可靠性综合设计技术

可靠性设计 科技名词定义 中文名称 可靠性设计 英文名称 reliability design 定义1 对系统和结构进行可靠性分析和预测，采用简化系统和结构、余度设计 和可维修设计等措施以提高系统和结构可靠度的设计。 所属学科 航空科技（一级学科）；飞行器结构及其设计与强度理论（二级学科） 定义2 为了满足产品的可靠性要求而进行的设计。 所属学科 机械工程（一级学科）；可靠性（二级学科）；产品可靠性（三级学 科） 保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法。包括对产品的可靠性进 行预计、分配、技术设计、评定等工作。所谓可靠性，则是指产品在规定的时间内和给定 的条件下，完成规定功能的能力C它不但直接反映产品各组成部件的质量，而且还影响到 整个产品质量性能的优劣。可靠性分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。可靠性的 度量指标一般有可靠度、无故障率、失效率3种。 概述 可靠性问题的研究是因处理电子产品不可靠问题于第二次世界大战期间发展 起来的。可靠性设计用在机械方面的研究始于20世纪60年代，首先应用于 军事和航天等工业部门，随后逐渐扩展到民用工业。 对于一个复杂的产品来说，为了提高整体系统的性能，都是采用提高组 成产品的每个零部件的制造精度来达到；这样就使得产品的造价昂贵，有时 甚至难以实现（例如对于由儿万甚至儿十万个零部件组成的很复杂的产 品）。事实上可靠性设计所要解决的问题就是如何从设计中入手来解决产品 的可靠性，以改善对各个零部件可靠度（表示可靠性的概率）的要求。可靠 度的分配是可靠性设计的核心。 原则 1 按重要程度分配可靠度。 1 按复杂程度分配可靠度。 1 按技术水平、任务情况等的综合指标分配可靠度。 1 按相对故障率分配可靠度。 各部分有了明确的可靠性指标后，根据不同计算准则，进行零件的设计 计算。主要的计算方法为根据载荷和强度的分布计算可靠度或所需尺寸； 根据载荷和寿命的分布计算可靠度或安全寿命；求出可靠度与安全系数间的 定量关系，沿用常规设计方法计算所需尺寸或验算安全系数。与可靠性设计 有关的载荷、强度、尺寸和寿命等数据都是随机变量，必须用概率统计方法 进行处理。 辅助措施 为了使设计时能充分地巍测和预防故障，把更多的失效经验设计到之虽中， 因而必须邦助设计人员掌握充 n . n I ■・ 可靠性设计 分的故障情报资料和设计依据。采取以下措施 （1）可靠性检查表，从可靠性观点出发，列出设计中应考虑的重点。 设计时逐项检查。考虑预防的对策。 （2）推行FMEA, FTA方法。FMEA （失效模式影响分析）和FTA （故障树 分析）是可靠性分析中的重要手段。FMEA是从零部故障模式入手分析，评定 它对整机或系统发生故障的影响程度，以此确定关键的零件和故障模式。 FTA则是从整机或系统故障开始，逐步分析到基本零件的失效原因。这两种 方法在国外被看作是设计图纸一样重要，作为设计的技术标准资料,它收集 总结了该种产品所有可能预料到的故障模式和原因。设计者可以较直观地看 到设计中存在的问题。 （3）故障事例集。把过去技术上的失败和改进的事例作成手册，供设 计者随进参考。通常用简图表示，将故障和改进作对比。对故障的原因、情 况附有简单说明。这手册是各公司积累的技术财富，视同设计规范同等重 要。 （4）数据库。广泛有效地收集设计、制造中的失败和改进经验，试验 和实际用的数据形成检索系统和 A. t S - CUCC2 |NE A.SAIT -YNHrHr）rr rur my I MfiV-（ 9 VMP MF Her u EMlUi MH* MV ■ ■It■■卸 P*U（nJMI MX MiV A.tf A* nwifii UNK A.WK-OMK.EJUDi per Acr MOV HAIK wUNC. sS （4“， VMP MUI HtfM nrftl Hip MX* iWOfttWBIr 可靠性设计 数据库，使设计者能超越本单位充分利用别人实践过的经验。如电子产品已 形成世界性可靠性信息交换网。 （5）设计、试验规范的不断充实、改置。从使用实际得来的故障 教训要反馈到设计、试验方法的改进中，要将这些改进效果作为产品设计规 范（包括材料选定，结构形式，许用应力，安全系数值）和试验标准的改进 依据，使它们成为设计技术的一部分。随着可靠性工作开展。必须加强设 计、试验规范的研究，命名如试验规范的制定要以实地使用条件分析为基 础，要调查出场的问收品和试验室加速试验件作对比,计算强化系数。通过 失效分析反推，验证试验条件是否合适，从而不断改进试验方法和标准。因 而这些规范都是公司的财富，对外不轻易泄密。如日本小松10年中试验标 准增加三倍，圭地的试验标准有1500项之多。也可见各公司对试验的重视 程度。C1] 内容 通过设计实现产品可靠性指标的方法。产品的可靠性是通过设计、生产和管理 而实现的，而首先是产品的设计。它决定着产品的固有可靠性。电子产品可靠性设 计技术包括许多内容，主要有可靠性分配、可靠性预测、冗余技术、漂移设计、故 障树分析和故障模式、效应和致命度分析、元件器件的优选和筛选、应力强度分 析、降负荷使用、热设计、潜在通路分析、电磁兼容和设计评审等。 可靠性分配 根据用户对系统或设备提出的可靠性指标，对分系统、整机等组成部分提出 相应的可靠性指标，逐级向 可靠性设计 下，直到元件、器件、工艺、材料等的可靠性指标。可靠性分配是系统或设 备的总体部门的一项可靠性设计任务。 对于有L个组成成分的系统，最简单的情况是这些组成成分的可靠 性是互相独立的。若第，组成分不可靠，则系统就不可靠，系统可靠性为。 。1必gL 〔若第，组成分的不可靠性为Pi l ”,则系统的不可靠性为尸 l-ql-（1 Pl） （1 一刃）（1 一凡）20 冲・・・几）o这是系统可靠性 分配的基本公式。可靠性分配本质上不是数学问题，而是人力、物力的统一 调度和运用的工程管理问题。因为不同整机、元件、器件的现实可靠性水平 是很不相同的，而把它们的可靠性提高到一定水平所需要的人力、物力和时 间往往差别很大，因而不能采取均匀提高的纯数学方案。在实际工作中，需 进行多个方案的协调、比较后才能决定。 可靠性预测 主要是根据电子元件、器件的故障和产品设计时所用的元件、器件数和使用 条件，对产品的可靠性进行估计。最简单的情况是产品由4种电子元件、器件组 成，第/种元件、器件的寿命为指数分布，故障率为用，用量为m任一元件和器件 发生故障都会引起产品故障，故产品的故障率为/ nlAl 〃242 ... 冰灰 这是在设计阶段根据元件、器件的故障率对产品故障率提出预测的基本公式。 在实际使用时，还要增加一些修正和补充。元件、器件的故障率还会随环境和其他 条件而发生变化。若实验室条件下的元件、器件的故障率，则在环境A下的故障率 为 处 A“iO 公式 式中为元件、器件在环境A下的环境因