可靠性设计ppt课件

可靠性可靠性设计可靠性设计2目录目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保证可靠性设计的常用技术5目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保3前言前言低成本可靠性越高，成本越高返修率越高，成本越高技技术性能性能可用性可用性安全性安全性成本成本产产品品品品质质量量量量可靠性和维修性产品寿命中可靠使用，便捷维护如冰箱的十年寿命及终身维修安规指标不能对客户的安全造成威胁如电子产品的阻燃性、外壳接地技术指标所要实现的功能如冰箱的温度、功耗前言低成本技术性能可用性安全性成本产品质量可靠性和维修性安规4n产品故障原因分析品故障原因分析故障原因所占比列设计上的原因40元器件质量上的原因30操作和维修原因20制造上的原因10%n产品故障品故障70是同是同设计有关有关影响产品可靠性的因素影响产品可靠性的因素产品故障原因分析故障原因所占比列设计上的原因40元器件质量5失效率曲线失效率曲线n早期失效期，失效率曲线为递减型。产品投稿使用的早期，失效率较高而下降很快。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、起动不当等人为因素所造成的。必须设法规避早期失效的发生；n偶然失效期，失效率曲线为恒定型，即t0到ti间的失效率近似为常数。失效主要由非预期的过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。由于失效原因多属偶然，故称为偶然失效期。偶然失效期是能有效工作的时期，这段时间称为有效寿命。为降低偶然失效期的失效率而增长有效寿命，应注意提高产品的质量，精心使用维护。n耗损失效期，失效率是递增型。在t1以后失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。针对耗损失效的原因，应该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提前维修；n早期失效期：设计失误、工艺缺陷、材料缺陷、筛选不充分；质量问题；（往往跟时间有关，具有隐蔽性）n偶然失效期：静电损伤、过电损伤；可靠性问题；（往往是突发性事件，现象明显）n耗损失效期：元器件老化；可靠性问题；（往往跟时间有关，具有隐蔽性）失效率曲线早期失效期，失效率曲线为递减型。产品投稿使用的早期6可靠性与费用的关系可靠性与费用的关系费用0产品可靠性生生产费用用维修修费用用总费用用图a可靠性与费用的关系曲线可靠性与费用的关系费用0产品可靠性生产费用维修费用总费用图a7可靠性设计的方法可靠性设计的方法可靠性分配可靠性分配可靠性预测可靠性预测1、设定可靠性目标；2、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，以得到比较满意的系统设计方案；1、将设定的目标分解到系统的各个环节；2、在多种设计方案中比较、选优。方法方法设定目标实现目标可靠性设计的方法可靠性分配可靠性预测1、设定可靠性目标；1、8可靠性设计的一般步骤可靠性设计的一般步骤可靠性设计一般步骤2、确定规格1、明确失效率3、规格分解5、可靠性验证4.选料、方案、FEMA6、优化设计可靠性设计的一般步骤可靠性设计一般步骤2、确定规格1、明确失9常见的可靠性业务流程常见的可靠性业务流程Design VerificationFailure analysisRoot cause analysisresultsPredictions/failuresManufacture&Market productFieldfailuresComponent count reliability analysisLong term life test&group testingDesign“rules”Product QualificationProduct designresultsParametricdistributionyieldanalysisDemonstration of target reliabilityFEM常见的可靠性业务流程Design VerificationF10目录目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保证可靠性设计的常用技术5目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保11系统可靠性模型系统可靠性模型模型模型子系统1子系统2子系统2输入输出输入输出子系统1子系统2子系统3串联系统并联系统系统可靠性模型模型子系统1子系统2子系统2输入输出输入输出子12n串联系统的可靠性框图串联系统的可靠性框图n串联系统的可靠度串联系统的可靠度Rs(t)：假设假设n单元的可靠度为单元的可靠度为Rn(t),则串联系统的可靠度则串联系统的可靠度n串联系统的平均无故障工作时间（串联系统的平均无故障工作时间（MTTFs）：）：单元1单元2单元n串联系统串联系统串联系统的可靠性框图单元1单元2单元n串联系统13n串联系统由串联系统由n个可靠性个可靠性Ri相等的单元构成，试求相等的单元构成，试求n=1,5,10,15,20,25,30,35,40,45时，时，Ri为为1,0.99,0.98,0.97,0.96,0.95的的系统可靠度。系统可靠度。n解解 因为因为 ，计算与不同，计算与不同n相应的系统可靠度相应的系统可靠度,结结果如表果如表13.2.1。n 1.000 0.990 0.980 0.970 0.960 0.950 1 1.000 0.990 0.980 0.970 0.960 0.950 5 1.000 0.951 0.904 0.859 0.815 0.774 10 1.000 0.904 0.817 0.737 0.665 0.599 15 1.000 0.860 0.739 0.633 0.542 0.463 20 1.000 0.818 0.668 0.544 0.442 0.358 25 1.000 0.778 0.603 0.467 0.360 0.277 30 1.000 0.740 0.545 0.401 0.294 0.215 35 1.000 0.703 0.493 0.344 0.240 0.166 40 1.000 0.669 0.446 0.296 0.195 0.129 45 1.000 0.636 0.403 0.254 0.159 0.099 Ri图13-2-3 Ri关系曲线 R=1R=0.99 R=0.98R=0.97R=0.960.00.20.40.60.81.01.2151015202530354045 R=0.95【例题】【例题】串联系统由n个可靠性Ri相等的单元构成，试求n=1,5,1014n并联系统可靠性框图并联系统可靠性框图n并联系统可靠度并联系统可靠度n系统的平均寿命系统的平均寿命 单元1单元2单元n并联系统并联系统并联系统可靠性框图单元1单元2单元n并联系统15n研究两个等可靠度的独立单元组成的并联系统的可靠度。研究两个等可靠度的独立单元组成的并联系统的可靠度。解 设单元等可靠度为因此，两个等可靠度单元组成的并联系统的可靠度为：所以系统的故障率为：从而有并联系统的失效率随时间而变化，当时间很长时可视为常数。【例题】【例题】研究两个等可靠度的独立单元组成的并联系统的可靠度。解 设16目录目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保证可靠性设计的常用技术5目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保17一、一、可靠性预测的目的可靠性预测的目的n1.1.为设计决策提供科学合理的依据。为设计决策提供科学合理的依据。n2.2.根根据据预预测测结结果果，编编制制可可靠靠性性关关键键件件清清单单，为为生生产产过过程质量控制提供依据；程质量控制提供依据；n3.3.为可靠性试验方案设计提供依据；为可靠性试验方案设计提供依据；n4.4.为产品系统的可靠性指标分配提供依据和顺序；为产品系统的可靠性指标分配提供依据和顺序；n5.5.对产品使用、维护提供信息等。对产品使用、维护提供信息等。一、可靠性预测的目的1.为设计决策提供科学合理的依据。18二、可靠性预测的程序二、可靠性预测的程序n确定质量目标。确定质量目标。n拟定使用模型。拟定使用模型。n建立产品结构。建立产品结构。n推导数学模型。推导数学模型。n确定单元功能。确定单元功能。n确定环境系数。确定环境系数。n确定系统应力。确定系统应力。n假定失效分布。假定失效分布。n计算单元的工作失效率和贮存失效率。计算单元的工作失效率和贮存失效率。n计算产品可靠性。计算产品可靠性。二、可靠性预测的程序确定质量目标。19三、可靠性预测的一般方法三、可靠性预测的一般方法n（一）元器件计数法（一）元器件计数法 n（二）应力分析法（二）应力分析法 n（三）相似产品法（三）相似产品法 三、可靠性预测的一般方法（一）元器件计数法 20（一）元器件计数法（一）元器件计数法n失效率数学模型失效率数学模型 其中：其中：s为系统（设备）总失效率；为系统（设备）总失效率；Gi为第为第i个元器件的个元器件的通用失效率，通用失效率，Qi为第为第i个元器件的质量系数；个元器件的质量系数；Ni为第为第i个个元器件的质量数量；元器件的质量数量；n为不同元器件的种类数目。为不同元器件的种类数目。n适用范围适用范围适用于适用于电子类产品的方案论证及初步设计阶段电子类产品的方案论证及初步设计阶段。在产品。在产品的原理图基本形成，元器件清单初步确定的情况下应用。的原理图基本形成，元器件清单初步确定的情况下应用。（一）元器件计数法失效率数学模型21（二）应力分析法（二）应力分析法 n失效率数学模型失效率数学模型其中其中b是基本失效率；是基本失效率；i是各种系数，如是各种系数，如是质量系数、是质量系数、E是环境系数等。是环境系数等。n适用范围适用范围应力强度模型认为产品所受的应力大于其允许的强应力强度模型认为产品所受的应力大于其允许的强度就会失效。因此，采用应力分析法需要知道元器件所度就会失效。因此，采用应力分析法需要知道元器件所受的应力，如温度、电压、振动等，这决定了应力分析受的应力，如温度、电压、振动等，这决定了应力分析法只能用于法只能用于详细设计阶段详细设计阶段。（二）应力分析法 失效率数学模型22（三）相似产品法（三）相似产品法 n预测的基本公式预测的基本公式 其中其中TBFS是系统的是系统的MTBF(h)；TBFi是第是第i分系统的分系统的MTBF(h)n适用范围适用范围相似产品法是根据以前研制和生产功能相似的产品时，所获得的相似产品法是根据以前研制和生产功能相似的产品时，所获得的失效率数据和特定的经验，估计新设计产品的可靠性参数。在机失效率数据和特定的经验，估计新设计产品的可靠性参数。在机械、电子、机电类具有相似可靠性数据的械、电子、机电类具有相似可靠性数据的新产品方案论证、初步新产品方案论证、初步设计阶段设计阶段，可用相似产品法进行可靠性预计，可用相似产品法进行可靠性预计n相似产品法的一般步骤相似产品法的一般步骤 (1)确确定定与与新新设设计计产产品品在在类类型型、使使用用条条件件及及可可靠靠性性特特征征最最相相似似的的现现有产品；有产品；(2)对相似产品在使用期间所有数据进行可靠性分析；对相似产品在使用期间所有数据进行可靠性分析；(3)根据相似产品的可靠性，作适当修正，作出新产品所具有的可根据相似产品的可靠性，作适当修正，作出新产品所具有的可靠性水平。靠性水平。或（三）相似产品法 预测的基本公式 或23目录目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保证可靠性设计的常用技术5目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保24n由流程保证可靠性的实现由流程保证可靠性的实现24由流程保证可靠性的实现2425可靠性分配的一般方法可靠性分配的一般方法平均等同分配等同分配代数分配代数分配加加权分配分配算术平均加权平均1、操作、操作简单，不考，不考虑重要度重要度2、未知或全新系、未知或全新系统70%30%60%40%可靠性分配可采用的方法：50%50%1、考、考虑重要度重要度2、有一定、有一定认识的系的系统1、考、考虑重要度重要度及及权重重2、很熟悉的系、很熟悉的系统可靠性分配的一般方法平均等同分配代数分配加权分配算术平均加权26目录目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保证可靠性设计的常用技术5目录4可靠性设计概述123系统可靠性模型可靠性预测可靠性的保27一、元器件的选用一、元器件的选用n元件的可靠性不仅与其固有可靠性有关，而且还与设计时选择的工作参数（电压、电流、功率 等）有关，电路形式和环境（如温度、振动、冲击等）条件有关，因此在电路可靠性设计中，必须重视元件的选择，设计重视各种冲击。1、少用高失效率元件少用高失效率元件（1）试制品、触点多、易振动；（2）出现磨损、氧化；2、考、考虑费用、工用、工艺成熟度、成熟度、触点少触点少（1）少用真空器件；（2）少用耗损性器件，如继电器、开关；元器件选用原则一、元器件的选用元件的可靠性不仅与其固有可靠性有关，而且还与28二、元器件的降额设计二、元器件的降额设计n降降额设计是使元器件或产品在工作时承受的工作应力适当低于额定值，达到降低元器件或产品的基本失效率，提高使用可靠性的目的。n原因原因n元件在元件在额定条件下工作，定条件下工作，环境、工作境、工作应力的力的变化造成化造成元件的故障。元件的故障。实质缓慢物理化学慢物理化学变化，使得元件特性退化，使得元件特性退化、功能化、功能丧失。失。这种种变化的快慢，与温度和施加在元器化的快慢，与温度和施加在元器件上的件上的应力大小直接相关力大小直接相关。n要点要点n在在设计时有意有意识地降低元器件在工作地降低元器件在工作时所承受的所承受的热、电、机械等各种、机械等各种应力，以达到改善元器件可靠性目的。力，以达到改善元器件可靠性目的。n范范围：电子、子、电控系控系统和机械零件、机械和机械零件、机械结构等。构等。n包括：包括：环境境应力和工作力和工作应力力二、元器件的降额设计降额设计是使元器件或产品在工作时承受的工29元器件的降元器件的降额设计（1）降）降额依据依据n原因原因n元件在额定条件下工作，环境、工作应力的变化造成元件的故障。实质缓慢物理化学变化，使得元件特性退化、功能丧失。这种变化的快慢，与温度和施加在元器件上的应力大小直接相关。n要点要点n在设计时有意识地降低元器件在工作时所承受的热、电、机械等各种应力，以达到改善元器件可靠性目的。n范围：电子、电控系统和机械零件、机械结构等。n包括：包括：环境应力和工作应力元器件的降额设计（1）降额依据原因30n元件承受的元件承受的环境境应力：客力：客观存在存在n温度、湿度、压力、辐射、振动、腐蚀等，这些随条件而变化。温度对寿命影响较大n工作工作应力：元件工作力：元件工作时，出，出现n电流、电压、频率、热量、机械负荷等n（1）温度对寿命影响n寿命（L)和工作温度(T)关系遵守阿伦尼斯方程n元件温度增加10度，寿命就缩短1/2称10 度法则n（2）温度及其他应力同时作用：元器件的降元器件的降额设计元件承受的环境应力：客观存在元器件的降额设计31元器件的降额设计元器件的降额设计n元件降额方法选择元件降额方法选择n电阻降低功率；n电容降低工作电压；n半导体降低工作功率；n数字电路降低周围环境和电负荷；n电子元件降额设计方案电子元件降额设计方案n降额系数有电流、电压和功率降额系数。n降额幅度越大，寿命越长。但重量、体积和成本增加。有时反而不利影响，因而存在一个优化问题。元件元件降额要求降额要求电阻电阻功耗不大于额定功率的功耗不大于额定功率的50；开关等开关等接触电流不大于额定的接触电流不大于额定的50电容电容工作电压不大于额定工作电压不大于额定50元器件的降额设计元件降额方法选择元件降额要求电阻功耗不大于额32三、电路的简化设计三、电路的简化设计n一、简化设计的条件一、简化设计的条件n起因：电路可靠性同电路的复杂程度有关，电路越复杂、电路失效概率大，可靠性降低。n目的：目的：减少元器件的数量。减少元器件的数量。n原则：原则：在保证原有规定条件下，完成电路性能前提下简化。在保证原有规定条件下，完成电路性能前提下简化。n二、途径（二、途径（3 3种）种）n模拟电路简化：包括采用成熟电路和简单电路n数字逻辑电路的简化n利用布尔代数方法简化逻辑电路；n采用集成电路n减少元器件的数量、连线、焊接点，显著减少电路的失效率减少元器件的数量、连线、焊接点，显著减少电路的失效率。三、电路的简化设计一、简化设计的条件33四、容差与漂移设计四、容差与漂移设计n现象：现象：产品在长时间工作，受自身和外界条件的影响，元件出现疲劳现象产品在长时间工作，受自身和外界条件的影响，元件出现疲劳现象其结果，元器件完成功能的能力出现偏差。参数漂移超出范围，漂移性失效。其结果，元器件完成功能的能力出现偏差。参数漂移超出范围，漂移性失效。n主要原因主要原因n元件本身有一定公差；1000 5；n环境条件变化（温度、振动、材质变异等），参数出现漂移。应对措施：应对措施：选择质量较好元件，元器件设计采用可靠性技术选择质量较好元件，元器件设计采用可靠性技术容差设计容差设计设计方法：设计方法：均方根偏差设计法；最坏情况设计法；蒙特卡洛法；均方根偏差设计法；最坏情况设计法；蒙特卡洛法；四、容差与漂移设计现象：产品在长时间工作，受自身和外界条件的34均方根偏差设计法均方根偏差设计法输出功率求偏差特性方程分布参数漂移范围设计完成yesno系统相关n均值参数，通过系统特性方程验算是否符合漂移范围；n日常常用；均方根偏差设计法输出功率求偏差特性方程分布参数漂移范围设计35n思想要点思想要点：按元器件性能参数可能出现的极限来设计电路。最坏条件按元器件性能参数可能出现的极限来设计电路。最坏条件求出参数变化在允许范围，则确保万无一失。求出参数变化在允许范围，则确保万无一失。n缺点缺点：对元器件要求提高，增加费用。对元器件要求提高，增加费用。n设计方法方法：将性能参数的最大（或最小）值带入特性方程，求出整机将性能参数的最大（或最小）值带入特性方程，求出整机性能参数的极限范围；性能参数的极限范围；n注意某参数的最大最小如何判断注意某参数的最大最小如何判断最坏设计法最坏设计法特性方程分布参数漂移范围设计完成yesno系统相关n极值参数，通过系统特性方程验算是否符合漂移范围；n日常操作常用；思想要点：按元器件性能参数可能出现的极限来设计电路。最坏条件36蒙特卡洛法蒙特卡洛法随机参数特性方程漂移范围设计完成yesnon随机参数，通过系统特性方程验算是否符合漂移范围；n多用于微机计算；蒙特卡洛法随机参数特性方程漂移范围设计完成yesno随机参数37五、电磁兼容性设计五、电磁兼容性设计n两种途径两种途径n电子设备内部电和磁互相兼顾和相容；n电子设备同环境电和磁互相兼顾和相容。n设计结果：是采取一些措施，提高元件设备在电磁环境中的适应设计结果：是采取一些措施，提高元件设备在电磁环境中的适应性性n电磁干扰的来源电磁干扰的来源：n外部环境：外部环境：雷电、宇宙、太阳黑子、无线电通信设备（卫星、雷达、导航等）；高压强电设备；电力机械等n武汉空难事故：2000.6.22-死亡49人n原因：雷电、大雨n内部环境：内部环境：电源、电容、电阻、继电器等五、电磁兼容性设计两种途径38六、冗余设计六、冗余设计n在可靠性较低的元器件或部件（分系统）两端，附加一个在可靠性较低的元器件或部件（分系统）两端，附加一个或几个相同的元器件或部件，保证产品仅当附加的元器件或几个相同的元器件或部件，保证产品仅当附加的元器件或部件全部失效时，产品才发生故障，这样的系统成为贮或部件全部失效时，产品才发生故障，这样的系统成为贮备系统，这种设计方法称为贮备设计，也称冗余设计。备系统，这种设计方法称为贮备设计，也称冗余设计。六、冗余设计在可靠性较低的元器件或部件（分系统）两端，附加一39七、热设计七、热设计n应用仿真技术，进行系统布局优化；n基本原则：热分布均匀化，减少热点、避免冷点；七、热设计应用仿真技术，进行系统布局优化；40THANKS