1、,可靠性、维修性、保障性基础,航空学院 喻天翔,在生活中,对于任何一种民用产品或者武器系统，人们希望它不但具有优良的性能，价格适中，而且不易发生故障，经久耐用。后两者就是指产品的可靠性和耐久性。,美国空军的提法，“可靠性与维修性是战斗力的乘数，今天的可靠性与维修性，就是明天的战斗力”。,产品的质量低劣，可靠性不高，耐久性很差，不仅会造成极大的经济损失，工厂信誉下降，甚至会危及人身安全及国家的安全。例如：前苏联的“联盟11号”宇宙飞船返回时，因压力阀门提前打开而造成三名宇航员全部死亡。,课程目标,1、理解和掌握可靠性、维修性和保障性基本概念；2、了解可靠性、维修性和保障性的发展；3、通过调研获悉
2、某个领域的技术发展和趋势。,第一章 基本概念,一、可靠性定义,1、从工程角度：可靠性可直观定义为产品无故障完成任 务的能力,2、从统计学角度：1957年美国电子设备咨询组发表的报告中把可靠性定义为“在规定的时间和给定的条件下无故障完成规定功能的概率，即可靠度。,4、进入90年代后，可靠性的概念有了新的发展，1991年美国国防部指令国防采办管理政策和程序把可靠性定义为“系统及其组成部分在无故障、无退化或不要求保障系统的情况下执行其功能的能力。”,3、我国国军标GJB451-90把可靠性定义为：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。,5、70年代是可靠性
3、发展步入成熟的阶段,6、80年代以来，可靠性向着更深、更广的方向发展,三、可靠性问题的分类,二、可靠性问题的提出与发展,1、可靠性的概念最早来源于航空领域：二战期间,2、40年代是可靠性萌芽时期,3、50年代是可靠性兴起和形成的年代,4、60年代是可靠性工程全面发展的阶段,2、从设计的角度分：基本可靠性和任务可靠性 前者考虑要求保障的所有故障的影响，用于度量产品无需保障的工作能力，包括与维修和供应有关的可靠性，通常用平均故障间隔时间（MTBF）来度量；后者仅考虑造成任务失败的故障影响，用于描述产品完成任务的能力，通常用任务可靠度（MR）和致命性故障间隔任务时间（MTBCF）来度量。,1、从应用
4、的角度分：固有可靠性和使用可靠性 前者仅考虑承制方在设计和生产中能控制的故障事件，用于描述产品的设计和制造的可靠性水平，后者综合考虑产品设计、制造、安装环境、维修策略等因素，用于描述产品在计划的环境中使用的可靠性水平。,2、可靠性物理：主要研究元器件、系统失效的机理、物理原因和物理模型，提出改进措施。,3、可靠性工程：其内容包含有可靠性分析、预测与评估、可靠性设计、可靠性管理、可靠性生产、可靠性维修、可靠性试验以及可靠性数据收集处理和交换技术等。,四、可靠性研究的主要内容,1、可靠性数学：主要研究可靠性定量描述方法；研究可靠性理论及数学规律；研究计算可靠性各种指标的方法，提出完善产品可靠性的方
5、法。,五、现代飞机设计思想涉及的主要概念及关系图,1、可靠性：系统在规定的条件下和规定的时间内无故障完成规定功能的能力，它是系统的设计特性。常用的可靠度指标是平均无故障工作时间(MTBF或MTTF)。,2、维修性：系统在规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，保持或恢复其规定状态的能力。维修性是可靠性的重要补充，指的是系统维修的难易程度，是设计决定的质量特性，其概率度量为维修度。常用的维修度指标是平均修复时间(MTTR)。,3、保障性：系统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。保障性包含了两个不同性质的内容，即设计特性和保障资源。,4、可用性：系统在任一随机
6、时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度。它是将飞机系统R&M&S（即可靠性、维修性、保障性）特性变换成效能时的一个综合参数。,5、任务可靠性：系统在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。它反映了系统对任务成功性的要求，是在平时的自然环境中和战时的敌对环境中，不考虑人为敌对因素的情况下，系统完成任务的能力。,6、生存性：飞机系统避开或承受人为敌对环境的能力,7、可信性：是指整个任务期间，飞机系统持续工作的能力。它综合了飞机的生存性及任务可靠性，是反映系统实战能力的重要特性。,8、能力：是指飞机在自然使用环境及敌对环境下均正常连续工作时，飞机能否完成任务(如摧毁目标)，它给出的是理想
7、任务状态下可能的结果，代表系统纯粹的作战能力，它受系统的机动性、武器的精度、作用距离、杀伤力及其他设备的性能影响。,9、有效性：飞机系统的效能是其可用性、可信性及性能的综合反映，它是系统实战能力的最终量度。有效性可写作E=ADC，式中E为系统有效性。飞机的可用性、可信性及能力是在作战任务的不同环境及不同时期中起作用的，三者是互相依托的。若可用性不高，则在任务初期就只有很低的出动架次率，那么成功完成任务的可能性显然就很小。类似地，可用性高但可信性不高或者可用性、可信性均高而能力不高等都会对任务的完成有很大的影响。,10、全寿命周期费用：费用问题是飞机设计的一个重要因素。随着设计技术与设计要求的提
8、高，各项费用均大幅度提高。主要涉及到的费用有：研制费用、生产费用、使用和保障费用。,六、可靠性术语,故障：系统或（元件）没有完成预定功能，称其发生了故障，也称失效、破坏等。,1、故障概率函数,（1）故障累积函数,是产品在规定条件和规定时间内失效的概率，其值等于1减可靠度,T是寿命随机变量，t是某个固定寿命值。即,是系统,（或元件）寿命T不超过t的概率，也就是在t时刻之前，系统（或元件）的破坏概率。,（2）故障密度函数,显然,累积失效概率对时间的变化率，产品在单位时间内的失效概率。,2、可靠度函数,（1）可靠度函数R(t)是产品使用到t时刻不破坏的概率。,可见,（2）可靠度R(t) 的性质,3、
9、故障率（失效率）,（1）区间故障率,指在一个区间t1，t2，产品在区间点t1以前没有发生故障，在该区间中单位时间发生故障的概率与该故障发生总概率的比值。,可见，区间故障率,表示的是单位时间内产品可靠度,的相对损失。,（2）瞬时故障率,可见，瞬时故障率表示的是产品使用到t时刻未破坏，再继续使用下去，在随后的单位时间内的破坏概率。,4、四个函数之间的关系图,可见,、,、,、,四者之间只要知道其中,中一个，就可以求得其余三者,例1：假设某电子产品寿命,，求,、,、,解：根据已知条件有：,因此：,故,可见，对于寿命服从指数分布的情况，失效率函数是一个常数。,5、电子元件常见的典型失效分布,对于电子元件
10、，常用失效率函数（风险函数） 来描述其失效情况。 失效率函数有三种类型：（1）随时间的增长而增长；（2）随时间增长而下降；（3）与时间无关。如图2-1所示。,图2-1 、 、 间的关系图,对应于上述三种失效率函数的形态，在不进行预防性维修时，或者对于不可修复的产品，其失效率曲线的典型形态如图2-2所示。由于它的形状与浴盆的剖面相似，所以又称为浴盆曲线(Bath-Tub Curve)。,图2-1 电子产品典型失效率曲线,（1） 早期失效期 这一阶段失效较高，但随着时间增加而迅速下降。这一阶段产品失效的原因大多是由于设计、原料和制造过程中的缺陷所造成的。,（2） 偶然失效期 这一阶段也称随机失效期
11、或稳定工作阶段。在此期间，产品的失效往往带有某种随机性。它们是极端环境环境条件下与偶遇过大载荷引起，所对应的失效率函数为常数。,（3） 耗损失效期 在此期间，产品由于老化、磨损、损耗和疲劳等综合原因造成，失效率明显上升。,寿命指标,1、产品的寿命指标,定义：对于不可修产品，寿命指产品发生失效前的工作时间或工作次数；对于可修复产品，寿命指产品两次修复之间的工作时间或工作次数。,（1） 平均寿命,平均寿命就是寿命的数学期望,在实际应用中，常常以子样平均寿命作为母体平均寿命的近似估计值，样本数n越大，估计值的准确性越高。,例2：假设某电子产品寿命,，求其平均寿命,解：根据已知条件有：,因此：,即当寿
12、命T为指数分布时，平均寿命等于失效率的倒数。,当,时，,即能够工作到平均寿命的产品仅有36.79%左右，在这种简单指数分布的情况下，约有63.21%的产品将在达到平均寿命前失效，这是它的特征。 可见平均寿命只能大致反映产品寿命的平均寿命水平，不能真正反映产品的寿命情况。,（2） 寿命方差及标准差,寿命方差及标准差是用来反映产品寿命离散程度的特征值。,对于离散型寿命,对于连续型寿命,（3） 可靠寿命与中位寿命,可靠寿命：设产品的可靠度函数为 ，使可靠度等于给定值 的时间 称为可靠寿命，其中 为可靠性水平。,中位寿命：产品寿命可靠性水平 时对应的可靠寿命,例3：已知失效率函数 ， 求任意可靠度 时
13、的可靠寿命,解：,因此,例4：已知某产品的失效率为常数： ， 可靠度函数 ，试求可靠度 的相应可靠寿命 和中位寿命 。,解：因 ，故有 两边取对数,得,中位寿命：,有效寿命：偶然失效期的寿命成为有效寿命,也叫使用寿命,更换寿命:到了一定时间必须更换,失效率递增阶段,筛选寿命:失效率函数递减阶段，在某时刻t前进行更换或者筛选,在这时刻以后可不必更换,此时t称为筛选寿命,特征寿命：,可靠度 的可靠寿命称为特征寿命,七、维修性术语及衡量尺度,定义：为了保持元器件、零部件、机器、设备及系统等产品在使用中的规定功能及其指标，或为了使工作中出现故障或缺陷的产品得以修复，而采取的各种措施和进行的各项工作，称
14、为对产品的维修。为了确保产品在故障后迅速维持良好状态，用来衡量这种易于维修的性能，叫维修性。用维修度来衡量：对可能维修产品在发生故障或失效后在规定的条件下和规定的时间（0，t)内完成修复的概率。,平均修理时间,(Mean Time To Repair)指可修复的产品的平均修理时间(总维修活动时间(h)维修次数)。MTTR为指数分布时候,修复率,修复率是指“维修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”，,维修三要素：(1)产品结构的维修方便性(2)修理人员的修理技能(3)维修系统的效能,八、保障性术语及衡量尺度,保障性是系统的设计特性和计划的保障资源能满足平时和战
15、时使用要求的能力(GJB 451-90)。保障性是装备系统的固有属性，它包括两方面的含义，即与装备保障有关的设计特性和保障资源的充足和适用程度。1）保障性的设计特性；2）保障资源；,保障性参数是用于定性和定量地描述装备保障性的参数。保障性参数可分为三类：1）保障性综合参数； 战备完好性目标值，使用可用度；2）保障性设计参数； MTBF；MTTR。3）保障资源参数； 人员数量与技术等级；保证设备和工具类型，备件种类和数量；,九、可靠性及维修性中常见的统计分布,指数分布,威布尔分布,正态分布,(a) 两个正态分布，同标准差但不同均值 （b）三个正态分布，同均值但不同标准差,对数正态分布,极值分布,
16、极小值分布,极大值分布,伽马分布,二项分布,泊松分布,如果随机事件在单位时间内发生的平均次数是一个常数，事件在任一时间间隔内发生的次数与在任一其他时间间隔内发生的次数无关，并且两个或更多个事件同时发生的机会很小(可以忽略不计)，则该随机事件服从泊松分布。,大作业,电子可靠性技术发展现状及趋势分析结构可靠性技术发展现状及趋势分析复合材料结构可靠性技术发展现状及趋势分析机构可靠性技术发展现状及趋势分析系统可靠性技术发展现状及趋势分析维修性技术发展现状及趋势分析保障性技术发展现状及趋势分析可靠性物理方法技术发展现状及趋势分析软件可靠性技术发展及趋势分析Weibull分布的分析技术发展等等.,要求：10-20篇近10年（2000年后的）国内外相关技术发展论文；国外论文要求至少5-10篇；国内期刊要求期刊级别至少核心期刊以上；条理清晰，逻辑关系严谨；自选主题，围绕某个主题技术发展、现状、难点和趋势分析几个方面；篇幅最低要求5-10页。,国外数据库推荐： Elsevier Scince direct； CSA剑桥科学文摘；EI数据库；SCI数据库；美国AD报告；AIAA会议论文；IEEE； PQDD博硕论文（理工卷）国内数据库推荐： 期刊网；万方；全国优秀硕博论文库；,
