可靠性设计——III.系统可靠性预计与指标的分配.ppt

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可靠性设计—— III.系统可靠性预计 与指标的分配 高嵩 可靠性设计 本章内容 系统可靠性要求制定 系统可靠性要求分配 系统的可靠性预计 可靠性设计 1.可靠性要求制定 可靠性设计 内容提要 可靠性要求的概念 可靠性定性要求 可靠性定量要求 可靠性定量要求制定 可靠性定性要求制定 可靠性设计 可靠性要求 可靠性要求 产品使用方向承制方(或生产方)从可靠性角度提出的研制目标,是进行可靠性设计、分析、制造、试验和验收的依据。 研制人员只有在透彻地了解这些要求后，才能将可靠性正确地设计、生产到产品中去，并按要求有计划地实施有关的组织、监督、控制及验证工作。 可靠性设计 可靠性要求 可靠性要求分类 定性要求 用一种非量化的形式来设计、评价和保证产品的可靠性。 定量要求 规定产品的可靠性参数、指标和相应的验证方法。 用定量方法进行设计分析，进行可靠性验证，从而保证产品的可靠性。 可靠性设计 可靠性定性要求 可靠性定性要求概念 用一种非量化的形式来设计、评价和保证产品的可靠性，对数值无确切要求。 在定量化设计分析缺乏大量数据支持的情况下，提出定性设计分析要求并加以实现更为重要。 可靠性定性要求分类 定性设计要求 定性分析要求 可靠性设计 可靠性定性设计要求 定性设计要求概念 定性设计要求一般是在产品研制过程中要求采取的可靠性设计措施，以保证与提高产品可靠性。 这些要求都是概要性的设计措施，在具体实施时，需要根据产品的实际情况而细化。 主要的定性设计要求项目 软件可靠性设计 降额设计 包装、装卸、运输、储存等设计 制定和实施元器件大纲 热设计 余度设计 环境防护设计 简化设计 确定关键件和重要件 制定和贯彻可靠性设计准则 可靠性设计 可靠性设计准则 含义 在研制过程中尽可能充分挖掘研制单位已有的工程经验，把设计人员多年积累的设计经验与教训加以总结提高，形成可靠性设计标准和指令性文件。 指导工程设计人员如何把产品的可靠性设计到产品中去。 用可靠性设计准则逐条审查设计的符合性，完成设计准则符合性报告，供设计评审时使用。 可靠性设计 可靠性设计准则 作用 可靠性设计准则是进行可靠性定性设计的重要依据。 贯彻可靠性设计准则可以提高产品的固有可靠性。 可靠性设计准则是把可靠性设计和性能设计有机结合的有效方法。 可靠性设计准则是一个单位产品设计经验的总结与升华。 可靠性设计 可靠性设计准则 主要内容 概述 说明产品名称、型号、功能和配套关系；产品合同规定的可靠性定性、定量要求等。 目的 说明编制可靠性设计准则的目的。 适用范围 应说明编制的可靠性设计准则适用于何产品或何系列产品 。 可靠性设计 可靠性设计准则 主要内容 依据 应说明编制可靠性设计准则的主要依据。 合同规定的可靠性定性、定量要求； 合同规定引用的有关规范、标准、手册等提出的可靠性设计准则； 同类型产品的可靠性设计经验以及可供参考的通用可靠性设计准则。 详细设计准则 将产品的可靠性设计准则以“XX可靠性设计准则”条款形式输出。 可靠性设计 可靠性定性分析要求 定性分析要求 定性分析要求一般是在产品研制过程中要求采取的可靠性分析工作，以保证与提高产品可靠性。 这些可靠性分析工作需要在产品研制的各个阶段根据产品的实际情况和分析方法的特点，具体组织实施。 可靠性设计 可靠性定性分析要求 定性分析要求的主要项目 功能危险分析(FHA) 综合的、系统的演绎方法 故障模式和影响分析(FMEA) 系统的，自下而上的归纳分析法 故障树分析(FTA) 系统的，自上而下的演绎分析法 区域安全性分析(ZSA) 按照装备的区域进行的分析、检查法 可靠性设计 可靠性定量要求 概念 确定产品的可靠性参数、指标以及验证时机和验证方法，以便在设计、生产、试验验证、使用过程中用量化方法评价或验证装备的可靠性水平。 可靠性参数要反映战备完好性，任务成功性，维修人力费用及保障资源费用等四个方面的要求。 MTBF MFHBF MCSP 可靠性设计 可靠性定量要求 分类 基本可靠性要求 基本可靠性反映了产品对维修人力费用和后勤保障资源的需求。 确定基本可靠性指标时应统计产品的所有寿命单位和所有的故障。 任务可靠性要求 任务可靠性是产品在规定的任务剖面中完成规定功能的能力。 确定任务可靠性指标时仅考虑在任务期间那些影响任务完成的故障(即致命性故障)。 可靠性设计 常用可靠性参数 平均故障间隔时间MTBF 在规定的条件下和规定的时间内，产品的寿命单位总数与故障总次数之比。 任务可靠度MR 产品在规定的任务剖面内完成规定功能的概率。 工作寿命 产品从开始工作到报废为止的全部工作时间。 可靠性设计 常用可靠性参数 首次翻修期限 在规定条件下，产品从交付（或开始使用）到首次经基地或工厂大修（或翻修）的工作时间和（或）日历持续时间。 贮存期限 即储存寿命，指产品在规定的条件下储存时，仍能满足规定质量要求的时间长度。 可靠性设计 举例：卫星的可靠性参数 任务可靠度 卫星从发射准备到在轨工作到规定时间或回收的成功概率。发射准备指卫星进入发射阵地到运载火箭点火前这段时间。 在轨测试交付可靠度 卫星发射入轨道或定点后，在交付使用之前对其功能（例如通信或遥感能力等）进行在轨测试的成功概率。 在轨工作可靠度 卫星在轨工作期间的成功概率。 可靠性设计 举例：卫星的可靠性参数 在轨工作寿命 卫星在轨工作时间。也称在轨服务寿命、在轨任务时间。 返回型卫星返回可靠度 平均任务持续时间（MMD） 综合反映卫星在轨工作可靠性和在轨工作寿命的一个参数。 单点失效概率 卫星上单点失效项目在轨工作寿命终期的失效概率。 贮存寿命 贮存期测试周期 贮存可靠性 可靠性设计 可靠性定量要求参数类别 使用参数 使用可靠性参数及指标反映了系统及其保障因素在计划的使用和保障环境中的可靠性要求，它是从最终用户的角度来评价产品的可靠性水平。 MFHBF、MCSP、MTBM 合同参数 合同可靠性参数及指标反映了合同中使用的易于考核度量的可靠性要求，它更多的是从承制方的角度来评价产品的可靠性水平。 MTBF、MTBCF 可靠性设计 可靠性指标 含义 可靠性指标是可靠性参数要求的量值。如 MTBF=1000h即为可靠性指标。 与使用、合同参数相对应，可靠性指标分为可靠性使用指标和可靠性合同指标。 可靠性设计 可靠性参数指标的特性 目标值→规定值；门限值→最低可接受值 可靠性设计 可靠性参数值时序图 可靠性设计 可靠性参数值时序说明 论证阶段 由使用方根据装备的使用需求和可能，经过论证提出装备的“目标值”，并据此确定“门限值” 。 方案阶段 由使用方与承制方协调，确定最终的“目标值”和“门限值”，并确定研制结束时的门限值——“研制结束门限值”。 将其转化为合同参数对应的“规定值”、“最低可接受值”及“研制结束最低可接受值”。 可靠性设计 可靠性参数值时序说明 工程研制阶段 进行可靠性分配确定装备各层次产品的设计目标——“设计值”(即与装备成熟期的“目标值”对应的“规定值”，而非研制结束时的最低可接受值)，经过可靠性设计分析及可靠性增长，实现设计目标。 设计定型 经过验证获得“验证值”，用以验证是否达到研制结束时的最低可接受值。 使用阶段 经过验证获得此阶段的“验证值”，用以验证装备可靠性是否达到使用方要求的“目标值”，最低不能低于“门限值”。 可靠性设计 可靠性定量要求制定 概念 可靠性定量要求的制定，即是对定量描述产品可靠性参数的选择及其指标的确定。 不同的装备类型或在不同环境条件下使用的装备，描述产品可靠性定量要求的可靠性参数与指标是有所不同的，应根据具体装备的实际情况而定。 GJB1909中详细规定了各类武器装备可靠性参数选择与指标确定的要求。 可靠性设计 可靠性定量要求制定 GJB1909 -94《装备可靠性维修性参数选择和指标确定要求总则》 -94《装备可靠性维修性参数选择和指标确定要求 导弹武器系统和运载火箭》 -94《装备可靠性维修性参数选择和指标确定要求 核战斗部》 -94《装备可靠性维修性参数选择和指标确定要求 卫星》 -94《装备可靠性维修性参数选择和指标确定要求 军用飞机》 可靠性设计 可靠性定量要求制定 GJB1909 -94《装备可靠性维修性参数选择和指标确定要求 舰船》 -94《装备可靠性维修性参数选择和指标确定要求 装甲车辆和军用汽车》 -94《装备可靠性维修性参数选择和指标确定要求 火炮》 -94《装备可靠性维修性参数选择和指标确定要求 弹药》 可靠性设计 可靠性定量要求制定 参数选择依据 装备类型 坦克选择平均故障间隔里程(MMBF) 飞机可选用平均故障间隔飞行小时(MFHBF) 设备则选取平均故障间隔时间(MTBF) 装备使用要求 战时或平时、一次性使用或重复使用 一次性使用的产品(如导弹)可选成功率 预期的维修方案 即对维修和约束条件的考虑，包括维修级别、维修工作要求、维修资源要求。 装备可靠性的验证方法 厂内试验验证一般选合同参数。 外场使用验证则选用使用参数。 可靠性设计 可靠性定量要求制定 参数选择的要求 可靠性使用参数的选择应反映战备完好性、任务成功性、维修人力费用和保障资源费用等四个方面的要求; 应根据装备的类型，选择合适的参数; 可靠性合同参数应根据使用参数确定; 使用参数一般不应直接用于合同中，但如果参数的所有限定条件明确，也可用于合同中。 可靠性设计 可靠性定量要求制定 指标确定的依据 应根据需要与可能，经综合权衡后确定指标。 所谓“需要”是指：考虑使用方的需求、装备的重要程度。 所谓“可能”是指：考虑国内外类似装备实际达到的可靠性水平，当前研制中所采取的技术对可靠性的影响，国内的技术基础和生产水平以及研制装备的费用、进度、预期的使用和保障等约束条件。 可靠性设计 可靠性定量要求制定 指标确定的要求 可靠性指标应根据装备的类型在论证时提出目标值和门限值；在制订合同和研制任务书时提出规定值和最低可接受值。也可以只提出门限值和最低可接受值。同时还应明确： 寿命剖面 任务剖面 故障判别准则 维修方案 验证方法 在何时或在何阶段应达到 其它假设和约束条件 可靠性设计 可靠性定量要求制定 指标确定的要求 对于相互关联的可靠性参数，所确定的指标应相互协调。可靠性指标与维修性、安全性、保障性等有关指标也应相互协调。 装备中系统或设备的可靠性指标也可单独提出，但必须与装备总体的指标相协调。合同指标根据使用指标转换确定。 可靠性设计 可靠性定量要求制定 可靠性参数、指标制定的程序 战术技术指标论证阶段 对研制装备进行使用需求分析 对相似现役装备的可靠性状况分析 初步确定新装备的寿命剖面、任务剖面及使用保障等方面的约束条件 经综合权衡后，选择可靠性使用参数，提出成熟期的使用指标 评审 纳入战技要求文件 可靠性设计 可靠性定量要求制定 可靠性参数、指标制定的程序 方案论证及确认阶段 根据使用指标，进行可靠性方案设计与分析 根据成熟期的使用指标，确定工程研制、生产阶段的使用指标，并将它们转换为合同指标 评审 纳入研制任务书或合同中 根据装备可靠性指标分配结果，确定转承制产品的合同指标 可靠性设计 可靠性定量要求制定 可靠性参数、指标制定的程序 工程研制阶段(含设计定型) 使用、维修、保障方案变动时，修订可靠性指标 严格履行有关审批手续 可靠性设计 可靠性定量要求制定 定量要求制定的流程 可靠性设计 可靠性定量要求制定 定量要求制定的流程 可靠性设计 可靠性定量要求制定 确定参数指标时，应同时明确以下问题 产品的寿命剖面 描述产品从制造到退役(或报废)这段时间内所经历的事件和环境。 产品的任务剖面 描述产品在执行任务过程中所经历的事件和环境。 故障判据 应根据装备的类型及其任务要求，提出各层次产品的故障判据。 对容许降级使用的要求做出规定。 可靠性设计 可靠性定量要求制定 确定指标时应明确的问题 何时或何阶段应达到某一规定的指标 由于可靠性指标具有“阶段性”的特点，因此在确定指标时应加以说明。 验证时机与验证方法 应根据阶段性的指标确定验证时机，并根据装备的类别、产品的层次、重要程度、经费、进度等条件明确验证方法。 维修、保障条件及人员素质 它们是影响产品使用可靠性指标的重要因素。 其他假设和约束条件 可靠性设计 可靠性定性要求制定 可靠性定性要求制定程序 可靠性定性要求一般在战术技术指标论证和方案论证两个阶段制定，根据产品使用需求及经费、进度的实际情况由使用方提出产品研制中应开展的可靠性设计与分析工作要求。 在方案论证和工程研制阶段，由承制方制定具体细致的可靠性定性要求。如制定“可靠性设计准则”，制定“元器件大纲”。 在产品研制各阶段组织实施。 可靠性设计 可靠性定性要求制定 可靠性定性要求制定的程序 可靠性设计 可靠性定性要求制定 可靠性定性要求制定的程序 可靠性设计 2.可靠性分配 可靠性设计 内容提要 可靠性分配概念 可靠性分配目的、用途与分类 可靠性分配的原理与准则 可靠性分配程序 可靠性分配方法 可靠性分配注意事项 不同研制阶段可靠性分配方法的选择 可靠性设计 可靠性分配概念 可靠性分配的概念 系统可靠性分配就是将使用方提出的，在系统设计任务书(或合同)中规定的可靠性指标，自上而下，由大到小，从整体到局部，逐步分解，分配到各分系统，设备和元器件。 返回 可靠性设计 可靠性分配目的、用途与分类 可靠性分配的目的与用途 可靠性分配的目的是使各级设计人员明确其可靠性设计要求，根据要求估计所需的人力、时间和资源，并研究实现这个要求的可能性及办法。 如同性能指标一样，是设计人员在可靠性方面的一个设计目标。 可靠性设计 可靠性分配目的、用途与分类 可靠性分配的分类 可靠性分配包括 基本可靠性分配 任务可靠性分配 特点 这两者有时是相互矛盾的，提高产品的任务可靠性，可能会降低基本可靠性，反之亦然。 在可靠性分配时，要进行两者之间的权衡，或采取其他不相互影响的措施。 返回 可靠性设计 可靠性分配的原理 可靠性分配的原理 系统可靠性分配是求解下面的基本不等式 对于简单串联系统而言，上式就转换为 如果对分配没有任何约束条件，则上两式可以有无数个解；有约束条件，也可能有多个解。因此，可靠性分配的关键在于要确定一个方法，通过它能得到合理的可靠性分配值的唯一解或有限数量解。 可靠性设计 可靠性分配的准则 分配准则 可靠性分配的要求值应是成熟期的规定值。 为了减少分配的反复次数，并考虑到分配中存在忽略不计的其他因素项目，因此可靠性分配时应该留出 15%~20%的余量。 某些非电子组件故障率很低时，可以不直接参加可靠性分配，而归并在其他因素项目中一并考虑。 进行可靠性指标分配时，应保证基本可靠性指标分配值与任务可靠性指标分配值的协调，使系统的基本可靠性和任务可靠性指标同时得到满足。 可靠性设计 可靠性分配的准则 分配准则 ①对于复杂度高的分系统、设备等，应分配较低的可靠性指标。因为产品越复杂，其组成单元就越多，要达到高可靠性就越困难并且更为费钱。 ②对于技术上不成熟的产品，分配较低的可靠性指标。对于这种产品提出高可靠性要求会延长研制时间，增加研制费用。 ③对于处于恶劣环境条件下工作的产品，应分配较低的可靠性指标。因为恶劣的环境会增加产品的故障率。 ④当把可靠度作为分配参数时，对于需要长期工作的产品，分配较低的可靠性指标。因为产品的可靠性随着工作时间的增加而降低。 ⑤对于重要度高的产品，应分配较高的可靠性指标。因为重要度高的产品的故障会影响人身安全或任务的完成。 可靠性设计 可靠性分配的准则 分配准则 分配时还可以结合实际，考虑其他一些因素。如可达性差的产品，分配较高的可靠性指标，以实现较好的综合效能等。 对于已有可靠性指标的货架产品或使用成熟的成品，不再进行可靠性分配。同时，在进行可靠性分配时，要从总指标中剔除这些单元的可靠性值。 返回 可靠性设计 可靠性分配程序 可靠性分配程序 明确系统可靠性参数指标要求 分析系统特点 选取分配方法（同一系统可选多种方法） 准备输入数据 进行可靠性分配 验算可靠性指标要求 返回 可靠性设计 可靠性分配方法 无约束分配法 等分配法 评分分配法 比例组合法 考虑重要度和复杂度的分配方法 余度系统的比例组合法可靠性分配 可靠度的再分配法 有约束分配法 拉格朗日乘数法 动态规划法 直接寻查法 可靠性设计 等分配法 等分配法的原理 在设计初期，即方案论证阶段，当产品没有继承性，而且产品定义并不十分清楚时所采用的最简单的分配方法，可用于基本可靠性和任务可靠性的分配。 其原理是：对于简单的串联系统，认为其各组成单元的可靠性水平均相同。 系统可靠度为 分配给各单元的可靠度指标为 分配给第i个单元的故障率为 可靠性设计 等分配法 等分配法举例 某型抗荷服是由衣面、胶囊、拉链三个部分串联组成。若要求该抗荷服的可靠度指标为 ，试用等分配法确定衣面、胶囊、拉链的可靠度指标。 这种分配法虽简单，但不太合理。因为在实际系统中，一般不可能存在各单元可靠性水平均等的情况，但对一个新系统，在方案论证阶段进行初步分配是可取的。 可靠性设计 评分分配法 评分分配法含义 在可靠性数据非常缺乏的情况下，通过有经验的设计人员或专家对影响可靠性的几种因素评分，并对评分值进行综合分析以获得各单元产品之间的可靠性相对比值，再根据该比值给每个分系统或设备分配可靠性指标。 应用该方法时，时间一般应以系统工作时间为基准。主要用于分配系统的基本可靠性，也可用于分配串联系统的任务可靠性，一般假设产品服从指数分布。适于方案论证和初步设计阶段。 可靠性设计 评分分配法 评分因素 复杂度，技术水平，工作时间，环境条件 评分原则——分值越高说明可靠性越差 复杂度（组成的元部件数量及组装的难易程度） 最复杂的评10分，最简单的评1分。 技术水平（单元目前的技术水平和成熟程度） 水平最低的评10分，水平最高的评1分。 工作时间 单元工作时间最长的评10分，最短的评1分。 环境条件 单元工作过程中会经受极其恶劣而严酷的环境条件的评10分，环境条件最好的评1分。 可靠性设计 评分分配法 分配步骤 ①确定系统的基本可靠性指标，对系统进行分析，确定评分因素。 ②确定该系统中“货架”产品或已单独给定可靠性指标的产品。 ③聘请评分专家，专家人数不宜过少（至少5人）。产品设计人员向评分专家介绍产品及其组成部分的构成、工作原理、功能流程、任务时间、工作环境条件、研制生产水平等情况；或专家通过查阅相关技术文件获得相关信息。 ④评分。首先由专家按照评分原则给各单元打分，填写评分表格。再由负责可靠性分配的人员，将各专家对产品的各项评分总和，即每个单元的4个因素评分为各专家评分的平均值，填写表格。 ⑤按公式分配各单元可靠性指标。 可靠性设计 评分分配法 评分分配法原理 s*——系统可靠性指标；i*—— 各单元的故障率 Ci ——第i个单元的评分系数 ωi ——第i个单元的评分数 ω ——系统的评分数 rij ——第i个单元，第j个因素的评分数 可靠性设计 评分分配法 评分分配法举例 某飞机共由18个分系统组成，其中5个分系统是已使用过的成件并已知其MFHBF，见下表。规定飞机的可靠性指标MFHBF=(飞行小时)。试用评分分配法对其余13个分系统进行分配。 总 计 280 弹射救生系统 142 飞控系统 500 应急系统 80 前缘襟翼 50 发动机 已知的MFHBF 分系统名称 可靠性设计 评分分配法 评分分配法举例 10034 总计 250 5 5 5 2 其他 3528 7 8 7 9 航空电子 … … … … …. … … … 480 3 8 5 4 前轮结构 560 7 8 2 5 液压系统 800 8 10 2 5 燃油系统 192 4 8 2 3 发动机接口 640 8 10 1 8 动力装置 1280 4 10 4 8 结构 分配给各单元的MFHBF 各单元评 分系数 各单元 评分数 环境 条件 工作 时间 技术 水平 复杂度 分系统名称 可靠性设计 比例组合法 比例组合法原理 一个新设计的系统与老的系统非常相似，也就是组成系统的各单元类型相同，对这个新系统只是提出新的可靠性要求，那么就可以采用比例组合法。 根据老系统中各单元的故障率，按新系统可靠性的要求，给新系统的各单元分配故障率。 如果有老系统中各分系统故障数占系统故障数百分比的统计资料，可以按下式进行分配。 可靠性设计 比例组合法 比例组合法举例一 一个液压动力系统，原故障率为×10-6/h，改进设计要求故障率为×10-6/h，试把这指标分配给各分系统。 总计(系统) 启动器 10 导管 9 联轴节 8 … … .. 油泵 3 拉紧装置 2 油箱 1 新故障率(10-6/h) 原故障率(10-6/h) 分系统名称 序号 … 可靠性设计 比例组合法 比例组合法举例二 要求设计一种飞机，在5h的飞行任务时间内可靠度为。根据这种类型飞机各分系统故障百分比的统计资料，将指标分配给各分系统。 … 总计 其他各项 14 通讯、导航 13 … … … 动力装置 4 操纵系统 3 起落架 2 机身与货舱 1 分配给分系统的可靠度指标 新飞机分系统分配的故障率 (1/h) 按历史资料占飞机故障数的百分比ki 分系统名称 序号 ≈ … 可靠性设计 考虑重要度和复杂度分配法 重要度和复杂度概念示例说明 可靠性设计 考虑重要度和复杂度分配法 重要度关系分析 可靠性设计 考虑重要度和复杂度分配法 复杂度关系分析 可靠性设计 考虑重要度和复杂度分配法 综合考虑重要度和复杂度分配 分配给第i个分系统(第j个设备)的可靠性指标与该分系统的重要度成正比，与它的复杂度成反比。 可靠性设计 考虑重要度和复杂度分配法 考虑重要度和复杂度分配法举例 某机载电子设备要求工作12h的可靠度，这台设备的各分系统(设备)的有关数据见下表，试对各分系统(设备)进行可靠度分配。 570 共计 40 电源 5 242 控制设备 4 95 起飞用自动装置 3 91 接收机 2 102 发动机 1 重要度 工作时间 分系统构成部件数 分系统(设备)名称 序号 可靠性设计 考虑重要度和复杂度分配法 考虑重要度和复杂度分配法举例 计算结果 可靠性设计 余度系统的比例组合法可靠性分配 方法说明 常规的比例组合法只适用于基本可靠性指标的分配，即只适用于串联模型。 对于简单的冗余系统来说，可采用的分配方法有：考虑重要度、复杂度的分配法；拉格朗日乘数法；动态规划法；直接寻查法等。 这些方法多是从数学优化的角度并考虑某些约束条件来研究系统的冗余问题，在工程上往往不是简易可行的，而且不能应用于含有冷贮备等多种模型的情况。 下面介绍如何把比例组合法应用于含有串、并、旁联等混和模型的方法。 可靠性设计 余度系统的比例组合法可靠性分配 可靠性分配原理 新系统各组成单元故障率的分配值与老系统相似单元的故障率之比值相等 系统各组成单元的寿命服从指数分布 可靠性设计 余度系统的比例组合法可靠性分配 分配举例 某系统由A、B、C、D、E 5个单元组成，如下图所示，由相似系统可得各单元故障率如图中所示，若要求的系统可靠度为(在任务时间内)，试将此指标分配给各单元。 可靠性设计 余度系统的比例组合法可靠性分配 分配举例 计算结果 Kt = 可靠性设计 可靠性分配注意事项 可靠性分配应在研制阶段早期即开始进行 使设计人员尽早明确其设计要求，研究实现这个要求的可能性。 为外购件及外协件的可靠性指标提供初步依据。 根据所分配的可靠性要求估算所需人力和资源等管理信息。 可靠性分配应反复多次进行 在方案论证和初步设计工作中，分配是较粗略的，经粗略分配后，应与经验数据进行比较、权衡。也可与不依赖于最初分配的可靠性预计结果相比较，来确定分配的合理性，并根据需要重新进行分配。 可靠性设计 可靠性分配注意事项 为了尽量减少可靠性分配的重复次数，在规定的可靠性指标的基础上，可考虑留出一定的余量。 这种做法为在设计过程中增加新的功能单元留下余地，因而可以避免为适应附加的设计而必需进行的反复分配。 必须按成熟期规定值（或目标值）进行分配。 返回 可靠性设计 各研制阶段可靠性分配方法的选择 选择依据 要进行分配，首先必须明确设计目标、限制条件、系统下属各级产品定义的清晰程度及有关类似产品可靠性数据等信息。随着研制的进展，产品定义越来越清晰，可靠性分配方法也有所不同。 方法的选取 方案论证阶段 等分配法 初步设计阶段 评分分配法、比例组合法 详细设计阶段 考虑重要度和复杂度分配法、可靠度再分配法 返回 可靠性设计 练习1 三台设备组成串联系统。采用等分配法，当系统可靠度Rs*=时，各设备的可靠度应如何分配？如果其中一台设备可靠度R1=，其余设备的可靠度应是多少？ 可靠性设计 练习2 某一液压系统，其故障率老=265×10-6h-1，各分系统故障率如表所列。现设计一个新的液压系统，其组成与老的系统相似，只是油泵和油滤仍沿用老产品。要求新液压系统故障率为新=200×10-6h-1，试将指标分配给各分系统。 启动器 7 油滤 6 安全阀 5 止回阀 4 电动机 3 油泵 2 油箱 1 i老×10-6h-1 分系统名称 序号 可靠性设计 练习3 飞行器由动力装置、武器、制导装置、飞行控制装置、机体及辅助动力装置6个分系统组成。已由专家进行了评分（见下表），系统的可靠性指标Rs*=，工作时间为150h，试给各分系统分配可靠性指标。 5 2 8 10 6 6 技术水平ri2 6 4 8 10 7 5 复杂程度ri1 5 10 5 5 10 5 工作时间ri3 5 辅助动力装置 8 机体 7 飞控装置 5 制导装置 2 武器 5 动力装置 环境条件ri4 单元名称 返回 可靠性设计 3.可靠性预计 可靠性设计 内容提要 可靠性预计概念、目的和用途 可靠性预计的分类及程序 可靠性分配与可靠性预计的关系 单元可靠性预计 系统可靠性预计 不同研制阶段可靠性预计方法的选取 可靠性预计的注意事项 可靠性设计 概念 可靠性预计的概念 可靠性预计是在设计阶段对系统可靠性进行定量的估计，是根据历史的产品可靠性数据、系统的构成和结构特点、系统的工作环境等因素估计组成系统的部件及系统的可靠性。 系统的可靠性预计是根据组成系统的元件、部件的可靠性来估计的，是一个自下而上，从局部到整体、由小到大的一种系统综合过程。 可靠性设计 目的、用途 可靠性预计的目的与用途主要是 评估系统可靠性，审查是否能达到要求的可靠性指标。 在方案论证阶段，通过可靠性预计，比较不同方案的可靠性水平，为最优方案的选择及方案优化提供依据。 在设计中，通过可靠性预计，发现影响系统可靠性的主要因素，找出薄弱环节，采取设计措施，提高系统可靠性。 为可靠性增长试验、验证及费用核算等提供依据。 为可靠性分配奠定基础。 可靠性设计 目的、用途 可靠性预计的主要价值在于作为设计手段，为设计决策提供依据。 要求预计工作具有及时性，即在决策点之前做出预计，提供有用的信息，否则这项工作会失去意义。 为了达到预计的及时性，在设计的不同阶段及系统的不同层次上可采用不同的预计方法，由粗到细，随着研制工作的深入而不断细化。 返回 可靠性设计 分类 根据战术技术中可靠性的定量要求分为 基本可靠性预计 任务可靠性预计（任务剖面、工作时间及功能特性等） 不可修产品 可修产品 从产品构成角度分析，可分为： 单元可靠性预计 系统可靠性预计 可靠性设计 系统可靠性预计程序 一般遵循的程序 ①明确系统定义，包括系统功能、系统任务和系统组成及其接口； ②明确系统的故障判据； ③明确系统的工作条件； ④绘制系统的可靠性框图； ⑤建立系统可靠性数学模型； ⑥预计各单元的可靠性； ⑦根据系统可靠性模型预计基本可靠性或任务可靠性； ⑧可靠性预计结果为可靠性分配提供依据，当实际系统有变动时，进行可靠性再预计。 返回 可靠性设计 可靠性分配与可靠性预计的关系 两者都是可靠性设计分析的重要环节。分配结果是可靠性预计的依据和目标，预计的相对结果是可靠性分配与指标调整的基础。设计各阶段均相互交替，反复进行。 返回 可靠性设计 单元可靠性预计 说明 系统可靠性是各单元可靠性的概率综合 单元可靠性预计是系统可靠性预计的基础 直接预计系统各单元的故障率或可靠度 常用的单元可靠性预计方法： 相似产品法 评分预计法 应力分析法 故障率预计法 机械产品可靠性预计法 返回 可靠性设计 相似产品法 方法说明 相似产品法就是利用与该产品相似的现有成熟产品的可靠性数据来估计该产品的可靠性。成熟产品的可靠性数据主要来源于现场统计和实验室的试验结果。 该方法简单、快捷，适用于系统研制的各阶段，可应用于各类产品的可靠性预计，如电子、机械、机电等产品。 其准确性取决于产品的相似性。成熟产品的详细故障记录越全，数据越丰富，比较的基础越好，预计的准确度就越高。 考虑的相似因素 产品结构、性能的相似性 设计的相似性 材料和制造工艺的相似性 使用剖面(保障、使用和环境条件) 的相似性 可靠性设计 相似产品法 预计过程 确定相似产品 选择确定与新产品最为相似，且有可靠性数据的产品 分析相似因素对可靠性的影响 分析各种因素对产品可靠性的影响程度，分析新老产品的设计差异及对可靠性的影响 新产品可靠性预计 确定新老产品的可靠性值的比值，然后由有经验的专家评定，最后，根据比值预计新产品的可靠性 可靠性设计 相似产品法 示例 某型号导弹射程为3500km，已知飞行可靠性指标为Rs=。各分系统可靠性指标为 战斗部 安全自毁系统 弹体结构 控制系统 发动机 为了将导弹射程提高到5000km，对发动机采取了三项改进措施： 采用能量更高的装药； 发动机长度增加1m； 发动机壳体壁厚由5mm减为。 试预计改进后的导弹飞行可靠性 可靠性设计 相似产品法 示例 分析计算 壁厚减薄会使壳体强度下降，会使燃烧室的可靠性下降从而影响发动机的可靠性。 相似系数d = ×106/（×106） 发动机的可靠性 R = ×d = 该方法对于具有继承性产品或其它相似的产品是比较适用的，但对于全新的产品或功能、结构改变较大的产品不太适用。 返回 可靠性设计 评分预计法 方法说明 在可靠性数据非常缺乏的情况下(可以得到个别产品的可靠性数据)，通过有经验的设计人员或专家对影响可靠性的几种因素评分，对评分进行综合分析而获得各单元产品之间的可靠性相对比值，再以某一个已知可靠性数据的产品为基准，预计其他产品的可靠性。 时间基准：一般以系统工作时间为基准 可靠性设计 评分预计法 评分因素 、评分原则 以产品故障率为预计参数，各种因素评分值范围为1~10，评分越高说明可靠性越差。 复杂度——它是根据组成单元的元部件数量以及它们组装的难易程度来评定。 技术水平——根据单元目前技术水平的成熟程度来评定。 工作时间——根据单元工作的时间来评定（前提是以系统的工作时间为时间基准 ）。 环境条件——根据单元所处的环境来评定。 可靠性设计 评分预计法 方法原理 Ci ——第i个单元的评分系数 ωi ——第i个单元评分数 ω* ——故障率为*的单元的评分数 Rij ——第i个单元，第j个因素的评分数 评分预计法主要适用于产品的初步设计与详细设计阶段，可用于各类产品的可靠性预计。这种方法是在产品可靠性数据十分缺乏的情况下进行可靠性预计的有效手段，但其预计结果受人为影响较大。可多请几位专家评分，以保证评分的客观性，提高预计的准确性。 可靠性设计 评分预计法 示例 某飞行器由动力装置、武器等六个分系统组成。已知制导装置故障率×10-6/h，试用评分法求得其它分系统的故障率。 计算表格 5 5 5 6 辅助动力装置 6 8 10 2 4 机体 5 7 5 8 8 飞行控制装置 4 2500 5 5 10 10 制导装置 3 2 10 6 7 武器 2 5 5 6 5 动力装置 1 单元的故障率×10-6 各单元 评分系数 各单元 评分数 环境 条件 工作 时间 技术 水平 复杂度 单元名称 序号 返回 750 640 2240 840 750 可靠性设计 应力分析法 方法说明 用于产品详细设计阶段的电子元器件失效率预计。 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，并对其结果统计而得出该种元器件的“基本失效率”。 在预计电子元器件工作失效率时，应根据元器件的质量等级、应力水平、环境条件等因素对基本失效率进行修正。 电子元器件的应力分析法已有成熟的预计标准和手册。 可靠性设计 应力分析法 失效率模型 晶体管和二极管的失效率计算模型（GJB299） p —— 元器件工作故障率（h-1） b —— 元器件基本故障率（h-1） E —— 环境系数 Q —— 质量系数 A —— 应用系数 R —— 电流额定值系数 S2 —— 电压应力系数 C —— 配置系数 可靠性设计 应力分析法 预计要求 预计依据的选取 预计环境的选取 预计温度的选取 TJ=TA+20（二极管） TJ =TA+30（三极管） TJ =TA+30（集成电路） 降额系数的选取 质量系数的选取 可靠性设计 应力分析法 举例 数字电路54LS00为国产器件，质量等级为B1，环境类别为AIF，计算该器件的工作失效率。 计算步骤 国产器件，使用GJB/Z 299B-98 双极型数字电路，查GJB/Z 299B-98的表-1，得失效率模型：P =  Q[C1  T  V+(C2+C3)  E]  L 质量等级为B1，查GJB/Z 299B-98的表-3，得质量系数Q= 环境类别为AIF，查GJB/Z 299B-98的表-2，得环境系数 E=17 可靠性设计 应力分析法 举例 计算步骤（续） 查GJB/Z 299B-98的表-4，得成熟系数  L= 查GJB/Z 299B-98的表-8，得温度系数  T= 查GJB/Z 299B-98的表-15，得电路复杂度失效率C1=，C2= 查GJB/Z 299B-98的表-28，得封装复杂度 C3= 可靠性设计 应力分析法 举例 计算步骤（续） 查GJB/Z 299B-98的表-12，得电压应力系数 V= 工作失效率 P =  Q[C1  T  V+(C2+C3)  E]  L = (10-6/h) 返回 可靠性设计 故障率预计法 方法说明 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，且对基本故障率的修正更简单。 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对失效率的影响。非电子产品的工作失效率为： 目前尚无正式可供查阅的数据手册。 返回 可靠性设计 机械产品可靠性预计方法 方法说明 对机械类产品而言，它具有一些不同于电子类产品的特点，诸如： 许多机械产品是为特定用途单独设计的，通用性不强，标准化程度不高； 机械产品的故障率通常不是常值，其设备的故障往往是由于耗损、疲劳和其他与应力有关的故障机理造成； 机械产品的可靠性与电子产品可靠性相比对载荷、使用方式和利用率更加敏感。 可靠性设计 机械产品可靠性预计方法 方法说明 看起来很相似的机械部件，其故障率往往是非常分散的。 用数据库中已有的统计数据进行预计，其精度是无法保证的。 目前预计机械产品可靠性尚没有相当于电子产品那样通用、可接受的方法。 现阶段参考： 《机械设备可靠性预计程序手册》(草案) 《非电子零部件可靠性数据》(NPRD-3) 可靠性设计 ①修正系数法 基本思路 将机械产品分解到零件级，有许多基础零件是通用的。 将机械零件分成密封件、弹簧、电磁铁、阀门、轴承、齿轮和花键、作动器、泵、过滤器、制动器和离合器等十类。 对诸多零件进行失效模式及影响分析，找出其主要失效模式及影响这些模式的主要设计、使用参数，通过数据收集、处理及回归分析，可以建立各零件失效率与上述参数的数学函数关系（即可靠性预计模型）。 可靠性设计 ②相似产品类比论证法 基本思路 根据仿制或改型的类似国内外产品已知的故障率，分析两者在以下方面的差异 组成结构 使用环境 原材料 元器件水平 制造工艺水平 通过专家评分给出各修正系数，综合权衡后得出一个故障率综合修正因子 D: 返回 可靠性设计 系统可靠性预计概念与分类 系统可靠性预计概念 系统可靠性预计是以组成系统的各单元产品的预计值为基础，根据系统可靠性模型，对系统基本/任务可靠性进行预计。 系统可靠性预计必须注意时间基准的问题。 系统可靠性预计分类 基本可靠性预计 任务可靠性预计 任务期间不可修系统的任务可靠性预计 任务期间可修系统的任务可靠性预计 可靠性设计 基本可靠性预计的一般方法 串联模型关系 系统组成单元之间相互独立 各单元均服从指数分布， 系统必然也服从指数分布 可靠性设计 元件计数法 方法说明 适用于电子设备方案论证阶段和初步设计阶段，元器件的种类和数量大致已确定，但具体的工作应力和环境等尚未明确时，对系统基本可靠性进行预计。 基本原理是对元器件“通用失效率”的修正。 计算模型 Pi = GiQiNi 可靠性设计 元件计数法 预计表格 元器件计数法预计表 NλG (10-6/h) λG (10-6/h) 质量系数 πQ 质量 等级 数量 N 元器件类别 编号 可靠性设计 元件计数法举例 举例 某电子设备由4个调整二极管、2个合成电阻器、4个云母电容器组成，所有器件都是国产的，质量等级都是B1。设备的工作环境为战斗机座舱。计算该设备的基本可靠性。 计算步骤 国产器件，使用GJB/Z 299B-98 确定设备的工作环境类别：AIF 确定元器件的种类：调整二极管、合成电阻器、云母电容器； 确定元器件的质量等级，全部为B1 可靠性设计 元件计数法举例 举例 计算步骤（续） 查GJB/Z 299B-98中的表-15、表-17、表-18，确定元器件的通用失效率 查GJB/Z 299B-98中的表-24、表-25，确定元器件的质量系数 确定元器件的数目 计算设备的基本可靠性 λ设备=N1λ1πQ1+ N2λ2πQ2+ N3λ3πQ3 =(10-6/h) MTBF设备=1/λ设备=209205h 返回 可靠性设计 任务可靠性预计概念 任务可靠性预计概念 任务可靠性预计即对系统完成某项规定任务成功概率的估计。 任务可靠性预计是针对某一任务剖面进行的。 在进行任务可靠性预计时，单元的可靠性数据应当是对影响系统安全和任务完成的故障统计而得出的数据。 如产品的任务故障率、MTBCF等。 如果缺乏单元任务可靠性数据，也可用基本可靠性的预计值代替，但系统预计结果偏保守。 返回 可靠性设计 任务可靠性预计概念 系统的任务可靠性预计过程如下 建立系统的任务可靠性框图，确定飞行时间T； 确定系统内各电子设备的工作时间t； 计算电子设备的运行比S/F； 将设备的MTBF单元转换为MTBCF单元： MTBCF单元= MTBF单元/(S/F) 各电子设备的可靠度为： R单元(T)=EXP(-T/ MTBCF单元) 根据可靠性框图计算系统的可靠度。 返回 可靠性设计 不可修系统的任务可靠性预计 可靠性框图法 以系统组成单元的预计值为基础，依据建立的可靠性框图及数学模型计算得出系统任务可靠度。 根据任务剖面建立系统任务可靠性框图； 预计单元的故障率或MTBCF； 确定单元的工作时间； 根据可靠性框图计算系统任务可靠度。 可靠性设计 可靠性框图法 示例 某飞机共有六个任务剖面，燃油系统完成复杂特技的任务可靠性框图如下图所示 可靠性设计 可靠性框图法 示例 假设各单元寿命均服从指数分布，工作时间均为，其故障率如下表所示。 40 连通单向活门(G) 20 低压油面信号器(M) 700 喷射泵(F) 35 主油路压力信号器(L) 30 安全活门(E) 30 油尽信号器(K) 20 冲压口(D) 45 耗油传感器(J) 800 发动机低压燃油泵(C) 50 油量指示器(I) 30 切断开关(B) 1 油箱(H) 870 燃油泵(A) 故障率×10-6(1/h) 单元名称 故障率×10-6(1/h) 单元名称 可靠性设计 可靠性框图法 示例 其任务可靠度预计如下 串联单元1，由A、B组成，其可靠度为 旁联单元2，由1、C组成，其可靠度为 可靠性设计 可靠性框图法 示例 其任务可靠度预计如下 串联单元3，由D、E、F、G、H、I、J、K组成，其可靠性为： 可靠性设计 可靠性框图法 示例 其任务可靠度预计如下 并联单元4，由L、M组成，其可靠度为 则燃油系统任务可靠度为 可靠性设计 不可修系统的任务可靠性预计 多任务剖面任务可靠度综合预计 在对飞机等武器装备的可靠性指标要求中，一个重要的指标是完成任务成功概率 （MCSP），即整机总的任务可靠度。它是多种任务剖面的综合任务可靠度指标。 在任务可靠性预计时必须根据不同的任务剖面，预计其各自的任务可靠度。然后，将各任务剖面的任务可靠度综合，预计出整机总的任务可靠度。 返回 可靠性设计 可修系统的可用度预计 可修系统 在任务执行期间，当系统故障而不能执行任务时允许修理，修复后继续执行任务。 其任务可靠性不仅受各单元可靠性的影响，而且受到各单元维修特性的影响。 可修系统的可用度 研究系统开始工作后，在任意时刻系统处于工作状态的概率。 预计方法 解析法 马尔可夫过程法 仿真法 可靠性设计 马尔可夫过程 随机过程 随机事件的变化过程，它无法用确定性的形式来描述。 在使用期间可以修复的复杂系统，由系统部件的可靠性和维修性决定了系统在任务期间的某一时刻，系统可能随机地处于某种状态： 正常状态 故障状态或修理状态 状态转移是个随机过程，要用系统在各种状态下的概率来描述，是一个典型的时间连续和状态离散的随机过程。 可靠性设计 马尔可夫过程 马尔可夫过程是一种随机过程 无后效性：当过程在某一时刻ti的状态已知，那么在ti以后的任意时刻tj，过程处于各种状态的可能性就完全确定，而不受ti之前任意时刻过程所处状态的影响。 可用于在任务期间部件的寿命和修复时间均服从指数分布的系统可用度的描述。 只要已知系统开始工作时的状态，就可以确定以后任意时刻，系统处于可工作状态的概率，而与以前的状态无关。 返回 可靠性设计 各研制阶段预计方法的选取 选取依据 返回 电子产品  应力分析法 电子产品   元件计数法 非电产品、新研产品，无相似产品数据的改进改型产品   专家评分法 非电产品、有相似产品数据的改进改型产品    相似产品法 预计方法 适用范围 详细设计 初步设计 方案设计 研制阶段 可靠性设计 可靠性预计的注意事项 应尽早地进行可靠性预计，以便当任何层次上的可靠性预计值未达到可靠性分配值时，能及早地在技术上和管理上予以注意，采取必要的措施。 在产品研制的各个阶段，可靠性预计应反复迭代进行。 可靠性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1、2倍内可认为是正常的。 可靠性预计值应大于成熟期的规定值。 可靠性设计