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可靠性工程,主讲：杨新雨,目录,一、可靠性工程概述 二、可靠性统计基础知识 三、系统的可靠性分析 四、系统的失效（故障）分析 五、可靠性设计 六、可靠性试验 七、可靠性管理,一、可靠性工程概述,可靠性概述 （一）可靠性基本概念 （二）可靠性的常用度量 （三）浴盆曲线,一、可靠性工程概述,可靠性问题开始于第二次世界大战之中提出。当时,军事装备已大量采用电子产品,但由于产品不可靠,造成重大损失。因此,50年代初人们开始有组织地、系统地研究电子产品的可靠性问题。 可靠性技术发展，大致可分为四个阶段： 调查研究阶段(19501957年)：这一阶段主要对以电子管为重点的电子元件、器件进行现场数据收集和分析；研究寿命试验方法并成立专门的可靠性组织。,一、可靠性工程概述,统计试验阶段（19571962年）：主要研制环境与可靠性试验设备；开展产品统计抽样寿命试验；制订电子产品可靠性标准和可靠性组织、管理规范；建立可靠性数据收集和交换系统。 可靠性物理研究阶段（19621968 年）：这一阶段主要分析元件、器件失效机理；加强可靠性设计与工艺研究，建立高可靠元件、器件生产线；研究加速寿命试验的方法。 可靠性保证阶段 (1968 )：这一阶段的特点是建立保证产品可靠性的管理制度,形成质量保证系统;建立电子元件、器件可靠性认证制度；发展可靠性试验技术和改进可靠性标准。,一、可靠性工程概述,可靠性技术是一门综合性的边缘学科，它是研究如何提高产品可靠性的技术。 可靠性技术是和数学、物理、化学、环境科学、人机工程、电子技术、机械技术、管理科学等多门学科密切相关的综合技术！ 、概率论和数理统计学-可靠性研究的数学工具 、环境与寿命试验-检查产品和验证薄弱环节的工具 、数理统计、推论分析-可靠性研究的依据 、应用管理科学-提高可靠性的工具,一、可靠性工程概述,（一）概念介绍： 1、可靠性 2、失效（故障） 3、维修性 4、保障性,一、可靠性工程概述,、可靠性： 产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。 规定条件：一般指的是环境条件,负荷条件和工作方式。包括温度、湿度、负荷电压、连续/间断方式等条件。 规定时间：是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。因此以数学形式表示的可靠性各特征量，是时间的函数。 这里的时间概念不限于一般的日、分、秒，也可是与时间成比例的次数、距离。如循环次数、汽车行驶里程。 规定功能：指产品的技术指标，包括电气性能、机械性能及其他性能（如软件控制性能）,一、可靠性工程概述,2、失效（故障）：产品或产品的一部分丧失规定的功能，或不能、将不能完成预定功能的事件或状态。 产品失效（故障）分类种类很多，按失效（故障）的规律分为偶然故障和耗损故障。 偶然故障：是由于偶然因素引起的故障，其重复出现的风险可以忽略不计，只能通过概率统计方法来预测。 耗损故障：是通过事前检测或监测可统计预测到的故障，是由于产品的规定性能随时间增加而逐渐衰退引起的。 耗损故障可以通过预防维修，防止故障的发生，延长产品的使用寿命。,一、可靠性工程概述,3、维修性：产品规定的条件和规定时间内，按规定程序和方法进行维修时，保持或恢复执行规定状态的能力。,一、可靠性工程概述,4、保障性：产品在某一规定的维修级别上的维修延误时间反映产品的,一、可靠性工程概述,（二）可靠性度量 1、可靠度 2、不可靠度 3、失效率,可靠度r（t）：它是产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率。一批产品的数量为n，从t = 0时开始使用，随着时间的推移，失效的产品件数逐渐增加，而正常工作的产品件数n(t)逐渐减少，用r(t)表示产品在任意时刻t的可靠度。 不可靠度f(t)：产品在规定时间内和规定的条件下,丧失规定功能的概率。也称为累积故障概率。 失效率：失效率是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。一般记为,它也是时间t的函数,故也记为(t),称为失效率函数,有时也称为故障率函数或风险函数；它反映t时刻失效的速率,也称为瞬时失效率。,一、可靠性工程概述,（三）浴盆曲线 对某一类产品而言，产品在不同的时刻有不同的失效率（也就是失效率是时间的函数），对电子产品而言，其失效率符合浴盆曲线分布 （如下图）：,浴盆曲线，分三部份（i、ii、iii三部份）： 第i部份是早期失效阶段。这段时间内，从外形上看，在失效率从一个很高的指标迅速下降；从物理意义上理解，由于少数产品在制作后，存在一些制程、运输、调试等问题，产品有比较明显的缺陷，在投入使用的最初期，这缺陷很快就显露出来，随着时间的增长，这些明显的缺陷越来越少，也就形成了“失效率迅速下降”的现象； 第ii部份是中期稳定阶段。这段时间内，产品的失效率稳定在一个较低水平；从物理意义上理解，当少数产品的明显缺陷显露出来后，剩下的就是正常的产品，这部份产品可以较稳定、持久地工作，所以失效率也稳定在一个较低水平； 第iii部份是后期失效阶段；这段时间内，产品的失效率迅速上升；从物理意义上理解，到了后期，产品经过长时间的工作、磨损、老化，慢慢接近寿命终点，随着时间的增加（tmax以内），到达寿命终点的产品越来越多，失效率也就随之上升；,二、可靠性统计基础知识,可靠性统计基础知识 概率基础知识 随机变量及其分布 统计基础知识 参数估计 假设检验,1、概率基础知识,随机事件及其概率 随机实验:满足下列三个条件的试验称为随机试验；（1）试验可在相同条件下重复进行；（2）试验的可能结果不止一个，且所有可能结果是已知的；（3）每次试验哪个结果出现是未知的；随机试验以后简称为试验，并常记为e。 随机事件：在试验中可能出现也可能不出现的事情称为随机事件：常记为 a，b，c 概率的定义 所谓事件a的概率是指事件a发生可能性程度的数值度量，记为p（a）。规定p(a)0， p（）=1。,2、随机变量及其分布,独立重复试验 在相同条件下，将某试验重复进行n 次，且每次试验中任何一事件的概率不受其它次试验结果的影响，此种试验称为n次独立重复试验。 随机变量：设试验的样本空间为，在上定义一个单值实函数x=x(e),e,对试验的每个结果e,(e)有确定的值与之对应。由于实验结果是随机的，那（e）的取值也是随机的，我们便称此定义在样本空间 上的单值实函数（e）为一个随机变量。 分布函数 ：设x为随机变量，对任意实数，则称函数 f（）=px 为随机变量x的分布函数。 随机变量分类：,几个重要分布 正态分布（高斯分布） 如果随机变量x的概率密度 为其中 为常数，则称x服从正态分布，记为xn 。 指数分布 如果随机变量x的概率密度 为其中 ，则称x服从参数为的指数分布，记为xe(),威布尔分布,3、统计基础知识,研究对象的全体称为总体或母体，组成总体的每个基本单位称为个体。 （1）按组成总体个体的多寡分为：有限总体和无限总体； （2）总体具有同质性：每个个体具有共同的观察特征，而 与其它总体相区别； （3）度量同一对象得到的数据也构成总体，数据之间的差 异是绝对的，因为存在不可消除的随机测量误差； （4）个体表现为某个数值是随机的，但是，它们取得某个 数值的机会是不同的，即它们按一定的规律取值，即 它们的取值与确定的概率相对应。,总体就是一个随机变量，所谓样本就是n个（样本容量n）相互独立且与总体有相同分布的随机变量x1 ， xn 。 每一次具体抽样所得的数据，就是n元随机变量的一个观察值，记为（x1，xn）。 通过总体的分布可以把总体和样本连接起来。 所谓分布，它是从全局而言的。通俗地说，分布就是某个对象在什么地方，堆积了多少。 任何一个随机变量都有自己的分布，这个什么地方就是在数轴上取什么值，堆积多少就是在那里占有的比例是多少或者概率有多大。 总体可以表示为随机变量，并具有自身的分布。 样本则是相互独立与总体具有相同分布的n元随机变量。因此，总体分布是总体和样本的连接点。从而，可以通过对样本特征的研究达到对总体进行研究的目的。因为它们具有相同的分布。,设（x1，x2，xn）为一组样本观察值，函数f（ x1，x2，xn ）若不含有未知参数，则称为统计量。 统计量一般是连续函数。由于样本是随机变量，因而它的函数也是随机变量，所以，统计量也是随机变量。 统计量一般用它来提取或压榨由样本带来的总体信息。,样本与总体之间的关系,样本是总体的一部分，是对总体随机抽样后得到的集合。 对观察者而言，总体是不了解的，了解的只是样本的具体情况。我们所要做的就是通过对这些具体样 本的情况的研究，来推知整个总体的情况。,数理统计问题：如何选取样本来对总体的种种统计 特征作出判断。,参数估计问题：知道随机变量（总体）的分布类型， 但确切的形式不知道，根据样本来估计总体的参数，这 类问题称为参数估计（paramentric estimation）。,参数估计的类型点估计、区间估计,4、参数估计,参数的估计量,设总体的分布函数为f(x,)（未知），x1，x2，xn 为样本，构造一个统计量 来估计 参数，则称 为参数的估计量。,将样本观测值 代入 ， 得到的值 称为参数的估计值。,参数的点估计,点估计的方法：数字特征法、矩法、极大似然法。,样本的数字特征法：以样本的数字特征作为相应总体 数字特征的估计量。,以样本均值 作为总体均值 的点估计量，即,点估计值,点估计值,以样本方差 作为总体方差 的点估计量，即,5、假设检验,假设检验 是推断性统计学中的一项重要内容，它是先对研究总体的参数作出某种假设，然后通过样本的观察来决定假设是否成立,参 数 假 设,样 本 观 察,假 设 检 验,具 体 的 统 计 方 法,假设检验的概念,假设基本形式 h0:原假设，h1:备择假设,假设检验：运用统计理论对上述假设进行检验，在原假设与备择假设中选择其一。,假设检验基本原理,小概率事件在一次试验中几乎不可能发生。,假设检验的基本依据小概率原理:,假设检验基本原理,假设检验的基本思想,前提： 承认 原假设,小概率 事件发生,大概率 事件发生,拒绝 原假设,接受 原假设,进行一次实验,假设检验基本原理,显著水平与两类错误,第一类错误：弃真（显著水平）,第二类错误：取伪,显著 水平 与 两类 错误,假设检验基本原理,对于一定的样本容量n ，不能同时做到两类错误的概率都很小。如果减小错误，就会增大犯错误的机会；若减小错误，也会增大犯错误的机会。,使、 同时变小的办法就是增大样本容量。,一般地说，哪一类错误所带来的后果越严重，危害越大，在假设检验中就应当把哪一类错误作为首要的控制目标。但在假设检验中，一般均首先控制犯错误概率。,两类 错误 关系,假设检验的步骤,一个完整的假设检验过程，通常包括以下四个步骤：,提出原假设（null hypothesis） 与备择假设（alternative hypothesis）,确定适当的检验统计量， 并计算检验统计量的值,规定显著性水平,作出统计决策,正态总体参数假设检验的步骤,第一步：建立原假设h0和备择假设h1。原假设应该是希望犯第类错误概率小的假设。 常用的假设形式 ：,正态总体参数的假设检验,正态总体参数假设检验的步骤,第二步：选择检验用的统计量。,u 检验,t 检验,f检验,常用 统计量,正态总体参数假设检验的步骤,第三步：确定显著水平的值，查相应的分布表得其临界值以及拒绝域。 第四步：进行显著性判别。,正态总体参数假设检验的步骤,正态总体参数假设检验的步骤,正态总体参数假设检验的步骤,三、可靠性分析,可靠性分析 可靠性结构模式 可靠性分配 可靠性预计,1、可靠性结构模式,系统的可靠性与可靠性结构模式 a.系统 指能够完成某项工作任务的分系统、技术人员的组合。按一般现代化复杂产品来说，一个系统除了硬件之外，还有软件。如小型计算机，大型发电站等。 b.系统的可靠性模式 系统是由各分系统组成的，系统的可靠性不仅和分系统的可靠性有关，而且，与系统的结构形式有十分密切的关系。 所谓可靠性结构模式就是从可靠性角度用方框图来描述系统与分系统之间的逻辑关系。通常又称可靠性框图。可靠性结构模式由串联型、并联型、混联型及网络形四种。可靠性框图与系统的电路图或机械结构图式不同的 。,现已直流稳压电源和滤油器的结构图为例说明它们的不同。 直流稳压电源的电路框图：,直流稳压电源的可靠性框图：,滤油器的结构图：,r1,r2,滤油器的滤网堵塞（失效）时的可靠性框图（串联模式）,滤油器的滤网破损（失效）时的可靠性框图（并联模式）,串联系统的可靠性计算 串联系统是所有的分系统都能正常工作时，系统才能正常工作。 则：rs= ri 并联系统的可靠性计算 分系统s1,s2,s3只要有一个分系统正常工作，系统就能正常工作，或者说，只有当全部分系统失效时，系统才失效。 则rs=1-（1-ri） 混联系统的可靠性计算,2、系统的可靠性分配,可靠性分配： 将产品的可靠性指标，按照产品的可靠性结构模式，应用数学方法分配给每一个分系统和每一个零部件的过程。 可靠性分配应考虑的问题： a.分系统的复杂程度，数量越多则越复杂； b.分系统的重要程度或关键程度，取决于分系统对系统失败的影响程度； c.分系统的工作时间，它们之间可能不同，工作时间长的可靠度越低； d.各分系统所在处的工作环境越恶劣可靠度越低； e.在满足成本、体积、重量的条件下，可使可靠性分配方案为较佳、最佳。,可靠性分配方法：等分配法、等比例分配法、代数分配法、加权因子分配法等。 代数分配法： 由美国电子设备可靠性顾问组提出来的，又称agree法。它适用于指数分布的串联系统的可靠性分配，在分配法的计算公式引入了复杂度系数k(各单元的元器件数目ni与系统单元总元器件数n之比)；重要度系数wi(权重)，公式如下： wi=n*wi*ti/ni(-rs) agree法要求ti/mi0.01,这时分配的准确度高，可以应用。当ti/mi0.01时分配的误差较大。,钱祖权提出了可靠性代数分配定理，在agree法的基础上作了修改，现介绍如下： a.串联代数分配定理 复杂度系数ki：设系统由k个分系统，其中第i个分系统有n个单元，则： ki=第i个分系统的单元数/系统的单元总数=ni/n1 重要度系数wi： wi=由第i个分系统的故障引起系统的故障数 / 第i个分系统的故障总数 1 串联代数分配公式： rs=（k/w）i *rs/ki=1 k/w）i b.并联代数分配定理 若系统由k个分系统并联组成，则各分系统按复杂程度和重要程度分配的不可靠度可用下式表示： (k/w)i fi = fs1/k k (k/w)i 1/k,加权因子分配方法 可靠性指标应考虑的因素： 可靠性指标分配是根据顾客的需求，转化为规格化的可靠性指标，即系统的可靠度rs或系统的平均无故障工作时间mtbfs.它是自上而下按一定的分配原则，将系统的可靠性指标分配到分系统和最小单元。 可靠性指标的分配，不能采取平均分配法，因为一般情况下个分系统的功能不同，复杂程度不同，因而应考虑下面各因素： 重要性因素 复杂性因素 环境因素 标准化因素 维修性因素 元器件质量因素 在分配时，对于各因子k的取值方法是这样的：以某分系统为标准单元，其分配加权因子kji=1，其他分系统与标准单元相比较，取其加权因子，一般按照历史资料和经验加以分配。 加权因子分配法公式： 对于指数分布串联结构模式的系统有： rs =rj j=1,2,n,3、系统的可靠性预计,a.可靠性预计也称可靠性预测，它是在产品研制的方案设计阶段和详细（技术）设计阶段中，根据设计方案、设计选用的元器件、电路和组装工艺以及产品使用的环境条件来预测产品未来的可靠性(s或mtbfs)的一个过程. b.目的： 在产品研制方案阶段，对产品的可靠性要量化，通过可靠性初步预计，估算s或mtbfs，可作为可靠性分配的依据； 通过详细的可靠性预计，可发现分系统、单元、元器件的薄弱环节和易出故障的问题，以便采取有效的补救措施，提高分系统和系统的可靠性； 从可靠性角度优选设计方案，以利提高产品水平。 c. 常用的可靠性预计方法有： 相似设备法、相似电路法、 元器件计数法、元器件应力分析法等。,相似设备法： 是从过去研制和生产的类似产品上获得的失效率数据和特定经验，进行快速可靠性预计的方法，此方法应用在方案设计阶段。 系统或设备的设计方案复杂性，是用他们具有的有源器件数来描述的。有源器件是指晶体管、集成电路等半导体材料组成的器件。一般情况下，电阻器、电容器等无源件暂不考虑。 设计方案的失效率预计值sp或mtbfs的预计值mtbfsp按下式计算： sp=nn/n0*s0 或mtbfsp= n0/nn*m0,相似电路法： 是利用已了解的电路的可靠性数据来推断新设计方案产品的可靠性方法。此种方法应用在方案设计阶段。 具体步骤如下： a.确定设计方案包括的典型电路的种类数和各自的数量。若方案共有k中典型电路，而每种电路数量为：n1,n2,nk例音频电压放大器3个，音频功率放大器1个，音频发生器2个 b.确定各典型电路的现场失效率的数值； c.累加设计方案各电路的失效率，得可靠性预计值sp： sp=i=1knii 或mtbfsp=1/sp,元器件计数法： 是在产品原理图基本形成，元器件清单初步确定的情况下应用。采用这种方法所需的信息是：所有元器件的种类以及数量；元器件数量等级；系统（或设备）的工作环境。对于可靠性结构模式为串联结构的系统或设备，其失效率的计算公式为： sp=ni(g)i 上述表达式适用于应用在同一环境类别的系统。如果系统所包含的n个单元是在不同环境中工作，则表达式就应该分别按不同环境考虑，将“环境单元”失效率相加，即为系统的总失效率。 各种元器件的通用工作环境温度ta，通用质量系数，通用失效率g可在我国军用标准gjb/z299b-98电子设备可靠性预计手册中查到。 我国把环境分为十七类；地面良好（gb），一般地面固定（gf1）平稳地面移动（gm1），舰船良好舱内（ns1）见gjb/z299b-98电子设备可靠性预计手册的第10-11页和209页。,元器件应力分析法： 应用此法是在产品设计的后期（技术设计）阶段的可靠性预计。这时产品已有原理图、详细工作电路图、结构图、详细的元器件清单，以及产品的使用环境，元器件的质量等级和工作应力已确定的条件下，才能应用。 此法以元器件的基本失效b为基础，根据元器件使用环境、质量等级、工作能力、工作方式以及对产品的制造工艺等项的不同，计算出元器件的工作失效率（使用失效率），进而求出部件或单元的失效率，最后计算出系统（产品）的失效率。 元器件的工作失效率可用下式表示： p=b(e a s2 r c) =bi,可靠性预计的一般程序,a.划分可靠性预计单元并建立系统（或设备）的可靠性结构模式。 先划分可靠性预计单元，建立系统的可靠性结构模式。 b.计算各预计单元内元器件的工作失效率p。 对于采用元器件应力分析法进行可靠性预计，按gjb/z299b-98电子设备可靠性预计手册中5.1提供的工作失效率模型计算其每一个元器件的工作失效率； c.计算单元的工作失效率p。 将预计单元内各种类元器件的工作失效率相加，由此得出预计单元的工作失效率。 d.计算系统的工作失效率sp。 将相关的单元进行串联/并联的计算，计算出sp。 e.对照系统的可靠性指标设计任务书的mtbfs 将sp与设计任务书中的可靠性指标mtbfs（或s）相比较。一般要求mtbfsp=(1.252) mtbfs。,可靠性预计与可靠性分配之间关系,可靠性预计手册是产品可靠性预计的有力工具，也是世界各国可靠性工程技术时间的总结。中国有gjb/z299b-98可靠性预计手册，美国有mil-hdbk-217f可靠性预计手册。另外，还有日本的、法国的、英国等国家的可靠性预计手册，可供参考。 系统或设备的可靠性是比较复杂的，涉及性能、环境条件、工作时间、成本、体积等诸多因素，因此系统的可靠性指标的预计和分配，往往不是一次成功，而是经过多次反复，最后才确定下来。,四、失效模式及分析,失效模式及分析 潜在失效模式及后果分析（fmea） 故障树分析（fta）,四、失效模式及分析,潜在失效模式及后果分析（fmea） 按照gb7826-1987失效模式和后果分析程序规定： 1、定义系统及其功能和要求 2、拟定功能和工艺流程图 3、确定分析的基本原则 4、找出失效模式、原因及后果 5、找出失效的监测、纠正措施 6、找出设计和工作中的预防措施 7、确定事件的危害度 8、估计失效概率 9、相关失效分析 10、建议措施 失效模式参见gjb/z299b-电子设备可靠性预计手册,四、失效模式及分析,四、失效模式及分析,故障树分析（fta） 故障树分析法由美国贝尔电话研究所的沃森（watson）和默恩斯(mearns)于1961年首次提出并应用于分析民兵式导弹发射控制系统的。其后，波音公司的哈斯尔（hasse）、舒劳德（schroder）、杰克逊（jackson）等人研制出故障树分析法计算程序 。 通过对可能造成产品故障的硬件、软件、环境、人为因素进行分析，从而确定产品的故障原因的各种可能的组合方式和(或)发生概率。 fta分析的4个主要步骤 1、建立故障树；2、故障树的规范化、简化和模块分解；3、故障树的定性分析；4、故障树的定量分析。 具体参见 gb_7829-1987_故障树分析程序,四、失效模式及分析,故障树分析（fta） 故障树符号的意义。 事件符号： 顶上事件、中间事件符号，需要进一步往下分析的事件。 基本事件符号，不能再往下分析的事件。 正常事件符号，正常情况下存在的事件。 省略事件，不能或不需要向下分析的事件。 逻辑门符号： 或门，表示b1或b2任一事件单独发生(输入)时，a事件都可以发生(输出)。 与门，表示b1、b2两事件同时发生(输入)时，a事件才发生(输出)。 条件或门，表示b1或b2任一事件单独发生(输入)时，还必须满足条件a，a事件才发生(输出)。 条件与门，表示b1、b2两事件同时发生(输入)时，还必须满足条件a，a事件才发生(输出)。 限制门，表示b事件发生(输入)且满足条件a时，a事件才发生(输出)。 转入符号，表示在别处的部分树，由该处转入(在三角形内标出从何处转入)。 转出符号，表示这部分树由该处转移至其他处，由该处转入(在三角形内标出向何处转移)。,五、可靠性设计,可靠性设计 1、可靠性设计的指导思想 2、简化设计 3、降额设计 4、热设计 5、电磁兼容设计 6、耐环境设计 7、冗余设计 8、容差与漂移设计,1、可靠性设计的指导思想,可靠性设计的指导思想 可靠性设计技术是在产品研制和设计中采取相应的措施，使产品的可靠性提高并达到可靠性指标的一门技术。它是一项工程技术，要结合工程实际应用多项统计技术，但他绝不是一些数学公式的推导。 正确的可靠性设计指导思想有以下方面： 正确转化顾客要求；-qfd质量屋 充分利用过去的产品故障模式及影响分析资料； 技术性能设计与可靠性设计相融合； 设计还应满足工艺制造和检测的要求； 重视和加强设计阶段的可靠性管理； 可靠性设计的内容包括： 简化设计、降额设计、容差和漂移设计、电磁兼容性设计、耐环境设计、冗余设计等。,2、简化设计,简化设计可以提高产品的固有可靠性。 产品愈复杂，组成的单元越多，则产品的可靠度就越低。采用简化设计方法，可在保证满足性能要求前提下，减少产品组成单元数，从而提高其可靠性。 实现简化设计应注意以下基本原则： 尽可能减少产品组成部分的数量及其相互间的联接； 尽可能实现零、组、部件的标准化、系列化与通用化，控制非标准零、组、部件的比率。尽可能减少标准件的规格、品种。争取用较少零、组、部件实现多种功能； 尽可能采用经过考验的可靠性有保证的零、组、部，即采用成熟的老技术； 尽可能用集成电路取代分立元器件，减少元器件数目。 要综合应用软件功能与硬件功能，并尽可能用软件补偿或代替部分硬件功能。,3、降额设计,降额设计就是使元器件或产品工作时承受的工作应力适当低于元器件或产品规定的额定值，从而达到降低基本失效率（故障率），提高使用可靠性的目的。,3、降额设计,降额等级在最佳降额范围内一般分为3个降额等级： a.级是最大的降额，适用于设备故障将会危及安全，导致任务失败和造成严重经济损失情况时的降额设计。它是保证设备可靠性所必须的最大降额。若采用比他还大的降额，不但设备的可靠性不会再增长多少，而且设计上是难以接受的。 b.级降额是中等降额，适用于设备故障将会使工作任务降级和发生不合理的维修费情况的设备设计。这级降额仍在降低工作应力可对设备可靠性增长有明显作用的范围内，它比级降额易于实现。 c.级降额是最小的降额，适用于设备故障只对任务完成有小的影响和可经济的修复设备的情况。这级降额可靠性增度效果最大，设计上也不会有什么困难。,降额准则：各类元器件的详细降额准则及应用指南按国家军用标准gjb/z35元器件降额准则执行。 降额设计的要点： a.降低元器件在电路中所承受的应力，可以提高元器件的可靠性，但降额要适当，过低的应力有时会引起新的失效。降低应力可以提高可靠性，但会增加重量、体积、费用等因素，这都与设计参数有关，因而需要综合权衡。降额不仅考虑电路的稳态工作情况，还要考虑到电路中可能出现的暂态过载及动态电应力。 b.电阻器和电位器的降额主要是功率降额。对于承受高压的情况还需电压降额。 c.电容器的降额主要是电压和功耗的降额，有时工作频率也要降额。 d.数字集成电路不但对其负载降额，对其频率也要降额。 e.线性与混合集成电路的降额主要是工作电流或工作电压。 d.微波集成电路的降额主要是功率和频率的降额。 e.晶体管的降额主要是工作电流、工作电压和功耗的降额，频率的降额也应考虑。,4、热设计,热设计是讨论温度对产品影响的设计问题。 在产品设计中利用热传递技术，降低发热元器件和部件本身的温度，使整机内部温升降低到所要求的范围，以提高设备抗温度应力的能力。 热设计的目的： a.保证电气性能稳定，避免或减小电参数的温度漂移； b.降低元器件的基本失效率，提高设备的平均无故障工作时间； c.减缓机械零部件氧化、老化、疲劳以及磨损等进程，从而延长整机的使用寿命。 具体参见gjb/z 27-92 电子设备可靠性热设计手册,热设计,元器件的热设计：元器件的热可靠性设计的主要内容是减小元器件的发热量，合理地散发元器件的热量，避免热量蓄积和过热，降低元器件的温升。 电子设备热设计要点： a.确定环境温度； b.确定设备的热特性； c.选择好冷却方式； d.确定机内散热途径； e.元器件安装和排列的原则。,5、电磁兼容性设计,电磁兼容性，简称emc，是指电子设备在一定的电磁环境中，保有其固有性能和完成规定功能的一种能力。 其具体含义包括两个方面： 第一，是指电子系统与其它周围的电子系统（元器件、电路、设备及汽车点火系统等）之间，在电磁环境中互相兼顾而相容的能力。 第二，是指电子系统在自然界的电磁环境（指雷电等）中按照设计要求而工作的能力。 例如：当电视机和其他电源插座、电动机及其开关促成一个电子系统相融在一起时，则在插拔电源插头、开闭电动机开关过程中，可能通过电和磁的作用对电视机进行干扰，或当卓伟存在雷电，处于雷电的磁环境中时，电视机仍能正常工作。这种性能就成为电视机的电磁兼容性。,电磁兼容性是电子系统的重要性能之一。为了使电子产品在电磁环境中能达到电磁兼容性指标要求而进行的这种设计叫做电磁兼容性设计。一个系统的电磁兼容性指标将直接影响产品工作的可靠性。 具体参见gb 6833系列标准-电子测量仪器电磁兼容性试验规范； 和gb3907工业无线电干扰基本测试方法、gjb1389-92系统电磁兼容性要求gjb/z17-91军用装备电磁兼容性管理指南及其他电磁兼容性标准。 emc总的设计内容有三个方面： a.切断电磁辐射进入产品（系统）内部产生互相干扰的通路； b.提高器件的质量，即对电磁效应敏感的器件的质量，如微电子器件和集成电路； c.采取对最敏感器件和部位的屏蔽保护，使其能达到不影响系统正常工作又不影响周围设备正常运行的要求。,电磁兼容设计的要点： a.电子组合尽可能采用金属外壳屏蔽，以防产品内部各组合间的辐射耦合； b.屏蔽罩金属接缝要焊接，必须开口的孔洞要尽可能小； c.在底盘、导线管、屏蔽罩、连接器、结构件与壳件之间用焊接法结合，以保证良好的电接触，防止射频干扰。 d.接插件是可能造成漏泄的部分，它的外壳应有电导防护层，不要影响屏蔽的防护层。 e.射频信号、视频信号和中频信号的传输应采用同轴电缆连接，屏蔽层两端均应接地，所有射频导电衬垫必须压紧。,6、耐环境设计,为了提高产品的可靠性，必须在设计阶段就考虑产品的环境防护。环境防护的第一步是确定产品的工作环境，第二步是确定在这种环境条件下所有元器件及材料的性能。若是这种性能不能满足产品的可靠性要求或处于临界状态时，就要采取环境防护措施；并且选择耐环境的元器件和材料等。 几种环境保护措施： 防潮湿设计； 防盐雾和腐蚀设计； 防菌酶设计； 抗冲击、振动、和噪声的设计； 电子产品抗辐射设计。 具体环境要求参见gjb/z299b的指南。,7、冗余设计,冗余设计：在可靠性较低的元器件或部件两端，附加一个或几个相同元器件或部件，以保持产品正常工作，只有当附加的元器件都发生失效后，产品才发生故障，这样的系统称为储备系统。这种设计方法称为储备设计，又成为冗余设计。例如：对继电器常闭触点的串联，对常开触点的并联及航天飞机轨道飞行器采用主发动机，只要两台正常工作就能正常飞行等都是采用冗余设计。 冗余设计是提高元器件或产品可靠性的一种有效方法。其缺点是元器件数增加，使产品的复杂性增加，同时还相应增加了产品的重量、体积、功率消耗和成本。因此，采用冗余设计并不是最好的设计方法，要视具体情况进行综合平衡。,贮备设计方法分类：采用贮备设计方法非工作贮备工作贮备多重混联贮备混合并联贮备表决贮备热贮备（运转状态）态）冷贮备（非运转状态）简单并连贮备 贮备设计方法繁多种类各异，大体上可分为工作和非工作贮备两大类。常用贮备设计方法如图：,8、容差与漂移设计,一个系统或设备，由许多元器件和单元部件组成。一般来说在产品设计是不能要求其组成的单元、元器件的参数只有一个数值，而是其组成的单元、元器件有一个参数的取值范围，如一个电阻10k1%.在已确定产品的技术性能、可靠性等指标的情况下，合理选取和确定各元器件、电路、单元设计参数的精度，使设计达到系统或设备的各项指标要求的容差能力，称为容差设计。 为了使产品在整个寿命期内和规定的环境条件下处于正常状态，设计上采取了适应元器件、单元部件参数漂移的措施，即容许设计参数在一定范围漂移的措施，称为漂移设计。,容差与漂移设计,解决容差与漂移设计有多种方法，日本质量专家田口玄一的三次设计，即：系统设计、参数设计、容差设计。是解决容差与漂移设计的好方法之一。田口首先强调参数设计，他认为在诸因素（x1，x2，xn）已定的条件下，容差分析能起的作用是有限的，而应该在系统设计之后，首先要搞好参数设计，选择系统中各元器件的参数值，寻求最佳的参数组合，使产品性能及能达到目标值，又能在内、外干扰下波动小，设计出高质量的产品。这样，在参数设计好的基础上再进行容差设计，这种容差设计比没有参数设计的产品的容差设计更好。,六、可靠性试验,可靠性试验 环境应力筛选试验 可靠性增长试验 加速寿命试验 可靠性测定试验 可靠性鉴定试验 可靠性验收试验,可靠性试验概述,可靠性试验是对产品的可靠性进行调查、分析和评价的一种手段。 可靠性试验可以是实验室的试验，也可以是现场试验。 可靠性试验分为： 1、工程试验：环境应力筛选试验和可靠性增长试验； 2、统计试验：可靠性鉴定试验、可靠性测定试验和可靠性验收试验。,1、环境应力筛选试验,环境应力筛选试验是通过在产品上施加一定的环境应力，以剔除由不良元器件、零部件或工艺缺陷引起的产品早期故障的一种工序或方法。 环境应力筛选实验不能提高产品的固有可能性，但通过改进设计和工艺等可以提高产品的可靠性水平。 具体参见gjb 1032-1990电子产品环境应力筛选方法,2、可靠性增长试验,可靠性增长试验是一个在规定的环境应力下，为暴露产品薄弱环节，并证明改进措施能防止薄弱环节再现而进行的试验。 规定的环境应力可以是产品工作的实际环境应力、模拟环境应力或加速变化的环境应力。 可靠性增长试验是通过发现故障、分析和纠正故障、以及对纠正措施的有效性而进行验证以提高产品可靠性水平的过程。 具体参见gb/t 15174：1994可靠性增长大纲、gjb 1407可靠性增长试验。,3、加速寿命试验,加速寿命试验 ：在不改变产品的失效机理的条件下，通过提高工作环境的应力水平来加速产品的失败，尽快地暴露产品设计过程中的缺陷，发现故障模式试验方法。 加速寿命试验的常见实验类型： （1）恒定应力加速寿命试验； （2）步进应力加速寿命试验； （3）序进应力加速寿命试验。,4、可靠性测定试验,可靠性测定试验的目的是通过试验测定产品的可靠性水平。 电子产品的寿命多为指数分布，其测定试验是从t=0时刻起投入若干产品进行寿命试验。 一种是试验时累计试验到规定的时间t*停止试验；叫定时截尾试验。 一种是试验中出现的故障数到规定的r个故障数时停止试验，叫定数截尾试验。 具体参见gb5080系列-可靠性试验,5、可靠性鉴定试验,为了验证开发的产品的可靠性是否与规定的可靠性要求一致，用具有代表性的产品在规定条件下所作的试验叫可靠性鉴定试验，并以此作为是否满足要求的依据。 可靠性鉴定试验是一种验证试验。 验证试验就其方法而言是一种抽样检验程序，与其他抽样验收的区别在于，他考虑的是与时间有关的产品质量特性。 具体参见gjb899-1990可靠性鉴定和验收试验 ,6、可靠性验收试验,用已交付或可交付的产品在规定条件下做实验，以验证产品的可靠性不随生产期间工艺、工装、工作流程、零部件质量的变化而降低，其目的是确定产品是否符合规定的可靠性要求。称为可靠性验收试验 。 验收试验也是一种统计试验，可采用序贯试验方案、定时或定数截尾试验方案。验收试验所采用的试验条件要与可靠性鉴定试验中使用的综合环境相同。所用的试验样品要能代表生产批，同时应定已批量的大小。所有抽样的产品应通过产品技术规范中规定的试验和预处理。 具体参见gjb899-1990可靠性鉴定和验收试验 ,七、可靠性管理,可靠性管理 可靠性管理的组织 可靠性计划 可靠性设计评审 元器件的质量控制 信息管理和改进措施 可靠性教育,可靠性管理,产品的可靠性管理是企业建立质量管理体系中实施质量管理和质量控制的一项重要内容。 产品设计阶段的可靠性管理是企业整体可靠性管理的一部分，也是最关键的一部分，因为它在一定程度上决定产品的质量水平，是“优生”的重要条件。 要搞好可靠性管理，要做好设计阶段的可靠