系统可靠性理论与工程实践39203

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,),系统可靠性理论与工程实践,2002年8月11日,内容安排,1 系统可靠性基础理论,理论体系探讨,2,工程实践,Intersil公司、Ford公司,3 可靠性工程几个热点问题,发展趋势展望,可靠性,一个满意的顾客会告诉8个人，,一个不满意的顾客会告诉20个人，,只有可靠的产品才能带来长期效益和忠诚的顾客！,1,系统可靠性基础理论,系统可靠性基本术语,（1）,系统（,System,）,一个系统是由一组零件（元件）、部件、子系统或装配件（统称为单元）构成的、完成期望的功能、并具有可接受的性能和可靠性水平的一种特定设计。,系统实例,对系统可靠性的认识误区,1.,在特定的时间内，已知系统所有单元的可靠度为90%,则系统可靠度为90%。,2,.Mechanical engineers know everything.,3.Reliability is a project.,4.The craftsman is only involved in repair,not in reliability.,5.The key to high reliability is speedy repair.,可靠性方块图,(RBDs,Reliability Block Diagrams),可靠性方块图,是系统单元及其可靠性意义下连接关系的图形表达,表示单元的正常或失效状态对系统状态的影响。在一些情况下，它不同于结构连接图。,计算机的简化可靠性方块图,可靠性方块,一个方块可以代表零件（元件）、部件、子系统或装配件，取决于它选择的“黑箱”水平（具体层次）。,系统可靠性评估的第一步是获取数据（寿命或成功次数等），估计单元的可靠性水平。,单元可靠性估计的流程,1.2 系统可靠性模型,(1)串联系统,(2)并联系统,(3)k/n表决系统,(4),串并联混合系统,(5),储备系统,(6)复杂系统,可靠性串联系统,系统可靠度为,可靠性串联系统中，可靠性最差的单元对系统的可靠性影响最大。,可靠性串联系统,可靠性并联系统,系统可靠度为,图7 可靠性并联系统,冗余最大,例：双工系统,可靠性并联系统,k/n,表决系统,特例：1/n串联系统,n/n并联系统,系统可靠度：,k/n表决系统,复杂系统,分析方法：,1.分解分析方法：选择关键单元，先分解系统，再组合计算。,2.the Event Space Method.,3.the Path-Tracing Method.,图9 可靠性复杂系统模型示例,1.3,单元重要度,分析单元重要度，可以找出系统的薄弱环节。,单元,i,的概率结构重要度：,关键重要度,FV重要度,BP重要度,1.4,系统可靠性分析,(1),系统可靠度估计,引入单元可靠度函数，运用上述模型即可计算系统可靠度。,(2),寿命预测,根据系统可靠度，可以计算系统的平均寿命、保证寿命、,BX,（如：,B10,）、可靠寿命等。此外，可以计算系统的寿命分布规律、失效率。,1.4,系统可靠性分析,(3),模拟分析,模拟分析可以克服解析法的缺点，完成复杂系统的可靠性分析。其原理：基于the Monte Carlo simulation method,根据每个单元的失效分布产生随机失效时间，模拟系统的工作状态，然后对系统可靠度作经验估计。,1.5,可靠性设计,在产品开发阶段要尽早考虑和构造可靠性。,将可靠性和性能一样设计到产品中去。,1.5,可靠性设计,(1),问题识别：获取改进可靠性的机会。工具：维修数据分析、用户意见分析、可靠性试验、可靠性分析等。,(2),失效分析。认识失效机理和发现改进措施。工具：,FMECA,，,FTA,等。,(3),寿命周期费用和保修费用分析。,(4),比较研究（,Trade-off studies,），可靠性优化，费用效益分析。,(5),可靠性目标确定。工具：,QFD,等。,(6),可靠性优化分配。,1.6,可靠性分配和可靠性优化,有两个方法改进系统的可靠性：,故障避免,和,故障容错,。,避免故障，要求使用高质量和高可靠性的元件，通常比故障容错方法的成本低些。而故障容错，需要冗余，导致设计难度加大，成本、重量、体积等增加。,典型的可靠性增长曲线,1.6,可靠性分配和可靠性优化,优化前需要明确规定：,a)成本函数Cost/Penalty Function,b)可靠度上限,Maximum Achievable Reliability,1.6,可靠性分配和可靠性优化,改进难度和可靠度上限的影响,1.6,可靠性分配和可靠性优化,建立系统可靠性优化的目标函数：,1.6,可靠性分配和可靠性优化,例,：,由三个单元组成的可靠性串联系统，在,100,小时内的目标可靠度为,0.90,，考虑五种情况：,Case 1,三个单元都服从,=1.318,、,=312hrs,的威布尔分布，改进可行性中等。,Case 2,同,Case 1,，但改进可行性不同：单元,1,易，单元,2,中，单元,3,难。,Case 3,在,100,小时内，单元,1,、,2,、,3,的可靠度分别为,0.7,、,0.8,、,0.9,，改进可行性相同：易。,Case 4,在,100,小时内，单元,1,、,2,、,3,的可靠度分别为,0.7,、,0.8,、,0.9,，改进可行性分别为：易、中、难。,Case 5,在,100,小时内，单元,1,、,2,、,3,的可靠度分别为,0.7,、,0.8,、,0.9,，改进可行性分别为：难、易、中。,假设在,100,小时内，,MAR,均为,0.999,，则优化结果如右表,1,所示。,1.7,可修复系统,对于可修复系统，须同时考虑可靠性和维修性。类似于基于寿命数据的可靠性建模方法，可以处理修复数据获得维修性特征量，如：维修度、修复率、平均修复时间等。可用性综合考虑可靠性和维修性。,维修方式：事后维修和预防维修,事后维修的三个典型步骤：,a)问题诊断；,b)故障零件的更换或修理；,c)维修确认。,预防维修活动包括设备检查，局部或全面定期检修，换油等。,预防维修可以提高系统的可靠性、减少停机时间和更换费用、优化备用件库存。,预防维修,：,计划维修和视情维修,计划维修针对产品老化情况。,基础工作：维修历史记录分析、传感器监测数据分析、备用件库存优化、维修最佳间隔期的确定、设备维修模拟等。,视情维修,基础：设备性能退化、测试技术和诊断技术。,图,14,预防维修与事后维修的费用比较,停机时间（维修时间）,停机时间分为等待时间和修理时间。等待时间主要与后勤工作、管理工作有关。而修复时间主要取决于维修人员和产品的可维修性设计。基于停机时间，可以建立维修度函数，统计维修性特征量。,更新理论,图,13,系统停机时间为元件停机时间的函数,（三个元件组成的可靠性串联系统）,可修复系统,可用度分为瞬时可用度、稳态可用度、平均可用度、使用可用度等。,维修费用分析：识别主要费用要素。,失效数据分析：对同类的产品或单个产品进行统计分析，了解,MTBF,、主要失效模式等。,1.8 可靠性管理,可靠性管理是可靠性工程组成部分，占有很重要地位，有人曾讲；“产品可靠性是设计出来的、制造出来的和管理出来的”。,可靠性管理工作包括：可靠性设计、试验和管理标准，可靠性大纲，可靠性管理机构，数据网等。从产品可靠性指标分配、预计、可靠性设计、可靠性分析、可靠性试验、数据交换等进行系统化管理。,90,年代美国由于以经费为独立变量，废除大量的军用标准，大力推行健壮设计和并行工程及,IPPD,管理。首先在美国海军及其相关工业部门广泛推广“网络化”管理。通过大量标准、规范引入和支持，为“网络化”管理提供依据和指导，实施程序化、规范化、系统化的“网络化”管理。,1.9 其他相关理论,(1),供应链分析：企业之间的协作减少提供产品和服务的供应链时间，减少库存。需求不确定性增大，需要供应链越敏捷。,(2),人机工程：考虑人机系统，注意人的能力和局限。包括：可维修设计（拆卸、装配程序评估），软硬件设计（人机界面、通讯、显示与控制技术），可操作性试验（录像分析，方案比较），人操作可靠性分析等。,1.9 其他相关理论,(3),制造统计技术：主要包括：统计过程和质量控制（如：,SPC,，抽样，过程能力分析，改进计划，变差减少），实验设计（,DOE,），统计建模（如：,SPC,，回归分析，方差分析，时序分析，多元分析，非参数分析）等。,(4),工业工程：工业工程涉及技术系统的设计、安装、改进、评估和控制。目标是，在尽可能降低成本的同时优化系统的资源来提升质量、效率、生产率。工具：数学模型（对复杂系统应用随机模型）、实验设计、连续过程改进、生产性研究、计算机模拟、神经网络（处理非线性现象，减少数据处理时间）、专家系统等。,2,工程实践,2.1Intersil,公司的,Building-In Reliability,Intersil（网线）公司为晶片制造商，在无线网络、电源管理领域国际领先。,2.2Ford,公司的,Useful Life Reliability Process,Ford（汽车）公司将Useful Life Reliability Process 任务作为产品开发系统的重要工作。,3 可靠性工程的几个热点问题,可靠性工程的热点问题一,无维修使用期,(MFOP),在国际上早在,1995,年对传统的可靠性定义提出了质疑，在欧洲开始用无维修使用期,(MFOP),取代原先的,MTBF,，摒弃随机失效无法避免的旧观念，故障率浴盆曲线分布规律也就被打破。当前国际上兴起在可靠工程中推行失效物理方法的新潮流，目的是设计出不存在随机失效的产品。同时，从故障修理转换到计划预防维修。,无维修使用期,(MFOP),要做到“无维修使用期”必须作好如下两项工作：,一是,改变可靠性设计思路,：以自下而上的可靠性设计方法，取代采用,MTBF,进行自上而下分配方法。重点可采取如下设计措施：采用状态监控，故障诊断和故障预测设计；容错设计；可重构性设计；动态设计；故障软化设计；环境防护设计；冗余设计；在任务能力不受影响下，留出可接受的降级水平设计等。,无维修使用期,(MFOP),二是,改变可靠性工程工作方法,：必须把人力、精力集中于产品研发早期阶段。应做如下工作：,失效物理分析、研究与应用；,开展可靠性研制试验，及早暴露设计缺陷，采取有效纠正措施；,开展高加速应力试验(HAST)，暴露产品薄弱环节予以纠正；,严格设计评审制度，消除设计隐患；,制订合理预防维修计划并予以实施。,可靠性工程的热点问题二,可靠性指标体系及其验证,在产品可靠性验证与评价中，在确认故障，采用什么方法对故障数据进行处理，直接关系到产品的生存和发展。一般都把可靠性验证试验中产品的存在状态简化为“二元状态（成功、故障）”处理。故障统计也比较简单，要么为0，要么为1，对故障既不分类，也不加权，这在工程实施显然存在问题。如果把这些后果严重程度不同的故障，等同看待，客观上是不合理的，与实际情况也是不相符的。,可靠性指标体系及其验证,早在,70,年代美国在地面产品广泛地采用故障加权。,在,1980,年美军标准,MIL,STD,785B,颁布后，故障加权处理方法被取缔。,产品可靠性指标细化分解，分别验证。,MIL,STD,7810,工程研制鉴定和生产可靠性试验正式文本中，首次提出在可靠性验证中按后果严重程度把发生故障区分为：致命故障，严重故障和轻度故障三类。,我们国家有标准可查的就有近20种门类产品对故障进行加权处理。,目前对故障加权有争议。,可靠性工程的热点问题三,加强软件可靠性设计,随着社会日益信息化，系统(或设备)软件功能较硬件功能占系统功能比例越来越高。,时至今