第四章 可靠设计方法.ppt

第四章可靠性设计方法 4 1关于可靠性设计的几个问题 4 1 1为什么要研究可靠性的问题 4 1 2机械可靠性和电子可靠性 4 1 3通用的可靠性设计分析方法 4 1 4机械可靠性设计方法 4 1 5软件可靠性 4 2维修性设计和维修保障设计 4 2 1概述 4 2 2维修性设计与分析 4 2 3维修性与维修保障技术的综合发展趋势 2 4 1关于可靠性设计的几个问题 4 1 1为什么要研究可靠性的问题 可靠性是 产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力 可靠性的度量指标 可靠度 对件数为N0的一批零件进行试验 经过时间t之后有N件仍能正常工作 则该零件在该试验环境条件下工作时间t的可靠度定义为 故障率 或失效率 故障率是指工作到t时刻尚未发生故障的产品 在该时刻后单位时间内发生故障的概率 故障率也是时间的函数 记为 t 称为故障率函数 R N N0 有关概念 3 浴盆曲线 产品的故障率随时间变化的曲线称为浴盆曲线 寿命的曲线 早期故障期 产品在使用初期 由于材质 设计 制造 安装及调整等环节造成的缺陷 或检验疏忽等原因存在的固有缺陷陆续暴露出来 此期间故障率较高 但经过不断的调试和排除故障 加之相互配合件之间的磨合 使故障率较快地降下来 并逐渐趋于稳定运转 早期故障期 偶发故障期 磨损 耗损 故障期 4 市场竞争激烈 产品更新快 许多新元件 新材料 新工艺等未及成熟试验就被采用 因而造成故障 随着产品或系统日益向大容量 高性能参数发展 尤其是机电一体化技术的发展 使整机或系统变得复杂 零 部件的数量大增 致使发生故障的机会增多 往往由于一个小零件 小装置的失效而酿成大事故 磨损 耗损 故障期 这个时期的故障迅速上升 因为产品经长期使用后 由于磨损和老化 大部分零组部件将接近或达到固有寿命期 所以故障率较高 如坦克起动电动机 偶发故障期 这个期间的故障率降到最低 且趋向常数 表示产品处于正常工作状态 这段时间较长 是产品的最佳工作期 这时发生的故障是随机的 是偶然原因引起应力增加 当应力超过设计规定的额定值时 就可能发生故障 研究可靠性的原因 5 为了维护用户的利益 在一些工业国家中实现产品责任索赔办法 产品或系统可靠性的提高可使用户获得较大的经济效益和社会效益 4 1 2机械可靠性和电子可靠性 机械零部件的寿命分布通常服从对数正态分布电子元器件的寿命分布服从指数分布 6 7 4 1 3通用的可靠性设计分析方法 明确可靠性要求 定性要求 用一种非量化的形式来设计 分析以评估和保证产品的可靠性 定量要求 规定产品的可靠性指标和相应的验证方法 即 选择和确定产品的故障定义和判据 可靠性指标以及验证时机和验证方法 以便在研制过程中用量化的方法来评价和控制产品的可靠性水平 确定可靠性指标主要考虑下列因素 1 国内外同类产品的可靠性水平2 用户的要求或合同的规定3 本企业同类产品的可靠性水平4 进度和经费的考虑与权衡 8 常用的可靠性定性设计分析项目 9 故障模式 影响 危害度 分析 FailtModes Effects andCriticality Analysis FME C A 研究产品的每个组成部分可能存在的故障模式 并确定各个故障模式对产品其他组成部分和产品要求功能的影响 它亦能同时考虑故障发生的概率和危害度的等级 10 表3FME C A表 子 系统名称 分析人 负责人 完成日期 No 11 表5严酷度的等级举例 12 确定可靠性关键件和重要件 确定可靠性关键件和重要件的原则如下 1 故障会导致人员伤亡 财产严重损失的产品 2 从寿命周期费用来说是昂贵的产品 3 只要它发生故障就会引起系统故障的产品 4 严重影响系统可用性 增加了维修费用和备件数量的产品 5 难以采购的或用新工艺制造的产品 6 需进行特殊处理 储存或防护的产品 13 3 对评审中提出的问题 产品设计单位应制定相应措施 限期改进 对设计评审的主要要求是 2 评审组成员应有足够的时间审阅有关的文件和资料 并切实按评审检查清单逐项予以评审 实事求是地给予评价 建立故障报告 分析和纠正措施系统 FailureReporting AnalysisandCorrectiveActionSystems FRACAS 1 在评审前要充分做好准备工作 评审主管单位应确定评审组成员 会同设计单位拟定评审大纲和评审检查清单 并确定应提交评审的所有文件资料 设计评审 14 FRACAS系统的闭环流程 15 建立FRACAS系统的要点如下 2 应制定产品的FRACAS系统工作规定 并按规定执行 构成故障报告 信息 的闭环运行 关键问题能及时得到纠正 3 应有齐全 完整的文档记录4 纠正措施的有效性应经试验确认 4 1 4机械可靠性设计方法 1 安全设计2 动态分析与设计3 防断裂设计4 疲劳可靠性设计5 减摩和耐磨设计6 防腐蚀设计7 健壮设计8 耐环境设计9 人机工程设计 1 建立FRACAS系统的组织机构 质量部门和技术部门均应有专责人员负责此项工作 16 4 1 5软件可靠性 软件可靠性的定义是 软件按规定的条件 在规定的时间内运行而不发生故障的能力 软件的寿命周期中 也有早期故障期和偶然故障期 早期故障率也高于偶然故障期的故障率 表软件开发周期各阶段错误的百分数 按规定的条件主要是指软件的运行 使用 环境 它涉及软件运行所需要的一切支持系统及有关的因素 如支持硬件 操作系统及其他支持软件 输入数据的规定格式和范围 操作规程等 17 表软件故障分类的百分数 18 2 保证软件可靠性的工程方法 1 需求分析阶段主要措施 全面理解用户的使用要求 使用条件和软件功能 在全面分析和与用户充分交换意见的基础上 制订出软件的技术规格书 2 设计阶段 把软件的技术要求转换成设计方案 此时 可采取如下的方法1 自顶向下设计2 采用结构化程序设计3 容错设计4 设计评审5 标准 模块化设计6 制订和贯彻软件可靠性设计准则 规格书要说明测试软件的方法 有完整的软件技术要求 19 检查源程序的结构 方法和过程间的接口是否有误 运行时是否存在不必要的功能 检查 要求 数据 结果 和 内部程序工作状态 对应关系是否正确 软件的测试按模块测试 整体测试和系统测试的次序依次进行 最终确认软件的全部功能能否正确而完全地实现 首先要对软件进行静 动态调试 3 编码阶段 常见的编码缺陷有 键入错代码 原始数据输入错误 含单位不一致等 用了被零除这类不正确表达式等 4 检验阶段 20 5 维护阶段 由于软件的运行环境和调试时不尽相同 也需对软件进行必要的修改 补充和完善 此时用户也可能提出一些新的要求 此外 还应经常研究出错的记录 前后对照和分析 弄清楚软件是否存在某种隐患 21 4 2维修性设计和维修保障设计4 2 1概述 维修是战斗力 维修是生产力 维修保障在高技术条件下局部战争的作用 武器装备的高战备完好性 高出勤率 飞机 总数11 5万架次的空袭轰炸 平均每天2600余架次 每架飞机每天飞行少则2 5h 多则十几个小时 在这场战争中 美军各型飞机的完好率平均达到92 舰船达90 第一骑兵师117辆M1A1等型坦克和60辆布雷德利战车25h奔袭连续开行300余公里 只有1辆掉队 22 美军在总结海湾战争成功经验时 高度评价战场维修保障工作 维修保障系统的组织和领导是成功的两把钥匙 而这两把钥匙的形成则取决于80年代所进行的各种准备 媒体报道 那些长期以来埋头苦干而没有机会在宣传媒介上露脸的维修保障 在这次战争中得到了应有的评价 在这次战场方程式中 维修保障是一个最关键的因素 海湾战争 打出了维修保障的地位 23 1 维修性的基本概念 维修性 产品在规定的条件下和规定的时间内 按规定的程序和方法进行维修时 保持或恢复其规定状态的能力 所谓规定的条件 指维修的机构和场所及相应的人员与设备 设施 工具 备件 技术资料等资源 所谓规定的程序和方法 指技术文件规定采用的维修工作类型 步骤和方法 这里所说的维修包括修复性维修 预防性维修 保养和状态监视维修以及战场损伤修复等内容 24 可靠性设计与维修性设计的关系 维修性设计 从维修的角度考虑 一旦产品发生故障 其本身就能自动及时发现故障 并且显示故障或发出警报信号 并能自动排除故障或中止故障 相同点 从不同的角度来保证产品的可靠性 不同点 可靠性设计 着重从保证产品的工作性能出发 力求不出故障或少出故障 在方案设计和结构设计阶段就设法消除危险与有害因素 是解决本质安全问题 25 2 产品的维修性要求 1 定性要求 2 提高标准化和互换性程度 3 具有完善的防差错措施及识别标记 要从结构设计上消除差错的可能性 主要有以下几方面 1 具有良好的维修可达性 维修性设计技术手册 提出 要从设计上采取措施 保证关键性的维修作业做到 错不了 不会错 不怕错 并有许多具体的设计建议 26 7 减少维修内容和降低维修技能要求 5 做到故障检测诊断和故障定位准确 迅速 简便 6 提高产品的可修复性 4 保证维修时的安全性 要在设计时考虑并采取必要的保护装置和措施 27 2 定量要求 3 维修保障性的基本概念 定义 维修机构在规定的条件下 按照规定的维修方针提供维修产品所需资源的能力 维修性定量要求即各项维修性指标 是维修性参数的要求值 国军标GJB1909 可靠性维修性参数选择与指标确定要求 中详细地规定了参数 选择与指标确定的实例指标的含义 选择确定的原则 程序 适用于各类型装备可供选择的参数 并附有参数 28 4 2 2维修性设计与分析 1 维修性模型的建立 维修性模型目的 用来表达系统与各单元维修性的关系 维修性参数与各种设计及保障要素参数之间的关系 供维修性分配 预计及评定用 主要内容包括 维修性建模 分配 预计 分析和制订维修性设计准则等 维修性模型的具体作用 a 用于进行维修性分配b 用于进行维修性预计和评定c 用于确定设计变更对产品维修性的影响 军标 总论 对这些内容做了简要介绍 在 维修性设计与验证 中做了详细阐述 29 建立维修性模型的一般程序 按照建模的目的 模型的作用 可将维修性模型分为 维修性模型种类 定性分析模型 定量分析模型和定性与定量分析相结合的模型 设计评价模型 分配模型 统计与验证模型 按其分析的性质分为 30 1 进行系统维修职能分析2 进行系统功能层次分析3 确定系统各组成部分的维修频率4 将系统维修性指标分配到各单元 研究分配方案的可行性 进行综合权衡 2 维修性分配方法 2 维修性分配 维修性分配是为了把产品的维修性定量要求按给定准则分配给各组成单元而进行的工作 1 维修性分配的一般程序 GJB Z57 维修性分配与预计手册 提供了分配的常用方法 31 32 3 维修性预计 预先估计产品的维修性参数 了解其是否满足规定的维修性指标 以便对维修性工作实施监控 1 维修性预计的一般程序 1 收集资料 首先要收集并熟悉所预计产品设计资料和可靠性数据 还要收集有关维修与保障方案及其尽可能细化的资料2 系统的职能与功能层次分析3 确定产品设计特征与维修性参数的关系4 预计维修性参数值 利用各种预计模型 估算各单元和系统的维修性参数值 2 维修性预计方法 GJB Z57提供了6种预计方法 总论 对这些方法的适用范围和特点作了简略说明 33 34 4 维修性分析 维修性分析是一项内容相当广泛和关键性的维修性设计工作 它包括研制过程中对产品要求 约束 研究与设计等各种信息进行的反复分析 权衡 并将这些信息转化为详细设计手段或途径 以便为设计与保障决策提供依据 1 维修性定量要求 如维修时间和工时等2 测试性定量要求 如故障检测率等3 采用的诊断技术及资源4 预防维修的时间 频率及工作量5 非工作状态的维修性问题 例如储存期的检测与送修间隔及工作量等 2 维修性分析技术 1 故障模式及影响分析 FMEA 1 主要内容包括 35 2 维修性模型 3 费用分析 4 比较分析 6 权衡技术 5 风险分析 维修性设计准则是为了将系统的维修性要求及使用和保障约束转化为具体的设计产品而确定的通用或专用设计准则 除某类装备 如歼击机 轰炸机 火炮等 的维修性设计准则外 每种型号装备在研制中都要有自己的设计准则 如四管25自行高炮维修性设计准则 5 维修性设计准则 包括适用于具体装备的标准 规范 原则 详细的技术措施等 36 1 维修性设计准则的一般内容 7 贵重件的可修复性 1 简化设计 2 可达性设计 3 标准化 互换性 模件化 4 防差错措施及识别标志 5 维修安全性 6 检测诊断迅速简便 正在制订的 维修性设计技术手册 提供了详尽的共性内容 也包含不同装备的应用实例 8 预防性维修与维修性 9 人的因素 10 环境因素 11 不工作状态的维修性 12 静电危害及防护 13 战场损伤与抢修性 37 4 2 3维修性与维修保障技术的综合发展趋势 1 维修性与维修保障技术的发展 在50年代中 维修性和保障性问题引起了美国军方的重视 从50年代后期至60年代 美国先后颁布了一系列旨在提高装备质量的军用标准 同时