其对产品功能的影响进行分析，并把每一个潜在故障模式按它的严酷程度予以分类，
33、提出可以采取的预防改进措施，以提高产品可靠性的一种分析方法。,故障模式影响及危害度分析（FMECA）：在故障模式影响分析（FMEA） 基础上，判断故障模式影响的致命度有多大，使分析量化。,可靠性分析,美国军用标准（如MIL-STD-1543，MIL-STD-785）中规定：“合同承包商应提供详细的失效模式及影响分析，这个分析应与设计工作一起安排和完成，以使设计能够反映分析的结果和建议”，并要求“把失效模式及影响分析作为一项指导设计和为每个设计审查提供资料的连续工作来安排”。,中国电子工业部部颁标准SJ2166-82中规定：在一般电子产品的初步设计阶段、方案论证阶段、全面研制阶段、生产阶段中，即
34、在产品可靠性计划的全部活动中对失效模式及影响分析都应有要求。,可靠性分析,FMECA方法中的一些基本概念,故障模式：是指故障的表现形式。失效机理：是指导致零件失效的物理、机械或热（化学）等内在原因。危害度：是对失效模式及其出现频率的严重性的相对量度。,可靠性分析,故障模式分析：是指将分析系统的各单元可能发生的失效或故障分门别类，分析每一模式发生的概率大小，但不一定要分析发生的原因。故障影响分析：是指分析系统的元器件、零部件的故障模式对组件、部件、设备、分系统和系统的影响，要特别注意分析哪些后果严重的致命性影响的故障模式。危害度分析：是指将失效所产生的影响按照其后果的危害程度加以分类，并计算造成
35、每类危害的概率，针对这些危害性的大小，采取各种相应的措施改进设计。,可靠性分析,FMECA的列表分析法,列表分析法是根据可靠性框图将有关的故障模式、相应的失效率、失效影响等列一明细表，以便分析计算。,（1）定义系统,对系统的完整定义，应包括系统的主要和次要功能、用途、预期性能、应用范围以及系统的故障判据。同时也应说明系统的外界环境条件和内部环境条件。,可靠性分析,（2）作可靠性框图,弄清设备的硬件、软件、操作人员与产品的关系，弄清设备的部件、元器件、分系统、系统之间的关系，根据设备的基本功能单元作可靠性框图。,（3）编号列表,将构成各功能单元的元器件、部件编号列表。,可靠性分析,FMECA报告
36、（一）,FMECA报告（二）,可靠性分析,（4）列举故障模式,研究分析所以可能出现的故障模式、出现这种故障模式的条件和应力、将所含元器件、部件可能出现的故障模式填入表中，如果可能就将相应的失效率也一并填入。,（5）分析故障模式发生的原因,对每种故障模式列举使其增加的原因，但有时不能完全列出，需要归纳总结后给出简要原因，具体原因可在其他地方给出。,可靠性分析,可能发生的故障模式,可靠性分析,（6）分析故障模式的影响,分析时由完成最基本功能的最低一级的故障模式开始逐级向上一级的故障模式进行，直到系统级为止，看有什么影响。,（7）分析故障模式的危害等级,将各个故障模式的后果进行定性分类，然后判断各种
37、故障模式的危害等级。,可靠性分析,失效危害度分析,可靠性分析,（8）计算故障模式的频数比 ,若单元在规定时间内执行任务时各种故障模式发生的总次数为 ，第种故障模式发生的频数为 ，则,某战斗机主液压油泵失效模式及其频数比,可靠性分析,机械零部件失效模式及其频数比,可靠性分析,（9）确定故障模式的故障率或故障概率及概率等级,确定每种故障模式的故障率或故障概率时，可以查阅可靠性数据手册，当数据不足时，可请有经验的分析者打分评级。, ：第种故障模式发生的概率 ：系统的故障概率,故障模式发生概率的等级,可靠性分析,（10）计算故障模式对系统的危害度,直接计算法, ：每当系统完成 10 6 次使用时，由零
38、部件失效导致系统失效的危害度； ：导致系统发生故障的零部件的故障模式总数； ：零部件的基本失效率； ：系统在规定的时间内工作时，其零部件的工作时间或周期数； ：基本失效率 的工作应力修正系数；, ：基本失效率 的环境应力修正系数； ：故障模式频数比，导致系统发生故障的那些零部件第个故障模式数 与该系统的全部零部件的故障模式总数的比值， = ； ：零部件第个故障模式发生时，引起系统发生故障的概率。,可靠性分析,已知系统零部件的基本失效率为 =0.05 10 6 1 ，修正系数 =10， =50，零件的第一个失效模式引起系统失效的 1 =0.3， 1 =0.5， 1 =10，第二个失效模式引起系统
39、失效的 2 =0.2， 2 =0.5， 2 =10，求系统的危害度。,解,可靠性分析,逐级计算法,逐级计算法是指首先计算出第个元件的第种故障模式导致其部件发生故障的概率 ，然后计算出第个元件的所有故障模式导致其部件发生故障的概率 ，再计算部件故障导致设备发生故障的概率。以此类推，逐级往上计算，直到最后计算出导致系统发生故障的概率 为止。, ：元件发生第种故障模式而引起的该元件失效的故障模式的频数比； ：损伤概率，表示元件发生第种故障模式时，导致其部件发生故障的概率； ：零部件的基本失效率,可靠性分析,（11）提出预防和消除故障模式的措施,（12）提出储存、运输、维护、使用的注意事项,（13）将
40、故障模式按危害度等级、故障概率等级、危害度分别排队,（14）提交FMECA报告，供工程技术管理者决策参考,故障概率等级,可靠性分析,故障树分析法（FTA）,故障树分析法是用于大型复杂系统可靠性、安全性分析和风险评价的一种重要方法由美国贝尔实验室的H.A.Watson首先提出1962年成功用于美国民兵导弹的控制系统设计波音公司首先研制出FTA的计算机程序1974年8月美国发表的“美国商用核电站事故风险评价报告”，因应用故障和故障树分析法，第一次定量地给出核电站可能造成的风险，在和其他能源造成的风险以及社会现有风险比较后，令人信服的导出了核能是一种非常安全的能源的结论。,可靠性分析,故障树分析法是
41、在系统设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素等）进行分析，画出逻辑框图（即故障树），从而确定系统故障原因的各种可能组合方式及其发生概率，计算系统故障概率，以采取相应的纠正措施，提高系统可靠性的一种设计分析方法。,FMEA、FMECA分析法，本质上说是一种单因素分析法，它针对单个故障进行分析，而且在反映环境条件对系统可靠性的影响方面具有局限性。,FMEA、FMECA分析法是FTA分析法的基础，FTA分析法与FMEA、FMECA分析法相结合，能够完善地进行系统的故障分析。,可靠性分析,故障树分析法的特点,具有很大的灵活性，不局限于对系统可靠性进行一般的分析，分
42、析系统的各种故障状态；是一种图形演绎法，是对故障事件在一定条件下的逻辑推理方法；进行FTA的过程，也是一个对系统更深入认识的过程；通过FTA可以定量地计算复杂系统的故障概率及其可靠性参数，为改善和我评价系统可靠性提供定量数据；故障树建成后，对不曾参与系统设计的管理和维修人员来说，相当于一个形象的管理、维修指南。,可靠性分析,故障树分析法的应用,FTA法在系统寿命周期任何阶段都可以采用，但在以下两个阶段采用时最为有效。,早期设计阶段目的是判明故障模式，并在设计中进行改进。详细设计和样机生产后、批量生产前的阶段 目的是要证明所制造的系统是否满足可靠性和安全性的要求。,可靠性分析,FTA法的用途,用
43、于系统的可靠性分析，可以进行定性分析和 定量分析；用于系统的事故分析及安全性分析；可以在产品设计时，利用故障树帮助判明系统的潜在故障；在系统使用阶段可以用来进行故障诊断，预测系统故障时最可能造成故障发生的原因，并可用来制订检修计划。,可靠性分析,故障树中使用的符号,事件及其符号,基本事件：在特定的故障树分析中无需探明其发生原因的底事件。一般来说，它的故障分布是已知的。未探明事件：原则上应进一步探明其原因，但暂时不必或暂时不能探明其原因的底事件。,底事件：故障树分析中仅导致其他事件发生的原因事件，它位于故障树的底端，是逻辑门的输入事件。,基本事件,未探明事件,可靠性分析,结果事件：故障树分析中由
44、其他事件或事件组合所导致的事件，它位于逻辑门的输出端。,顶事件：是故障树分析中所关心的事件，它总位于故障树的顶端，是逻辑门的输出事件。中间事件：位于底事件和顶事件之间的结果事件，它既是某个逻辑门的输出事件，也是更高一个逻辑门的输入事件。,结果事件,可靠性分析,特殊事件：在故障树分析中需要用特殊符号表明其特殊性或应引起注意的事件。,开关事件：是在正常条件下必然发生或必然不发生的特殊事件。条件事件：是描述逻辑门起作用的具体限制的特殊事件。人为事件：是由于人为差错或疏忽而造成的底事件。,开关事件,条件事件,人为事件,可靠性分析,逻辑门及其符号,或门：表示至少一个输入事件发生时，输出事件才发生。 =
45、1 2 与门：表示仅当所有输入事件发生时，输出事件才发生。 = 1 2 非门：表示输出事件是输入事件的对立事件。 = ,可靠性分析,异或门：表示仅当单个输入事件发生时，输出事件才发生。顺序门：表示仅当输入事件按规定的顺序发生时，输出事件才发生。表决门：表示仅当个输入事件至少有个事件发生时，输出事件才发生。禁门：表示仅当条件事件发生时，输入事件的发生导致输出事件发生。,可靠性分析,转移符号,相同转向符号：表示“下面转到符号内的字母或数字所指的子树去”。相同转此符号：表示“由具有相同字母或数字的转向符号处转到这里来”。相似转向符号：表示“下面转到以字母或数字为代号所指的结构相似而事件标号不同的子树去”。相似转此符号：表示“相似转向符号所指子树与此处子树相似，但事件标号不同”。,可靠性分析,故障树的建立,故障树是实际系统故障组合和传递的逻辑关系的正确抽象的表达。,顶事件的确定 任何需要分析的系统故障，只要它是可以分解且有明确定义的，则在该系统的故障树分析中都可以作为顶事件。故障树的建立过程 确定顶事件后，则将其作为故障树分析的起始端，找出导致顶事件所有可能的直接原因，作为第一级中间事件。将这些事件用相应的事件福海表示，并用适合于它们之间的逻辑关系的逻辑门符号与上一级事件相连接。依此类推，直到找出引起系统故障的全部的底事件。,
