可靠性工程技术(宁波方太).ppt

培训教程 1 戴慈庄北京航空航天大学可靠性工程研究所 可靠性工程技术 培训教程 2 前言可靠性是产品重要的质量特性 提高产品的可靠性 是提高产品完好性和工作成功性 减少维修和寿命周期费用的重要途径 在产品研制过程中深入开展可靠性工程 对提高产品可靠性具有十分重要的意义 可靠性工程是指为了达到产品的可靠性要求所进行的一系列技术与管理活动 贯穿了产品的论证 方案 工程研制 生产和使用等寿命周期过程 培训教程 3 发展简述 国外可靠性发展概述 国内可靠性发展概述 培训教程 4 可靠性发展与产品质量的特性关系产品质量的固有特性包含了产品的性能特性 专门特性 经济性 时间性 适应性等方面 如图所示 培训教程 5 可靠性是产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力 维修性是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 保持或恢复到其规定状态的能力 即反映产品是否易修的能力 测试性是产品能及时 准确地确定其工作状态 工作 不可工作或工作性能下降 并隔离其内部故障的能力 保障性是产品设计特性和计划的保障资源满足平时使用和利用率要求的能力 包括维修保障能力和使用保障能力 相当于家用电器售后服务能力 安全性是产品所具有的不导致人员伤亡 产品毁坏 不危及人员健康和环境的能力 产品的故障可能导致安全性事故的发生 培训教程 6 介绍的内容主要介绍有关可靠性方面的一些重要的专题1 可靠性和可靠性工程概述2 可靠性设计3 可靠性分析4 可靠性试验5 元器件选用与控制 培训教程 7 可靠性 Reliability 产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力 可靠性的概率度量称为可靠度 为了达到产品的可靠性要求所进行的一系列技术和管理活动 可靠性工程 ReliabilityEngineering 1可靠性和可靠性工程概述 培训教程 8 1可靠性和可靠性工程概述1 1可靠性工作的基本原则a 应确保可靠性要求合理 科学并可实现 b 必须遵循预防为主 早期投入的方针 c 在研制阶段可靠性工作必须纳入产品的研制工作 统一规划 协调进行 d 必须遵循采用成熟设计原则 e 应采用有效的方法和控制程序 减少制造中对可靠性带来的不利影响 保持设计的可靠性水平 培训教程 9 1可靠性和可靠性工程概述1 1可靠性工作的基本原则f 尽可能通过规范化的工程途径 开展各项可靠性工作 g 必须加强对研制和生产过程中可靠性工作的监督和控制 h 应充分重视使用阶段的可靠性工作 以尽快达到可靠性的目标值 i 在选择可靠性工作项目时 应根据各种因素对工作项目的适用性和有效性进行分析 以选择效费比高的工作项目 培训教程 10 1 2名词术语a 基本可靠性 产品在规定的条件下和规定的时间内 无故障工作的能力 确定基本可靠性值时 应统计产品的所有寿命单位和所有的关联故障 寿命单位 产品使用持续期的度量单位 如工作小时 次数等 关联故障 在解释试验结果或计算可靠性值时必须计入的故障 b 任务可靠性 产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力 任务剖面 产品在完成规定的任务这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述 培训教程 11 表1基本可靠性与任务可靠性 培训教程 12 c 固有可靠性 设计和制造赋予产品的 并在理想的使用和保障条件下所具有的可靠性 d 使用可靠性 产品在实际的环境中使用时所呈现的可靠性 它反映产品设计 制造 使用 维修 环境等因素的综合影响 培训教程 13 e 其他名词术语产品 一个非限定性的术语 用来泛指元器件 零部件 组件 设备 分系统或系统 可以指硬件 软件或两者的结合 故障 产品不能执行规定功能的状态 失效 产品丧失完成规定功能的能力的事件 可靠性特征量 表示产品总体可靠性高低的各种可靠性参数指标 培训教程 14 1 3可靠性工程的含义可靠性工程 ReliabilityEngineering 是研究产品寿命周期全过程中同产品故障作斗争的一门科学 从产品的整体及其同外界环境的辩证关系出发 用实验研究 现场调查 故障和故障分析等方法 研究产品寿命和可靠性与外界环境的相互关系 研究产品故障的发生 发展及其预防和维修 保障直至消灭的规律 以及增进可靠性一系列技术和管理活动 寿命周期 产品从论证 研制 生产 使用 退出使用所经历的整个时间 培训教程 15 1 4可靠性工程的实质可靠性工程是与故障作斗争的一门科学 其实质是研究产品故障的发生 发展 在故障发生后的诊断 修理 保障 以及如何预防产品故障的发生 直至消灭故障的规律 可靠性设计是可靠性工程的基础 用通俗的话来说 可靠性系统工程是在研究产品 防病 治病 的规律 这与研究人类生命过程以及同疾病作斗争的医学系统工程颇有相似之处 培训教程 16 2可靠性设计2 1可靠性要求 设计 分析 试验和验收的依据 可靠性设计要求可分为 定性要求 定量要求 定性要求内容有 遵守一般可靠性设计和准则等 定量要求内容有 使用与合同参数和指标 使用参数和指标 直接与产品完好性 任务成功性 维修人力和保障资源费用有关的一种度量 其度量值称为使用指标 目标值与门限值 合同参数和指标 在合同中表达订购方要求的 并且是承制方在研制和生产过程中可以控制的参数 其度量值称为合同指标 规定值和最低可接受值 培训教程 17 2 1 1可靠性定量要求 使用指标和合同指标表2使用指标和合同指标 下面列出可靠性常用的设计指标参数 培训教程 18 2 1 2可靠性定量要求 主要参数特征量a 可靠度可靠性的概率度量 其符号为R t 例如 R t 0 95 0 99等 b 平均故障间隔时间meantimebetweenfailures MTBF 可修复产品的一种基本可靠性参数 其度量方法为 在规定的条件下和规定的期间内 产品寿命单位总数与故障总次数比 c 平均故障前时间meantimetofailures MTTF 不可修复产品的一种基本可靠性参数 其度量方法为 在规定的条件和规定的期间内 产品寿命单位总数与故障产品总数之比 培训教程 19 2 1 2可靠性定量要求 主要指标参数d 平均首次故障前时间meantimetofirstfailure MTTFF 可修复产品的一种基本可靠性参数 其度量方法为 在规定的条件下 产品从开始使用到出现首次故障时产品寿命单位总数与产品首次故障总数之比 e 故障率产品可靠性的一种基本参数 其度量方法为 在规定的条件下和规定的期间内 产品的故障总数与寿命单位总数之比 培训教程 20 表3可靠性常用的设计指标参数的应用 培训教程 21 式中 Ri i 单元的可靠度 故障率 1 h Rs s 系统的可靠度 故障率 1 h 此时 系统的故障率 s为单元的故障率 i之和 系统的平均故障间隔时间为 1 2 n 平均故障间隔时间MTBF 可靠性设计指标参数的关系 串联模型 R1 R2 Rn 培训教程 22 2 2可靠性设计工作内容按可靠性要求开展设计工作 表4可靠性设计 定性 工作内容 培训教程 23 可靠性设计准则的制定与贯彻 按可靠性设计准则设计 a 目的通过制定并贯彻产品可靠性设计准则 把有助于保证 提高产品可靠性的一系列设计要求设计到产品中去 b 可靠性设计准则文件的基本内容产品可靠性设计准则是在产品设计中能够直接贯彻实施的可靠性设计要求细则与保证措施 可靠性设计准则文件基本内容包括 概述 目的 适用范围 依据 可靠性设计准则 这是属可靠性设计 定性 的工作内容 很重要 培训教程 24 c 可靠性设计准则的作用与特点 1 可靠性设计准则是进行可靠性定性设计的重要依据为了满足规定的可靠性设计要求 必须采取可靠性设计技术 贯彻可靠性设计准则是其中一项重要内容 在设计中必须逐条予以实施 2 贯彻可靠性设计准则可以提高产品的固有可靠性产品的固有可靠性是设计和制造所赋予 设计人员在设计中遵循可靠性设计准则 可避免一些不该发生的故障 从而提高产品的固有可靠性 3 贯彻可靠性设计准则是实现可靠性与产品性能设计同步的有效方法设计人员只要在设计中贯彻可靠性设计准则 就可以把可靠性设计到产品中去 使产品的性能设计和可靠性设计相互有机地结合 4 可靠性设计准则是研制经验的总结与升华可靠性设计准则是以往产品研制经验的结晶 用于指导设计人员进行可靠性设计 保证实现产品合同规定的可靠性要求 制定并实施可靠性设计准则不仅有益于企业经验和知识的传承 还能为年轻设计人员的成长提供帮助 培训教程 25 2 2可靠性设计工作内容按可靠性要求开展设计工作 表5可靠性设计 定量 工作内容 培训教程 26 2 2 1建立可靠性模型 目的 用于定量分配 计算和评价产品的可靠性 可靠性模型的含义 可靠性模型指的是可靠性框图及数学模型 可靠性框图是用方框表示产品各单元的故障如何导致产品故障的逻辑关系 培训教程 27 可靠性模型的分类 产品的可靠性模型按用途分为基本可靠性模型和任务可靠性模型 基本可靠性模型是将产品组成单元进行全串联的模型 用以估计产品及其组成单元引起的维修及综合保障要求 任务可靠性模型较复杂 它用于描述在完成任务过程中产品各单元的预定用途 产品的可靠性模型基本结构类型主要包括串联 并联 混联 桥联 旁联 表决等 先介绍此类型 培训教程 28 串联模型系统的所有组成单元中任一单元的故障都会导致整个系统的故障 称为串联模型 串联模型是最常用和最简单的模型之一 既可用于基本可靠性建模 也可用于任务可靠性建模 串联模型的可靠性框图如图所示 该可靠性框图对应的数学模型为 式中 Rs t 系统的可靠度 Ri t 单元的可靠度 n 组成系统的单元数 R1 R2 Rn 原理图 可靠性框图 培训教程 29 串联模型 串联模型 几种典型的可靠性模型 Ri i 单元的可靠度 故障率 1 h Rs s 系统的可靠度 故障率 1 h n 组成系统的单元数 培训教程 30 并联模型 并联模型 几种典型的可靠性模型 培训教程 31 r n G 模型 表决模型 几种典型的可靠性模型 r n G 表决器 培训教程 32 基本可靠性模型综合处理计算机的基本可靠性框图如图所示 图综合处理计算机的基本可靠性框图 培训教程 33 任务可靠性模型综合处理计算机的任务可靠性框图如图所示 图综合处理计算机的任务可靠性框图 培训教程 34 2 2 2可靠性指标分配设计 目的 可靠性分配是指将产品的可靠性指标逐级分配至产品各层次 由上到下 作为产品各层次的可靠性设计目标 使各级设计人员明确要求 及早研究设计方案 并估计所需人力 时间和资源 以确保交付使用的产品逐步通过增长能够达到可靠性目标值 适用对象和情况 可靠性分配适用于电子 电气 机械 或新研产品 老品改进等有可靠性指标要求的产品 应根据不同产品以及指标要求的情况 选取合适的可靠性分配方法 可靠性分配工作一般应在方案阶段开始进行 并延续至初步设计阶段 根据设计方案的更改反复迭代 使指标分配逐渐趋于合理 培训教程 35 分配原则 对于复杂度高的分系统 设备等产品应分配较低的可靠性指标 对于技术上不成熟的产品 可分配较低的可靠性指标 对于处于恶劣环境条件下工作的产品 可分配较低的可靠性指标 对于需要长期工作的产品 可分配较低的可靠性指标 对于重要度高的产品 应分配较高的可靠性指标 培训教程 36 分配方法 主要包括等分配法 比例组合法 等改进法 评分法 再分配法 最小工作量法 考虑重要度和复杂度的分配法 预计分配法以及工程相似法 各种分配方法适用于不同的情况 等分配法用于设计初期当产品情况还不十分清晰 或缺乏有关产品可靠性数据的情况 这是最简单 方便的一种分配方法 没有考虑产品的各单元实现可靠性值的难易程度 如单元的复杂程度 技术难度等 建议尽量不使用 设某系统由n个分系统串联组成 若给定系统可靠性指标为 s 则按等分配法分配给各下属系统或设备的可靠性指标为 培训教程 37 可靠性比例分配法 新设计的系统与老系统相似 且有老系统及其分系统的故障率数据或老系统中各分系统故障数占系统故障数百分比的统计资料 可用比例分配法进行分配 比例分配法 培训教程 38 选取的可靠性分配方法 其使用要求如表6所示 培训教程 39 2 2 3可靠性预计 目的 是对组成产品的元器件 部件和子系统的可靠性 由下到上 由局部到整体的逐级预计 预计产品能否达到规定的可靠性指标要求 方案论证时可根据可靠性预计结果选择方案 及早发现设计中的薄弱环节并改进 并为可靠性分配的迭代提供相关数据 还可为可靠性试验方案的确定提供依据 适用对象和情况 可靠性预计适用于新研产品 老品改进等各类有可靠性指标要求的产品 需根据产品的不同阶段 不同产品的层次及特性 选取合适的可靠性预计方法 可靠性预计工作一般在方案阶段就应开始进行 并延续至详细设计阶段 根据设计方案的更改和细化反复迭代 从而使产品设计达到所规定的可靠性 培训教程 40 可靠性预计的类型可靠性预计作为定量设计手段 为设计决策提供依据 在设计的不同阶段及产品的不同级别上可采用不同的预计方法 由粗到细 预计按详细程度可分为 可行性预计 初步预计和详细预计 按预计的参数可分为 基本可靠性预计和任务可靠性预计 按预计的对象可分为 电子产品预计和非电子产品预计 进行不同类型的可靠性预计应选取不同的 适用的方法 培训教程 41 电子 电气产品的可靠性预计方法 电子 电气产品一般的可靠性预计主要有元器件计数法和元器件应力分析法 元器件计数法适用于方案论证及初步设计阶段 元器件应力分析法适用于详细设计阶段 按GJB Z299C MIL HDBK 217F的要求进行 此两标准可用于军用和民用产品 培训教程 42 元器件计数法 元器件计数法适用于初步设计阶段 此时元器件的种类和数量已大致确定 但具体的工作应力和环境等尚未明确 元器件计数法的基本原理是对元器件的通用故障率进行修正 预计模型为 式中 GS 产品总故障率 1 h Gi 第i种类元器件的通用故障率 1 h Qi 第i种类元器件的通用质量系数 Ni 第i种类元器件的数量 n 单元所用元器件的种类数目 培训教程 43 表7元器件计数法预计结果表 例子 培训教程 44 应力分析法应力分析法用于电子产品详细设计阶段的故障率预计 在预计单元内电子元器件工作故障率时 应用元器件的质量等级 应力水平 环境条件等因素对基本故障率进行修正 元器件工作故障率预计模型预计的计算过程较为繁琐 不同类别的元器件有不同的工作故障率计算模型 如普通晶体管 二极管的工作故障率计算模型 GJB Z299 如下 式中 p 元器件工作故障率 1 h b 元器件基本故障率 1 h E 环境系数 q 质量系数 r 额定电流系数 A 应用系数 s2 电压应力系数 c 结构系数 培训教程 45 表8某电源的应力分析法预计表 部分 环境条件 AIF环境温度 80 培训教程 46 工程中常用的可靠性预计方法表9工程中常用的可靠性预计方法 培训教程 47 采取的改进措施 产品可靠性预计的指标未满足时的措施 培训教程 48 表10设备可靠性 MTBF 的预计值 验证值与使用值的比较 小时 预计值 验证值 使用值 可靠性的预计值 验证值与使用值的比较 培训教程 49 表11电子产品可靠性预计手册情况之一 培训教程 50 表12电子产品可靠性预计手册情况之二 培训教程 51 可靠性分配与预计的关系 培训教程 52 3可靠性分析可靠性分析是可靠性设计重要组成部分 表13可靠性分析的主要工作项目 可靠性分析下面简要介绍前两项可靠性分析工作具体内容 培训教程 53 3 1故障模式 影响及危害性分析 FMECA 1 目的通过系统地分析 确定元器件 零部件 设备 软件在设计和制造过程中每一个产品层次所有可能的故障模式 以及每一故障模式的原因及影响程度 以便找出潜在的薄弱环节 并提出改进措施以提高产品的可靠性 2 组成故障模式 影响及危害性分析 以下简称FMECA 由故障模式及影响分析 FMEA 和危害性分析 CA 两部分组成 只有在进行FMEA基础上 才能进行CA 培训教程 54 FMECA方法分类 设计FMECA 过程FMECA 功能FMECA 硬件FMECA 软件FMECA 损坏模式及影响分析DMEA 3 FMECA分类及适用情况 a FMECA分类 图FMECA方法的分类 统计FMECA 培训教程 55 b 在产品寿命周期各阶段的FMECA方法的应用目的 表14 表14FMECA方法的应用目的 培训教程 56 表15FMECA FMEA和CA的目的 用途 培训教程 57 b FMECA实施的步骤 培训教程 58 初始约定层次产品任务审核第页 共页约定层次产品分析人员批准填表日期 表16故障模式及影响分析 FMEA 表 培训教程 59 表17危害性分析 CA 表初始约定层次产品任务审核第页 共页约定层次产品分析人员批准填表日期 培训教程 60 a FMECA方法中各约定层次的定义 1 约定层次 根据分析的需要 按产品的功能关系或复杂程度划分的产品功能层次或结构层次 这些层次一般从比较复杂的系统到比较简单的零件进行划分 2 初始约定层次 进行FMECA总的完整的产品所在的层次 它是约定的产品第一分析层次 3 其他约定层次 相继的约定层次 第二 第三 第四等 这些层次表明了直至较简单的组成部分的有顺序的排列 4 最低约定层次 约定层次中最低层的产品所在层次 它决定了FMECA工作深入 细致的程度 培训教程 61 图某型战斗机液压系统约定层次示例图 培训教程 62 c 定义严酷度类别严酷度是指产品故障模式所产生的最终影响的严重程度 应对产品故障模式的严酷度进行定义 进而对每一个故障模式按严酷度类别进行排序 严酷度类别是依据产品每个故障模式造成最终可能出现的人员伤亡 初始约定层次 产品损坏和环境损害等方面的影响程度而确定的 表18产品常用的严酷度等级划分 培训教程 63 3 2故障树分析 FTA 1 目的通过对可能造成产品故障的各种因素进行析 能定性地确定产品故障发生的所有原因和原因组合 并定量地确定产品故障的发生概率 通过故障树分析 能够透彻了解系统 找出薄弱环节 改进产品设计 使用环境 维修方式等 提高产品可靠性 同时验证重大故障的发生概率是否能满足可靠性要求 培训教程 64 2 适用对象和情况FTA适用于电子 机电 机械 或者新研产品 老品 老品改进等各类产品 FTA适用于系统寿命周期的任何阶段 包括从设计阶段早期直至批生产前的各个设计阶段 以及生产和使用阶段 在设计阶段 FTA可帮助查找潜在的产品故障模式和灾难性危险因素 发现可靠性和安全性薄弱环节 改进设计 在生产和使用阶段 可以帮助对故障事件开展调查分析 更改设计或改进生产手段和使用维修方案 培训教程 65 3 主要内容 A 方法 FTA是将一个不希望的产品故障事件或灾难性的产品危险事件做为顶事件 通过由上向下的严格按层次的故障因果逻辑分析 建立故障树 逐层找出对上一层事件必要而充分的直接原因 最终找出导致顶事件发生的所有原因 包括硬件 软件 环境 人为因素等 和原因组合 即各个底事件 在具有基础数据时计算出顶事件发生概率和底事件重要度等定量指标 下面介绍建立故障树概念和具体实施 培训教程 66 图故障树示例 培训教程 67 B 选择顶事件顶事件是建立故障树的基础 选择的顶事件不同 则建立的故障树也不同 在进行故障树分析时 选择顶事件的方法如下 a 在设计过程中进行FTA时 一般从那些显著影响产品技术性能 经济性 可靠性和安全性的故障中选择确定顶事件 b 在FTA之前若已进行了FME C A 则可以从故障严酷度为 类的系统故障模式中选择其中一个故障模式确定为顶事件 c 发生重大故障或者事故后 可以将此类事件作为顶事件 通过故障树分析为故障归零提供依据 对于顶事件必须严格选择 否则建出的故障树将达不到预期的目的 大多数情况下 产品会有多个不希望事件 应对它们一一确定 分别作为顶事件建立故障树并进行分析 见下面示例图 培训教程 68 C 建造故障树 故障树的建立故障树是一种特殊的倒立树状因果关系逻辑图 它用事件符号 逻辑门符号和转移符号 子树转移符号 描述系统中各种事件之间的因果关系 逻辑门的输入事件是输出事件的 因 逻辑门的输出事件是输入事件的 果 培训教程 69 a 故障树常用事件及其符号 b 故障树常用逻辑门及其符号 培训教程 70 故障树 c 故障树分析图的组成 基本事件 是无需探明其发生原因的底事件 底事件是故障树中仅导致其他事件的原因事件 它位于所讨论的故障树底端 总是某个逻辑门的输入事件而不是输出事件 未探明事件 是原则上应进一步探明其原因但暂时不必或者不能探明其原因的底事件 顶事件 是故障树分析中所关心的最后结果事件 它位于故障树的顶端 代表了系统不希望发生的事件 中间事件是位于底事件和顶事件之间的结果事件 培训教程 71 故障树 d 故障树分析图的组成 或门 当输入事件中至少有一个发生时 则输出事件发生 这种关系称为事件并 用逻辑 或门 描述 与门 门的输入事件同时发生时 输出事件必然发生 这种逻辑关系称为事件交 用逻辑 与门 描述 培训教程 72 e 建故障树示例 不同顶事件 培训教程 73 f 建故障树示例 不同顶事件 培训教程 74 6 FTA与FMECA的对比 见下表22 FMECA的结果可为FTA提供顶事件 培训教程 75 3 3潜在电路分析 SCA a 目的潜在分析可分为针对电路的潜在电路分析 软件的潜在分析和液 气管路系统的潜在分析 此处仅介绍潜在电路分析 潜在电路是电子 电气系统中的一种设计意图之外的状态 在一定的条件下 导致产品产生非期望功能或抑制期望功能 它具有潜藏性 而一旦激励条件得以满足 表现出 突然发生 出人意料 巨大破坏性 等特点 对电子 电气系统的危害是巨大的 由于产品规模较大 复杂 设计人员对设计要求理解不一致等原因 很容易在设计中引进潜在电路 特定条件下才会被激发 一般很难通过试验或仿真手段予以发现 潜在电路分析的目的就是在假设所有元器件及部件均未失效的情况下 发现电路中在一定的激励条件下可能产生非期望功能或抑制期望功能的潜在状态 以保证电路安全可靠 培训教程 76 b 基本概念 1 潜在电路 属于非失效相关的设计问题 潜在电路包括四种表现形式 潜在路径 潜在时序 潜在指示和潜在标志 2 潜在路径 电流所流经的非期望路径 3 潜在时序 数据或逻辑信号以非期望或矛盾的时间顺序 或在非期望的时刻 或延续一个非期望的时间段发生 从而使系统出现的异常状态 4 潜在指示 系统运行状况的模糊或错误的指示 潜在指示可能误导系统或操作人员做出非期望的反应 5 潜在标志 系统功能的错误或不确切的标志 潜在标志可能会误导操作人员 6 网络树 对电路系统进行划分和简化后获得的树状网络示意图 该图能简明地表达相互连通的元器件之间的连接关系 培训教程 77 8 网络森林 网络树的集合 9 功能网络森林 与某电路功能有关的网络森林 10 线索 一种分析用的问题提示 根据该提示 分析者易于识别电路系统是否具有该线索所提示的运行状态 并判定其是否属于设计意图之外的状态 即潜在状态 11 线索表 由一系列线索组成并按一定的规则进行组织的线索清单 12 源 电路系统实现其预期功能的信号和数据的源头 在潜在电路分析中通常作为路径追踪的起点 13 目标 电路系统实现其预期功能的执行部件或关键部件 如功能信号执行部件等 非期望地激活或抑制它将引发一个非期望事件 在潜在电路分析中通常作为路径追踪的终点 培训教程 78 类似电路拓扑模式表现出类似电路行为的原理所有的电路都可归纳为由五种基本的电路拓扑模式组成 这五种电路拓扑模式如图所示 它们是 直线形 电源拱形 接地拱形 组合拱形及H形 直线形电源拱形接地拱形组合拱形H形图五种基本电路拓扑模式 由于每个基本电路拓扑模式所有可能的电路行为是易于掌握的 因此识别出一个电路中存在哪些电路拓扑模式就能使分析人员易于识别该电路的全部行为 从而识别出系统中的潜在电路 培训教程 79 网络树示例 分析网络树 结合范例电路系统的实际运行情况 确认在树上的元器件确实承受双向电流的情况 如果确认这是设计所不允许的 即可判定它为潜在电路 其他网络树分析相同 分析人员要将发现的潜在电路与设计人员进行交流确认 即对初步分析结论进行反馈交流 最后双方对结论达成一致意见后 组织对分析报告进行评审验收 具体过程略 培训教程 80 3 4电路容差分析a 目的分析电路的组成部分在规定的使用温度范围内其参数偏差和寄生参数对电路性能容差的影响 并根据分析结果提出相应的改进措施 电路性能参数发生变化原因电路性能参数发生变化的主要现象有 性能不稳定 参数发生漂移 退化等 造成这些现象的原因有以下三种 1 组成电路的元器件参数存在着公差电路设计时通常只采用元器件参数的标称值进行设计计算 忽略了参数的公差 标称值确定的电路性能参数会出现参数偏差 这种原因产生的参数偏差是固定的 2 环境条件的变化产生参数漂移环境温度 相对湿度的变化 电应力的波动 会使电子元器件参数发生变化 3 退化效应很多电子产品在长期的使用过程中 随着时间的积累 元器件参数会发生变化 这种原因产生的偏差是不可逆的 培训教程 81 电路容差分析程序电路容差分析的流程如图所示 其主要步骤如下 图电路容差分析流程 培训教程 82 b 容差分析容差分析包括 a 根据已确定的待分析电路的具体要求和条件 适当选择一种具体分析方法 b 根据已明确的电路设计的有关基线按选定的方法对电路进行容差分析 求出电路性能参数的偏差范围 找出对电路性能影响敏感度较大的参数并进行控制 使电路满足要求 c 电路容差分析方法在工程中常用的容差分析方法包括阶矩法 最坏情况分析法 仿真法等 阶矩法阶矩法是一种概率统计方法 该方法根据电路组成部分参数的均值和方差 求出电路性能参数的均值和方差 最坏情况分析法最坏情况分析法是分析在电路组成部分参数最坏组合情况下的电路性能参数偏差的一种非概率统计方法 它利用已知元器件参数的变化极限来预计电路性能参数变化是否超过了允许范围 仿真方法目前很多EDA 电子设计自动化 软件都具有仿真计算和容差分析功能 培训教程 83 表24各种容差分析方法的优缺点和适用范围 培训教程 84 4可靠性试验 1 概述1 目的a 发现产品在设计 材料 元器件和工艺方面的各种缺陷 b 确认是否符合可靠性定量要求 可靠性试验是产品在研制和生产阶段提高和验证可靠性的必要工作项目 c 改善产品的使用完好性 减小维修费用提供信息 可靠性是设计出来的 是制造出来的 也是试验出来的 培训教程 85 2 分类 a 可靠性试验它分为工程试验 环境应力筛选试验 可靠性研制试验及可靠性增长试验 及统计试验 可靠性鉴定试验 可靠性测定试验及可靠性验收试验 环境应力筛选 ESS 工程试验可靠性研制试验 RDT 可靠性增长试验 RGT 可靠性试验可靠性鉴定试验 RQT 统计试验可靠性测定试验 RDT 可靠性验收试验 PRAT b 从试验场合 则分为实验室试验及现场可靠性试验 在这讲中 我们主要介绍实验室中进行可靠性试验的内容 培训教程 86 3 基本概念a 可靠性试验本身是不能提高产品可靠性 b 可靠性试验用来寻找和发现产品在设计 材料 元器件和工艺方面的各种缺陷 针对暴露的产品各种缺陷 在研制和生产阶段通过改进产品的设计 才能提高产品可靠性 c 验证产品可靠性是否满足合同规定的要求 确认是否符合可靠性定量要求 d 寻找和发现产品各种缺陷的试验和提高产品可靠性的试验所加的环境应力一般为加速应力 e 各类验证产品可靠性的试验所加的环境应力一般为正常使用应力 培训教程 87 2 我国可靠性试验发展 1982年2月原四机部颁发了部标SJ2064 电子设备可靠性验证试验 统计试验方案 1986年11月颁发了国标GB5080 设备可靠性试验总要求 等 1990年10月颁发了国军标GJB899 可靠性鉴定和验收试验 1991年1月颁发了国军标GJB1032 电子产品环境应力筛选方法 1992年7月颁发了国军标GJB1407 可靠性增长试验 培训教程 88 2 我国可靠性试验发展我国在 七五 期间已开展了一些可靠性试验工作 军品和民品 在 八五 期间 军品又进行了大量的以三综合应力为主的可靠性试验 九五 可靠性试验更普遍地开展 我国已有超过近百台的大型三综合试验设备 也引进了一台四综合可靠性试验设备 并且研制了四综合试验设备和板件级筛选设备 培训教程 89 4 1环境应力筛选 ESS Environmentstressscreen 1 作用 剔除产品缺陷及激发早期故障 培训教程 90 在产品出厂前 有意将环境应力施加到产品上 使产品的潜在缺陷加速发展成早期故障 并加以排除 从而提高产品的可靠性 2 环境应力筛选的目的 培训教程 91 3 环境应力筛选与试验的比较表4 1筛选与试验的比较 不包括元器件 零部件 筛选 其中试验是指 设计鉴定试验和可靠性验证试验 培训教程 92 4 筛选对象不同组装等级 元器件级 组件级 单元级 设备或系统级 的环境应力筛选 各级筛选剔除缺陷过程 培训教程 93 5 要求1 各组装等级100 进行ESS 并且 能够 很快析出缺陷 析出适当数量的固有缺陷不会 引起不适当的设计故障 诱发附加的故障 使设备性能下降或寿命降低不应 使筛选应力强度超过设计极限 培训教程 94 2 筛选采用的环境应力类型 应力类型的选择优先采用温度循环和随机振动两者的组合 应力 培训教程 95 表4 2常用的应力及其强度 费用和筛选效果 培训教程 96 6 温度循环和随机振动的各参数量对筛选效果的影响 1 温度循环参数量 温度范围 保持时间 温度变化速率 循环次数 t6 培训教程 97 2 随机振动参数量 频率范围 加速度功率谱密度 加速度功率谱形 培训教程 98 表4 3筛选前的准备工作和环境应力筛选程序 培训教程 99 7 环境应力筛选的应用范围 研制阶段或可靠性增长中激发材料 元器件 设计缺陷和工艺缺陷 可靠性增长试验前预处理 备件的筛选 可靠性鉴定试验前预处理 组装件的筛选 可靠性验收试验前预处理 出厂交付前的筛选 产品维修后筛选 环境应力筛选 研制阶段 生产阶段 使用阶段 培训教程 100 4 2可靠性增长试验 1 可靠性增长试验概述可靠性增长试验是产品研制阶段中单独安排的一个可靠性工作项目 作为工程研制阶段的组成部分 保证产品进入批生产前的可靠性达到预期的目标 可靠性增长试验通常安排在工程研制基本完成之后和可靠性鉴定试验之前 可靠性增长试验是一种有目标 有计划 有增长模型的专项试验 可靠性增长试验耗费的资源相当巨大 试验总时间通常为产品预期MTBF目标值的5 25倍 所以 并不是任何一个产品都合适进行增长试验 培训教程 101 4 2可靠性增长试验 1 可靠性增长试验概述可靠性增长试验是产品研制阶段中单独安排的一个可靠性工作项目 作为工程研制阶段的组成部分 保证产品进入批生产前的可靠性达到预期的目标 可靠性增长试验通常安排在工程研制基本完成之后和可靠性鉴定试验之前 可靠性增长试验是一种有目标 有计划 有增长模型的专项试验 可靠性增长试验耗费的资源相当巨大 试验总时间通常为产品预期MTBF目标值的5 25倍 所以 并不是任何一个产品都合适进行增长试验 培训教程 102 2 可靠性增长与可靠性增长试验的目的和一般方法 可靠性增长试验的目的是在研制阶段保证产品在进入批生产前的可靠性达到预期的目标 可靠性增长试验的一般方法是制定增长目标 确定增长模型 通过试验发现产品故障 根据故障分析 改进设计的这样一个不断反复试验改进过程 再 试验 故障分析 再设计 纠正 可靠性增长试验过程 培训教程 103 杜安 DUANE 模型 累积MTBF 瞬时MTBF 式中 截矩 增长起始点 m 增长率 可靠性增长模型 AMSAA模型以下不介绍 费用高不适用民用产品 培训教程 104 4 3可靠性研制试验 RDT 1 目的通过对产品施加适当的环境应力 工作载荷 寻找产品中的设计缺陷 以改进设计 提高产品的固有可靠性水平 2 方法试验 分析 改进 3 类型可靠性强化试验 RET 高加速寿命试验 HALT 可靠性增长摸试验 4 适用时机可靠性研制试验应在产品的研制阶段尽早开展 通过试验 分析与改进的过程来提高产品的固有可靠性水平 培训教程 105 5 基本要求1 承制方在研制阶段应尽早开展可靠性研制试验 通过试验 分析 改进 TAAF 过程来提高产品的可靠性 2 可靠性研制试验是产品研制试验的组成部分 应尽可能与产品的研制试验结合进行 3 承制方应制定可靠性研制试验方案 并对可靠性关键产品 尤其是新技术含量较高的产品实施可靠性研制试验 必要时 可靠性研制试验方案应经订购方认可 4 可靠性研制试验前期可采用加速应力进行 以尽快找出产品的薄弱环节或验证设计余量 5 对试验中发生的故障均应纳入故障报告 分析和纠正系统 FRACAS 并对试验后产品的可靠性状况作出说明 培训教程 106 6 工作要点1 与可靠性增长试验不同之处在于可靠性研制试验没有增长目标 只要达到诱发故障 并通过改进设计 提高产品的固有可靠性水平的目的即可 2 对于新技术含量较高的产品应安排可靠性研制试验 一般在合同中规定可靠性研制试验的项目 3 民用产品可靠性研制试验可以采用加速应力进行 以识别薄弱环节并诱发故障或验证设计余量 加速应力可采用单应力步进加速或多应力同时加速 4 在民用产品环境试验条件时 也可按照受试产品使用需要设计 培训教程 107 4 4可靠性验证试验4 4 1目的与分类 1 目的 是确认产品是否符合合同规定的可靠性定量要求 2 分类 1 可靠性鉴定试验为了验证设备设计是否符合规定的可靠性要求 应用能代表具有批准的技术状态的设备 在规定的环境试验条件下进行可靠性鉴定试验 若无其他规定 则至少要用两台设备进行定时截尾试验方案的鉴定试验 统计试验方案应是订购方规定或同意的GB5080中的方案 培训教程 108 2 可靠性验收试验为了确定生产的设备是否符合规定的可靠性要求 应按规定的抽样原则从各生产批次中抽取设备 在与可靠性鉴定试验相同的环境试验条件下进行可靠性验收试验 这些受试设备应能代表其所属批次的特征 验收试验统计试验方案应从GB5080中给出的序贯截尾试验方案或定时截尾试验方案 3 验证试验 统计试验 方案的分类 指数寿命型 定时截尾 序贯截尾 定数等方案 成败型 一次抽样 序贯截尾等方案 培训教程 109 4 4 2验证试验的可靠性度量和决策风险的术语定义 1 可靠性的度量 指数分布 平均故障间隔时间 MTBF 的验证区间demonstratedMTBFinterval L u 在试验条件下真实MTBF的可能范围 即在所规定的置信度下对MTBF的区间估计 MTBF的观测值 点估计 observedMTBF 设备总工作时间除以关联 责任 故障数 MTBF的检验下限lowertestMTBF 1 拒收的MTBF值 统计试验方案以高概率拒收MTBF真值接近 1的设备 培训教程 110 4 4 2验证试验的可靠性度量和决策风险的术语定义 1 可靠性的度量 指数分布 MTBF的检验上限 0 uppertestMTBF 0 可接收的MTBF值 它等于鉴别比d乘以MTBF检验下限 1 统计试验方案以高概率接收MTBF真值接近 0的设备 MTBF的预计值 p predictedMTBF p 用规定的可靠性预计方法确定的MTBF值 它取决设备设计和使用环境 数值上应等于或大于 0 以保证设备在可靠性试验期间能以高概率接收 培训教程 111 2 判决 决策 风险decisionrisk由使用方风险 生产方风险和鉴别比组成 使用方风险 consumer srisk MTFB的真值等于其检验下限 1时设备被接收的概率 当MTBF真值低于 1时设备被接收的概率将低于 生产方风险 producer srisk MTFB的真值等于其检验上限 0时设备被拒收的概率 当MTBF真值大于 0时设备被拒收的概率将低于 鉴别比 d discriminationratio d MTBF的检验上限 0与检验下限 1的比值 d 0 1 培训教程 112 3 关于决策风险说明生产方风险 MTBF的真值等于其检验上限 时设备被拒收的概率 当MTBF的真值大于 时设备被拒收的概率将低于 使用方风险 MTBF的真值等于其检验下限 1时设备被接收的概率 当MTFB的真值低于 1时设备被接收的概率将低于 鉴别比d 1 鉴别比太大给产品设计带来困难 因要求预计值 p 培训教程 113 4 4 3验证试验方案 指数寿命型统计试验方案 1 定时截尾统计试验方案随机抽取一组样本量为n的样本进行可靠性鉴定试验 试验进行到累积时间达到预定值T 时截止 设在试验过程中共出现r次故障 如果r Ac 接收数 认为批产品可靠性合格 可接收 如果r Rc 拒收数 认为批产品可靠性不合格 拒收 其方框图如图 定时截尾方案方框图 培训教程 114 当已知决策风险 鉴别比 則试验时间 判决故障数可由下表4 4查得 该表通过公式计算得到 表4 4标准型定时试验方案简表 GJB899 培训教程 115 1 定时截尾统计试验方案 表4 5短时高风险定时试验方案简表 GJB899 培训教程 116 1 定时截尾统计试验方案表4 6GB T5080 7推荐的部分定时截尾试验方案 培训教程 117 2 序贯截尾试验方案 表4 7标准型序贯试验方案简表 注 1 名义值又叫标称值 用来称呼各方案的决策风险 培训教程 118 2 序贯试验方案 表4 8短时高风险序贯试验方案简表 培训教程 119 序贯截尾试验 拒收区 接收区 继续试验区 接收 拒收 序贯截尾试验方案 验证试验 统计试验方案 培训教程 120 示例2设 20 d 1 5判别标准 方案2 总试验时间 1的倍数 2 注 1 总试验时间是所有受试设备工作时间的总和2 实际判决时间等于标准化判决时间t乘以MTBF的检验下限 1 培训教程 121 判别标准 方案2 表4 9接收拒收判决标准 注 1 总试验时间是所有受试设备工作时间的总和2 实际判决时间等于标准化判决时间t乘以MTBF的检验下限 1 培训教程 122 表4 10各统计试验方案分类优缺点及适用范围 培训教程 123 4 4 4可靠性验证试验的条件 剖面 1 试验剖面的制定 从任务剖面 环境剖面 试验剖面任务剖面任务剖面是对设备在完成规定任务这段时间内所要经历的全部重要事件和状态的一种时序描述 它仅是寿命剖面的一部分 寿命剖面 是产品从交付到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部重要事件和状态的一种时序描述 环境剖面 试验剖面 培训教程 124 2 试验应力条件确定准则订购方应在合同中规定可靠性验证试验过程中所要施加的应力类型及其量值 可靠性验证试验的环境条件应不同于环境试验的极值条件 它应时序地模拟受试设备在使用中经历的最主要的应力 确定应力的优先次序如下 1 实测应力根据设备在实际使用中执行典型任务剖面时 在其安装位置测得的数据 经过分析处理后确定的应力 培训教程 125 2 试验应力条件确定准则2 估计应力根据处于相似位置 具有相似用途的设备在执行相似任务剖面时测得的数据 经过分析处理后确定的应力 只有在无法得到实测应力的情况下方可使用估计应力 培训教程 126 2 试验应力条件确定准则3 参考应力标准给出的应力或按标准提供的数据 公式和方法导出的应力 只有在无法得到实测应力或估计应力的情况下方可使用参考应力 可靠性验证试验采用综合环境应力试验条件温度应力 振动应力 湿度应力综合 可同时 施加 还加电应力 工作应力 在产品上 见完整的综合应力试验剖面图 培训教程 127 4 4 5试验结果处理 1 故障判据在试验过程中 出现下列任何一种事件即应判为故障 1 受试产品或产品的一部分丧失一个或几个功能 2 产品或产品的一部分性能参数超出产品技术条件中允许的范围 3 受试产品出现机械零部件 结构件或元器件的松动 断裂等损坏状态 2 可靠性试验期间试验故障分类1 试验期间出现所有故障应按分为关联故障和非关联故障 非关联故障 已经证实未按规定的条件使用而引起的故障 或已经证实仅属于某项将不采用的设计所引起的故障 否则为关联故障 非责任故障 指非关联故障或事先已经规定不属某个特定组织提供的产品的关联故障 否则为责任故障 培训教程 128 选定某一方案 试验结束后 按关联故障 责任故障 及总试验时间计算试验结果 关联故障 责任故障 培训教程 129 4 4 5试验结果处理 4 总试验时间设备试验时的总工作时间或受试验应力累积时间 如有多台产品同时试验 则总试验时间为每台设备工作时间或每台受应力累积时间总和 即台时数 多台产品如有一台产品的累计试验时间少于全部受试产品的平均试验时间的一半 虽然达到了该方案规定的时间和接收判决故障数 则不应作出接收判决 培训教程 130 5 结果处理 先要给出观察值 点估计值 T rT 设备的总试验时间r 责任故障数要求给出产品试验MTBF的验证区间值 培训教程 131 要设定置信度 才能计算验证区间值 一般建议采用置信度C 1 2 100 根据置信度和责任故障数 可以表查得上下限置信系数 c r c 1 c 2置信度越高 则验证时间越宽 同样置信度下 故障数增加 验证区间变窄 验证下限 L L c r 验证上限 u u c r 即MTBF验证区间值 培训教程 132 4 5可靠性测定试验 1 目的 测定设备可靠性特征值的试验 2 要求和方法 1 要求 可靠性测定试验的试验条件 工作和环境条件 受试设备性能 故障定义与可靠性验证试验相同 见国标GB5080 1 设备可靠性试验总要求 2 方法 可靠性测定试验的受试设备抽样 试验前准备 试验测试及试验程序 故障维修与可靠性验证试验相同 见上述国标GB5080 1 可以在实验室或现场进行试验 培训教程 133 3 特点 1 没有对产品定量地规定可靠性指标时 可以通过可靠性测定试验评定该产品达到的可靠性水平 2 可靠性验证统计试验方案不适宜采用 可靠性测定试验不存在接收或拒收 3 各种分布均可得到失效率 MTBF MTTF点估计值和置信区间 见国标GB5080 4 培训教程 134 表4 12各类可靠性试验的比较 培训教程 135 4 6寿命试验与评估4 6 1目的寿命试验的目的 一是发现产品中可能过早发生耗损的零部件 以确定影响产品寿命的根本原因和可能采取的纠正措施 二是验证产品在规定条件下的使用寿命 贮存寿命是否达到规定的要求 4 6 2产品的耐久性与寿命产品的耐久性是指 产品在规定的使用 储存与维修条件下 达到极限状态之前 完成规定功能的能力 一般用寿命参数度量 极限状态是指由于耗损 如疲劳 磨损 腐蚀 变质等 使产品从技术上或从经济上考虑 都不宜再继续使用而必须大修或报废的状态 培训教程 136 4 6 3产品主要的寿命参数1 使用寿命 产品使用到无论从技术上还是经济上考虑都不宜再使用 而必须大修或报废时的寿命单位数 2 总寿命 在规定条件下 产品从开始使用到报废的寿命单位数 3 储存寿命 产品在规定的储存条件下能够满足规定要求的储存期限 4 可靠寿命 给定的可靠度所对应的的寿命单位 培训教程 137 4 6 4产品寿命试验分