可靠性预计技术讲义.docx
- 文档编号:30303969
- 上传时间:2023-08-13
- 格式:DOCX
- 页数:47
- 大小:73.50KB
可靠性预计技术讲义.docx
《可靠性预计技术讲义.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《可靠性预计技术讲义.docx(47页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
可靠性预计技术讲义
航天产品
可靠性建模与预计技术讲义
陈晓彤
二○○一年八月
1.前言
建模与预计是用于估计所设计产品是否符合规定可靠性要求的一种方法。
建模的目的是为了对产品进行可靠性分析,特别是为了进行可靠性预计。
任务可靠性预计是估计产品在执行任务过程中完成其规定功能的概率。
基本可靠性预计是为了估计由于产品不可靠导致的对维修与后勤保障的要求。
当同时进行这两种预计时,它们可为判明特别需要强调和关注的方面提供依据,并为用户权衡不同设计方案的费用效益提供依据。
建模和预计应该在研制阶段的早期进行,以便于设计评审,并为产品可靠性分配及拟定改正措施的优先顺序提供依据。
当产品设计条件、环境要求、应力数据、失效率数据、工作模式发生重要变更时,应当及时修正可靠性模型和重做可靠性预计。
2.可靠性建模技术
2.1.可靠性建模的要求
2.1.1.基本可靠性模型
基本可靠性模型包括一个可靠性框图和一个相应的可靠性数学模型。
基本可靠性模型是一个串联模型,包括那些冗余或代替工作模式的单元都按串联处理,用以估计产品及其组成单元引起的维修及后勤保障要求。
基本可靠性模型的详细程度应该达到产品规定的分析层次,以获得可以利用的信息,而且失效率数据对该层次产品设计来说能够作为考虑维修和后勤保障要求的依据。
2.1.2.任务可靠性模型
任务可靠性模型包括一个可靠性框图和一个相应的数学模型。
任务可靠性模型应该能描述在完成任务过程中产品各单元的预定用途。
预定用于冗余或代替工作模式的单元应该在模型中反映为并联结构,或适用于特定任务阶段及任务范围的类似结构。
任务可靠性模型的结构比较复杂,用以估计产品在执行任务过程中完成规定功能的概率。
任务可靠性模型中所用产品单元的名称和标志应该与基本可靠性模型中所用的一致。
只有在产品既没有冗余又没有代替工作模式情况下,基本可靠性模型才能用来估计产品的任务可靠性。
然而,基本可靠性模型和任务可靠性模型应当用来权衡不同设计方案的效费比。
对于导弹来说,系统级、分系统和设备级一般是串联模型。
2.2.可靠性建模的步骤
2.2.1.定义产品
a.规定产品故障判据
应该规定每种状态下的故障判据判据。
b.规定条件
规定在执行任务过程中产品各单元所遇到的环境和工作应力。
还应规定各单元的占空因数或工作周期。
占空因数是单元工作时间与总任务时间之比。
工作周期应当描述预期的持续时间,以及从产品分配给操作者直至损坏或返回后勤的某一时间周期及在这个期间内的一系列事件。
后勤周期应当描述维修、运输、贮存等事件的预期持续时间及顺序。
c.规定任务时间
必须对产品工作的时间做出明确的定量规定,这是有重要意义的。
对于在任务的不同阶段,以不同的工作模式进行工作,或者只有在必要条件下才使用某些分系统的复杂产品来说,要给每一下级单元规定工作时间要求。
如果不能确切地规定工作时间,则需要规定在任务期限内成功地工作的概率。
d.定义产品单元的可靠性变量
可靠性变量是用来描述任务可靠性框图中的每个单元完成其功能所需要的时间、周期或事件。
2.2.2.确定产品可靠性框图
可靠性框图应通过简明扼要的直观方法,表现出产品在每次使用能完成任务的条件下,所有单元之间的相互依赖关系。
为了编制可靠性框图,需要深入地了解产品任务及使用过程中的要求。
a)框图的标题和任务
每个可靠性框图应该有一个标题,该标题包括产品的标志、任务说明或使用过程要求的有关部分。
完成任务的规定应确切地说明:
在规定条件下,计算出来的可靠性特征量对框图所示的产品及其性能的意义和作用。
b)限制条件
每个可靠性框图应该包括所有规定的限制条件。
这些限制条件影响框图表达形式的选择、用于分析的可靠性参数或可靠性定量,以及拟定框图时所用的假设或简化形式。
这些条件一旦被确定下来,就应该在整个分析过程中遵守。
c)方框的顺序和标志
框图中的方框按一个逻辑顺序排列,这个顺序表示产品操作过程中事件发生的次序。
每个方框都应加以标志。
对只包含少数几个方框的框图可以在每个方框内填写全标志。
对含有许多方框的框图应该将统一的编码标志填入每个方框。
统一标志系统应能保证将可靠性框图中的方框追溯到可靠性文件中规定的相应硬件(或功能)而不致发生混淆。
编码应以单独一张清单加以规定。
d)方框代表性和可靠性变量
可靠性框图的绘制应该使产品中每一个单元或功能都得到表现。
每一个方框应该只代表一个功能单元。
所有方框应该按需要以串联、并联、贮备或其它组合方式进行连接。
应给每个方框确定可靠性变量。
e)未列入模型单元
产品中没有包括在可靠性模型里的硬件或功能单元必须以单独的一张清单加以规定,对没有列入可靠性模型的每项工作单元应该说明理由。
f)方框图中的假设
可靠性框图采用的一般假设如下:
a.在分析产品可靠性时必须考虑方框所代表的单元或功能的可靠性特征值;
b.所有连接方框的线没有可靠性值,不代表与产品有关的导线和连接器。
导线和连接器单独放入一个方框或作为另一个单元或功能的一部分;
c.产品的所有输入在规范极限之内;
d.用框图中一个方框表示的单元或功能失效就会造成整个产品的失效,有代替工作模式的除外;
e.就失效概率来说,用一个方框表示的每一单元或功能的失效概率是相互独立的;
f.当软件可靠性没有纳入产品可靠性模型时,应假设整个软件是完全可靠的;
g.当人员可靠性没有纳入产品可靠性模型时,应假设人员完全可靠,而且人员与产品之间没有相互作用问题。
2.2.3.确定计算产品可靠性的概率表达式(数学模型)。
a)串联模型
m台设备(其工作互相独立)串联系统的基本可靠性和任务可靠性数学模型同为
b)并联模型
m台设备(其工作互相独立)并联系统的任务可靠性数学模型为
或者
c)冷贮备模型
一台设备处于工作状态,同时有n-1台设备处于贮备状态,用转换开关检测工作设备的失效、并能在工作设备发生失效的瞬间,自动转向备用设备的系统为冷贮备系统。
冷贮备系统可靠性数学模型:
若各单元失效率同为常数λ
若各单元故障率
互不相同
d)表决系统模型
三设备按多数表决冗余系统任务可靠性数学模型是
式中
为表决比较器的可靠性。
一般n中取k表决系统,在各单元可靠性R相同、表决器完全可靠条件下,数学模型是
e)A3.1.1.5复杂网络模型(串──并联模型)
系统完成任务必须是当设备A及设备
工作,或设备
工作,或设备
工作。
相同字母表示同型设备,即
。
用全概率公式:
P(A工作时系统完成任务)+
P(A失效时系统完成任务)
任何复杂的任务可靠性框图都可采用与此相同的程序,反复应用全概率公式来化简和求解。
如果网络中含有重复单元,即同一设备在框图中不止出现一次时。
应将公式展开,并用布尔公式化简例如
,这里假设A是重复单元。
3.可靠性预计技术
3.1.预计方法
可靠性预计方法有相似产品法、元件计数法和元件应力分析法等。
3.1.1.相似产品法
利用有关相似产品所得到的特定经验的预计方法。
估计可靠性的最快方法是将正在研制的产品与一个相似产品进行比较,后者的可靠性以前曾用某种手段确定过,并经过了现场评定。
对正在按系列开发的产品,这种方法可以不断地应用。
预期的新设计不只是与老设计相似,而且细微的差别也要能够易于确定和评定。
当预计对象为成熟产品,并有充分可信的使用数据或试验数据时,可利用这些数据对该产品进行可靠性评估,用评估结果代替可靠性预计。
3.1.2.元件计数法
元件计数法是在初步设计阶段使用的预计方法。
在这个阶段中,每种通用元件(例如电阻器、电容器)的数量已经基本上确定,在以后的研制和生产阶段,整个设计的复杂度预期不会有明显的变化。
元件计数法假设元件的寿命是指数分布的(即元件失效率恒定)。
元件计数法所需要的辅助信息有:
a.通用的元件种类(包括微电子器件的复杂度);
b.元件数量;
c.元件质量等级;
d.产品工作环境。
元件计数法中产品失效率的一般表达式是:
对一定的环境来说,式中:
=产品总失效率
=第i类元件的通用失效率
=第i类元件的质量系数
=第i类元件数量
n=不同的元件种类数
3.1.3.元件应力分析法
元件应力分析法是用于详细设计阶段的一种预计方法。
在这个阶段,所使用的元件规格、数量、工作应力和环境、质量系数等应该是已知的,或者根据硬件定义可以确定的,当使用相同元件时,对它们的失效率因子所做的假设应该是相同的和正确的。
在实际或模拟使用条件下进行可靠性测量之前,元件应力分析法是最精确的可靠性预计方法。
元件应力分析法假设元件寿命服从指数分布(即具有恒定失效率)。
3.2.可靠性预计程序
按以下程序进行可靠性预计:
(1).收集有关资料,包括有关设计报告、元器件清单、设计电路图、选用的数据源等;
(2).确定产品任务剖面,包括任务时序描述和经历的环境剖面;
(3).建立可靠性模型,包括系统级、设备级、板级可靠性模型;
(4).进行可靠性预计,包括元器件级、板级、设备级和系统级可靠性预计;
(5).编写可靠性预计报告。
4.可靠性预计要求
a)失效率信息来源应该在使用之前得到需方的认可。
b)为确定每个零部件所经受的工作应力,应根据预计种类和已有的详细设计资料进行应力分析。
进行这些分析时,应该采用定货单位可以接受的分析技术。
为计算施加应力所产生的影响,应该用适当的因子修正失效率。
c)若无其它规定,应按最坏的工作情况和环境条件进行预计。
d)对于非指数分布的零部件,预计报告中应当列出其失效分布。
所有失效分布的假设都应当有必要的依据。
e)预计方法可以选择。
不同的预计方法可适用于系统的不同组成单元。
f)可靠性模型和预计工作的详细程度需要与失效率信息相适应。
有时,不太详细的模型和预计工作比更详细的预计有意义,因为前者可以及时用于设计更改,有助于可靠性增长;而后者往往不够及时,会使设计更改成为不经济的或不可行的。
g)应当强调建模和预计工作的及时性。
建模和预计工作的时间阶段划分具有极重要意义。
尽早利用建模和预计结果可以使对费用和进度的影响最小。
假如模型和预计工作不能在计划决策时或在此之前提供有用信息,则这些工作就会因不及时而没有起作用。
4.1.元器件级可靠性预计要求
当预计对象为进口元器件时,采用MIL-HDBK-217E(或MIL-HDBK-217F)中的数据进行预计;当预计对象为国产元器件时,采用GJB/Z299B中的数据进行预计;当上述标准中无预计对象的数据时,可采用其他数据源进行预计。
采用的数据源应在预计报告中予以说明。
元器件预计按附表1~40规定的格式进行,各类元器件对应的可靠性预计用表见表1。
表1各类元器件的可靠性预计用表规定
一级分类
二级分类
元器件名称
预计表格
微电路
半导体单片集成电路
单片双级与MOS数字电路
PLA和PAL电路
单片双级与MOS电路
单片双级与MOS微处理器
附表1
SRAM存储器
DRAM存储器
ROM存储器
CCD存储器
附表2
PROM存储器
附表3
UVEPROM
EEPROM存储器
附表4
混合集成电路
附表5
声附表面波器件
附表38
半导体分立器件
晶体管
普通晶体管
附表6
普通双极型晶体管
硅NPN
硅PNP
锗PNP
锗NPN
附表7
大功率双极型晶体管(平均功率≥1W,工作频率≥0.5GHz)
附表8
硅场效应晶体管
附表9
砷化镓场效应晶体管
附表10
单结晶体管
附表11
闸流晶体管
附表12
二极管
普通二极管
附表6
电压调整二极管
电压基准二极管
电流调整二极管
附表13
微波二极管
附表14
变容二极管
阶越二极管
隧道二极管
PIN二极管
体效应二极管
崩越二极管
附表15
光电子器件
附表16
电子管
普通电子管
附表17
行波管
附表18
磁控管
附表19
电阻器
合成电阻器P≤2W
金属膜电阻器P≤2W
碳膜电阻器P≤2W
功率非线绕电阻器P≥5W
精密线绕电阻器
功率线绕电阻器
附表20
电阻网络
附表21
热敏电阻器
压敏电阻器
附表22
电位器
普通线绕电位器
精密线绕电位器
微调线绕电位器
附表23
功率线绕电位器
附表24
有机实芯电位器
合成碳膜电位器
附表25
玻璃釉电位器
附表26
电容器
纸介电容器
金属化纸介电容器
涤纶电容器
聚丙烯电容器
纸-膜复合介质电容器
聚苯乙烯电容器
聚四氟乙烯电容器
附表27
玻璃釉电容器
云母电容器
1、2类瓷介电容器
非固体钽电解电容器
铝电解电容器
附表28
固体钽电解电容器
附表29
感性元件
变压器
大、小功率脉冲变压器
中频变压器
音频变压器
电源变压器
滤波扼流圈
高压变压器
射频变压器
附表30
线圈
固定和可变小线圈
电感器
小、大功率射频线圈
偏转线圈
附表31
继电器
机电继电器
电磁继电器
干簧继电器
温度继电器
电子时间继电器
附表32
固体继电器
附表33
开关
按钮-扭子式开关
拨动式开关
旋转式开关
微动式开关
附表34
连接器
射频同轴连接器
圆形连接器
矩形连接器
印制电路板用连接器
附表35
旋转电器
电动机
鼓风机
低速负载电机
计时器
附表36
印制板和焊接点
印制板
附表37
焊接点
附表36
磁性器件
附表36
石英谐振器
附表38
滤波器
电子滤波器
附表38
压电陶瓷
石英晶体
机械滤波器
附表39
电池
附表38
灯
附表40
附表中“关于λb的说明”一栏应至少填写表格中λb数据在所采用数据源中的位置。
电缆、天线、熔断器、仪表表头、加热器、集成电路插座、微波器件、激光器件、LC延迟线的工作失效率可按GJB/Z299B中的表5.1.18直接给出。
当预计对象无可用预计的数据源时,可采用工程计算或经验评估进行可靠性预计,采用的方法应在预计报告中予以说明。
a)板级可靠性预计要求
基于元器件建立线路板可靠性模型,根据已建立的可靠性模型,利用各元器件的预计结果进行可靠性参数计算,将计算结果作为线路板可靠性预计结果。
b)设备级可靠性预计要求
基于元器件和线路板建立设备可靠性模型,根据已建立的可靠性模型,利用元器件、线路板的预计结果进行可靠性参数计算,将计算结果作为设备可靠性预计结果。
c)系统级可靠性预计要求
基于元器件和设备建立系统可靠性模型,根据已建立的可靠性模型,利用元器件和设备的预计结果进行可靠性参数计算,将计算结果作为系统可靠性预计结果。
b)可靠性预计报告编写规定
可靠性预计报告中应包括以下内容:
a.前言。
包括任务来源、当前所处研制阶段、采用的预计方法和数据源等;
b.产品说明。
包括产品电路图、原理说明和可靠性指标规定等,可引用其它文件或图纸;
c.产品任务剖面和环境剖面描述;
d.各级产品可靠性模型。
包括可靠性框图和计算公式,可引用其它文件;
e.元器件可靠性预计表格(附表1~40)。
建议填写采用表格中的全部栏目,要求表格中除“可靠度”栏外的其余栏目应全部填写;
f.各级产品可靠性预计过程和结果;
g.结论。
包括产品的预计结果与可靠性指标的规定值进行比较,通过预计发现的可靠性薄弱环节等。
附表1:
单片双级与MOS数字电路、PLA和PAL电路,单片双级与MOS电路,单片双级与MOS微处理器
可靠性预计表格
元件标识
环境系数
πE
质量系数
πQ
成熟系数
πL
温度应力系数πT
结温
Tj
电压系数
πV
复杂度失效率
工作失效率
λP
任务时间
t
可靠度
R(t)
C1
C2
C3
表注:
a)C1、C3、C3、λP的单位为10-6/h;
b)工作失效率计算模型:
λP=πQ[C1πTπV+(C2+C3)πE]πL;
c)可靠度计算模型:
。
附表2:
SRAM、DRAM、ROM及CCD存储器
可靠性预计表格
元件标识
环境系数
πE
质量系数
πQ
成熟系数
πL
温度应力系数πT
结温
Tj
电压系数
πV
复杂度失效率
工作失效率
λP
任务时间
t
可靠度
R(t)
C1
C2
C3
表注:
a)C1、C3、C3、λP的单位为10-6/h;
b)工作失效率计算模型:
λP=πQ[C1πTπV+(C2+C3)πE]πL;
c)可靠度计算模型:
。
附表3:
PROM存储器
可靠性预计表格
元件标识
环境系数
πE
质量系数
πQ
成熟系数
πL
温度应力系数πT
结温
Tj
电压系数
πV
工艺系数
πPT
复杂度失效率
工作失效率
λP
任务时间
t
可靠度
R(t)
C1
C2
C3
表注:
a)C1、C3、C3、λP的单位为10-6/h;
b)工作失效率计算模型:
λP=πQ[C1πTπVπPT+(C2+C3)πE]πL;
c)可靠度计算模型:
。
附表4:
UVEPROM及EEPROM存储器
可靠性预计表格
元件标识
环境系数
πE
质量系数
πQ
成熟系数
πL
温度应力系数πT
结温
Tj
电压系数
πV
循环率系数
πCYC
复杂度失效率
工作失效率
λP
任务时间
t
可靠度
R(t)
C1
C2
C3
表注:
a)C1、C3、C3、λP的单位为10-6/h;
b)工作失效率计算模型:
λP=πQ[C1πTπVπCYC+(C2+C3)πE]πL;
c)可靠度计算模型:
。
附表5:
混合集成电路
可靠性预计表格
元件标识
环境系数
πE
质量系数
πQ
成熟系数
πL
温度应力系数πT
电路功能系数
πF
基本失效率
λb
工作失效率
λP
任务时间
t
可靠度
R(t)
λb的计算说明
表注:
a)λb、λP的单位为10-6/h;
b)工作失效率计算模型:
λP=λbπEπQπLπTπF;
c)可靠度计算模型:
。
附表6:
普通晶体管及二极管
可靠性预计表格
元件标识
环境系数
πE
质量系数
πQ
应用系数
πA
电压应力系数πS2
额定功率或电流系数πr
结构系数
πC
基本失效率
λb
工作失效率
λP
任务时间
t
可靠度
R(t)
关于λb的说明
表注:
a)λb、λP的单位为10-6/h;
b)工作失效率计算模型:
λP=λbπEπQπAπS2πrπC;
c)可靠度计算模型:
。
附表7:
普通双极型晶体管(硅NPN、硅PNP、锗PNP、锗NPN)
可靠性预计表格
元件标识
环境系数
πE
质量系数
πQ
应用系数
πA
电压应力系数πS2
额定功率或电流系数πr
结构系数
πC
基本失效率
λb
工作失效率
λP
任务时间
t
可靠度
R(t)
关于λb的说明
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 可靠性 预计 技术 讲义