可靠性工程专题
——可靠性预计
现代航天企业制造信息化技术
学习内容
1. 可靠性预计的目的、用途与分类
2. 可靠性预计的程序
3. 单元可靠性预计
4. 系统可靠性预计
5. 不同研制阶段可靠性预计方法的选取
6. 可靠性预计的特点与注意事项
目的、用途
可靠性预计目的与用途
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。
为可靠性分配奠定基础。
分类
根据战术技术中可靠性的定量要求
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：
单元可靠性预计（元件、部件或设备等 ）
系统可靠性预计
返回
系统可靠性预计程序
程序
明确系统定义
明确系统的故障判据
明确系统的工作条件
绘制系统的可靠性框图
建立系统可靠性数学模型
预计各单元、设备的可靠性
根据系统可靠性模型预计基本可靠性或任务可靠性
返回
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
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。
相似产品法考虑的的相似因素一般包括
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
相似产品法
预计过程
确定相似产品
分析相似因素对可靠性的影响
确定相似系数
新产品可靠性预计
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，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。
返回
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
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 =
返回
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：系统工作时间（一般）
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。
技术发展水平——根据单元目前的技术水平的成熟来评
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。
评分预计法
方法原理
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，试用评分法求得其
它分系统的故障率。
计算表格
返回
序号单元名称
复杂
度
技术
水平
工作
时间
环境
条件
各单元
评分数
各单元评
分系数
单元的故障
率×10-6
1 动力装置 5 6 5 5 750
2 武器 7 6 10 2 840
3 制导装置 10 10 5 5 2500
4 飞行控制
装置
8 8 5 7 2240
5 机体 4 2 10 8 640
6 辅助动力
装置
6 5 5 5 750
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。
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）
应力分析法
应力分析法表格
编号
型号
规格
元器件类
别
数量N 质量
等级
各π系
数
λb
(10-6/h)
工作失效率（10-
6/h）
λp Nλp
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
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
质量等级为B1，查GJB/Z 299B-98的表-3，得质
量系数πQ=
环境类别为AIF，查GJB/Z 299B-98的表-2，得环
境系数πE=17
返回
应力分析法
举例
计算步骤
查GJB/Z 299B-98的表-4，得成熟系数πL=
查GJB/Z 299B-98的表-8，得温度系数πT=
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=
返回
应力分析法
举例
计算步骤
查GJB/Z 299B-98的表-12，得电压应力系数
πV=
工作失效率
λP =πQ[C1πTπV+(C2+C3)πE]πL
=(10-6/h)
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 。
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
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。
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)
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。
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
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
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
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 = GiQiNi
元器件计数法预计表
元件计数法
预计表格
编号 元器件类别数量N
质量
等级
质量系数
πQ
λG
(10-6/h)
NλG
(10-6/h)
元件计数法
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
元件计数法举例
举例
计算步骤
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
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。
但当缺乏单元任务可靠性数据时，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
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)
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
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。
可靠性框图法
示例
某飞机共有六个任务剖面，完成复杂特技的任务可
靠性框图如下图所示
可靠性框图法
示例
假设各单元产品均以指数分布，工作时间均为
小时，其故障率如下表所示。
单元名称
故障率×10-
6(1/h)
单元名称
故障率×10-
6(1/h)
燃油泵(A) 900 油箱(H) 1
切数开关(B) 30 油量指标器(I) 50
发动机低压燃油
泵(C)
800 耗量伟感器(J) 45
冲压口(D) 20 油尽信量器(K) 30
安全活门(E) 30
主油路压力信号
器(L)
35
喷射泵(F) 700
低油面信号器
(M)
20
连通单向活门(G) 40
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
可靠性框图法示例
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，其可靠性
为
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
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。
如前所述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。
需要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
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。
返回
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。
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各研制阶段预计方法的选取
选取依据
返回
研制阶段
方
案
设
计
初
步
设
计
详
细
设
计
适用范围
预
计
方
法
相似产品法
非电产品、有相似产品数据的改进改
型产品
专家评分法
非电产品、新研产品，无相似产品数
据的改进改型产品
元件计数法 电子产品
应力分析法 电子产品
可靠性预计的特点
及时性，与功能性能设计并行
与故障定义和任务剖面的相关性
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
可靠性预计的注意事项
对系统故障明确的定义
明确任务定义
可靠性模型的正确性
时间基准：各分系统的实际工作时间的精确性
明确单元故障（率）定义
正确获得系统所用元器件、零部件的基本故障
率数据
不同研制阶段可靠性预计方法的选取
谢谢
