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讲稿02单片机复习课件 第四章可靠性设计由于产品的可靠性差造成的损失是惊人的1957年美国发射的“先锋号”卫星，由于一个2美元的电子元件失效，造成了220万美元的损失。 1979年由于核反应堆系统增压器减压阀门出了故障，造成举世震惊的美国三里岛核电站事故。 可靠性表示系统、设备、元器件的功能在规定条件和规定时间内的稳定程度的特性，它是衡量机电产品质量的一个重要指标。 可靠性设计就是事先考虑产品可靠性的一种设计方法。 第一节概述可靠性研究的历史（国外）1）美国很早就开始了可靠性的研究二战期间，军用航空电子设备的失效率高，美国运往远东作战飞机的机载电子设备60%在运输中失效，飞行故障引起事故而损失的飞机比被击落的多1.5倍，海军舰艇上电子设备70%因意外事故失效。 第一章绪论可靠性研究的历史（国外）?2)20世纪40年代，德国在V-1火箭研制中，提出了火箭系统的可靠性等于所有元器件可靠度乘积的理论，即把小样本问题转化为大样本问题进行研究。 ?3)1957年6月4日，美国的“电子设备可靠性顾问委员会”发布了军用电子设备可靠性报告，提出了可靠性是可建立的、可分配的及可验证的，从而为可靠性学科的发展提出了初步框架。 第一章绪论可靠性研究的历史（国外）?4)20世纪50年代至60年代，美国、苏联相继把可靠性应用于航天计划，于是机械系统的可靠性研究得到发展，如随机载荷下机械结构和零件的可靠性，机械产品的可靠性设计、试验、验证等。 ?5)日本于20世纪50年代后期将可靠性技术推广到民用工业，设立了可靠性研究机构和可靠性工程控制小组，大大提高了日本产品的可靠度。 第一章绪论可靠性研究的历史（国内）?1)国内的可靠性工作起步较晚，上世纪50年代末和60年代初在。 原机械电子工业部的内部期刊有介绍国外可靠性工作的报道。 ?2)20世纪70年代由于我国重点工程的需要，以及消费者的强烈要求，对各行业开展可靠性的研究起了巨大的推动作用；从1973年起，原国防科工委和原四机部为了解决国家重点工程元器件的可靠性问题，多次召开有关提高可靠性的工作会议。 第一章绪论可靠性研究的历史（国内）?3)发展最快的时期是上世纪80年代初期，出版了大量的可靠性工作专著、国家制定了一批可靠性工作的标准、各学校有大量的人投入可靠性的研究。 ?4)但国内的可靠性工作曾在90年代初落入低谷，在这方面开展工作的人很少，学术成果也平平。 主要的原因是可靠性工作很难做，出成果较慢。 第一章绪论可靠性研究的历史（国内）?5)但在近些年，可靠性工作有些升温，这次升温的动力主要企业对产品质量的重视，比较理智。 许多工业部门将可靠性工作列在了重要的地位。 如原航空工业部明确规定，凡是新设计的产品或改型的产品，必须提供可靠性评估与分析报告才能进行验收。 我认为，目前国内的可靠性工作仍在一个低水平上徘徊，研究的成果多，实用的方法少；研究力量分散，缺乏长期规划；学术界较混乱，低水平的文章随处可见，高水平的成果无人过问第一章绪论可靠性研究的重要性及其意义随着科学技术的发展，对机电设备的性能要求越来越高，机电设备的功能越来越多，结构也越来越复杂，因此对可靠性的研究也越来越重要，在航空航天、尖端武器、电子、大型机械等领域，产品的可靠性研究尤其重要。 例如，航天器上少则有几十万个零件，多则上百万个零件，对这些设备来说，即使单个零件的失效概率很低，但由于零件数目大，其中个别零件的失效导致整机失效的概率势必增加，例如每个零件的可靠度达到0.995，但是由100个零件串联组成的设备的可靠度将下降到0.6左右，如果因为某个零件的可靠性差而导致机器的功能失效，其损失将是巨大和惨重的。 ?高可靠性可以产生巨大的经济效益。 日本的汽车、工程机械、发电设备、日用家电等产品能够畅销全球，关键在于其具有较高的可靠性，日本因而从中获得了巨额利润。 相反，当产品的可靠性不能满足用户的使用要求时，就会使产品的销量下降，并失去竞争力。 ?则高可靠性、高质量是产品生存发展的根本保证，可靠性的观点和方法已经成为质量保证、安全性保证、产品责任预防等不可缺少的依据和手段，也是我国工程技术人员掌握现代设计方法所必须掌握的重要内容之一。 第一章绪论 一、可靠性的概念和设计特点?可靠性(Reliability)定义产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。 它标志着产品不会丧失工作能力的可靠程度。 ?要点?1)产品是指作为单独研究和分别试验对象的任何零件、设备、装置、系统（广义的）。 ?2)规定条件包括使用时的环境条件和工作条件。 环境条件温度、湿度、振动、冲击、辐射等；工作条件维护方法、储存条件、操作人员水平等。 这些条件对产品的可靠性有着直接的影响。 不同条件下相同的产品可靠性也不一样，所以不在相同的条件下衡量可靠性就视区了比较产品质量的前提。 ?3)规定时间产品的规定寿命。 是可靠性定义中的核心，产品的可靠性只能在一定时间范围内达到目标可靠度，不可能永远保持目标可靠度不降低。 讨论产品的可靠性要在一定的时间范围内进行。 产品的可靠性会随着产品使用时间的增加而降低的。 时间可以是（0，t）或（t1，t2），广义的时间还可以是车辆行驶的里程数，回转零件回转的转数，工作循环次数，机械装置的动作次数等。 ?例如、轴承，车辆，齿轮用应力循环次数来衡量。 ?4)规定功能产品必须具备的功能和技术指标。 （例如）仪表的精度，分辨率，量程，动态范围等。 不同产品功能不同，即使同一产品功能也不一定相同，产品的可靠性和规定的功能有密切的关系。 一个产品往往具有若干项功能，完成规定功能是指完成这若干项功能的全体，而不是其中一部分。 ?产品达到规定的性能指标或没有损坏就算完成规定功能，否则称该产品失效，对可修复产品也称为故障，有事产品虽能工作，但是不能完成规定功能，有事局部出现故障，但是能完成规定功能，因此具体进行可靠性判断时，合理的，明确的给出故障判据，或失效判据很重要。 ?5）能力不仅定性还要求定量，以便说明可靠性的程度。 才能比较出产品的好坏。 ?由于产品在工作中发生故障带有偶然性，所以不能仅看一个产品的情况，而是应该观察大量同类产品或者根据一定数量是样品试验，得出数据并经统计处理之后，方能确定其可靠性的高低，所以在可靠性定义中“能力”有统计学的意义。 ?例如产品在规定的条件下和规定的时间内，失效数量和产品总量之比越小，其可靠性就越高。 或者产品在规定的条件下，平均无故障工作的时间越长，其可靠性也就越高。 ?产品的可靠性由固有可靠性和使用可靠性两部分组成。 固有可靠性是在产品设计制造过程中已经确定，并最终在产品上得以实现的可靠性。 是产品的内在性能之一，产品一旦被设计完成并按要求生产出来，其固有可靠性就完全确定了。 使用可靠性是产品在使用中的可靠性，它往往与产品的固有可靠性存在着差异。 这是由于产品生产出来要经过包装、运输、储存安装、使用和维修等环节，且使用环节与设计所规定的条件往往不一致，使用者操作水平维修水平也不相同。 ?往往，固有可靠性高，使用条件好的产品使用可靠性也高，?一般可以将产品的可靠性看做是固有可靠性和使用可靠性的乘积。 资料表明，电子设备故障原因中属于产品固有可靠性的占80%，其中设计技术占40%，元器件和元材料占30%，制造技术占10%，属于使用可靠性的占20%，其中现场使用占15%。 因此提高产品的可靠性，除设法提高产品的固有可靠性之外，还应改善其使用条件，加强使用中的保养和维修，使产品的固有可靠性在使用中得到充分发挥。 ?实际工作中，往往由于各种偶然的因素导致产品发生故障，比如元件发生失效，应力突然改变，维修或使用不当等。 由于这些原因具有偶然性，所以对于具体的产品来说，在规定条件和规定的时间内能否完成规定的功能是无法知道的，也就是说这是一个随机事件，随机事件也包含着规律，偶然中有必然，虽然不知道确切时间，但是可以估计某一时间段内，产品完成规定功能的能力大小。 ?应用概率论和数量统计理论对产品的可靠性进行定量计算是可靠性学科的基础。 设计特点?可靠性设计是常规设计方法的深化和发展，所以有关课程的计算原理、方法和基本公式对可靠性设计仍然有用。 ?具有如下特点1）可靠性设计法认为作用在零部件上的载荷(广义的）和材料性能等都不是定值，而是随机变量，具有明显的离散性质，在数学上必须用分布函数来描述。 2）由于载荷和材料性能都是随机变量，所以必须用概率统计的方法求解。 3）可靠性设计法认为所设计的任何产品都存在一定的失效可能性，并且可以定量的回答产品在工作中的可靠程度，从而弥补了常规设计法的不足。 ?上面的可靠性定义只是一个一般性的定义，并没有给出任何数量表示，而在产品可靠性设计、制造、试验和管理等多个阶段都需要有“量”的概念。 只有将其量化，才能对产品的可靠性提出明确的要求，这些要求即产品的各类可靠性指标。 通常叫可靠性特征量。 ?根据可靠性指标，就可以在产品规划、设计、制造时根据可靠性理论，预测和分配它们的可靠性，在产品研制出来后，就可按照一定的可靠性试验方法鉴定它们的可靠性或者比较各种产品的可靠性。 第一章绪论可靠性尺度 二、可靠性设计中常用的特征量1.可靠性特征量度量产品可靠性的各种量（指标）统称为特征量。 第一章绪论?可靠度与失效概率（不可靠度）可靠度定义为产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率。 通常以R表示。 考虑到它是时间的函数,又可表示为R=R(t),称为可靠度函数。 可靠度作为描述产品正常工作时间(寿命)这一随机变量(T)的概率分布可写成R(t)=P(Tt)0t与可靠度相对应的有不可靠度,表示产品在规定的条件下和规定的时间内不能完成规定功能的概率,因此又称为失效概率,记为F。 失效概率F也是时间t的函数,故又称为失效概率函数或不可靠度函数,并记为F(t)。 它与可靠度呈互补关系,即R(t)+F(t)=1F(t)=1-R(t)=P(Tt)第一章绪论设有N个同一型号的产品,开始工作(t=0)后到任意时刻t时,有N s(t)个能完成规定功能,则对不可靠度函数F(t)求导,则得失效密度函数f(t),即()?()SN tR tN?()?()1SN tF tN?()()()dF tdR tf tdt dt?0()()tF tf tdt?()1()()tR tFtftdt?第一章绪论由概率论得出的性质?1.刚开始可靠度等于1? 2、随着时间的推移可靠度是时间的递减函数。 ?3.时间趋于无穷大时，可靠度为零。 ?4.任意时刻，可靠度的值永远位于0-1之间。 第一章绪论失效率(Failure Rate)又称为故障率,其定义为“工作到某时刻t时尚未失效(故障)的产品,在该时刻t以后的下一个单位时间内发生失效(故障)的概率”。 记为(t)，称为失效率函数。 根据样本观察值可以这样理解设有N个产品,从t=0开始工作,到时刻t时产品的失效数为N f(t),而到时刻(t+t)时产品的失效数为N f(t+t),即在t,t+t)时间区间内有N f(t)=N f(t+t)-N f(t)个产品失效,则定义该产品在时间区间t,t+t)内的平均失效率为?01()/()()lim|()()xdF tdt ftt Pt Tt tT tt R t Rt?()?()()()fSN tmt tNt t?简单的说，失效率就是产品在时刻t后的一个单位时间内失效的产品数与在时刻t仍工作的产品数的比值。 失效率可以更直观的反映每一时刻的失效情况。 能反应出故障率随寿命变化的规律。 ?前面提到的失效概率密度函数反映的是产品在时刻t附近的一个单位时间内的失效数与起始时刻t=0的工作产品总数N的比。 因此失效概率密度函数主要反映产品在所有可能工作时间领域内相对于起始的失效分布情况。 对于任意时刻而言，用失效概率密度函数来反映瞬时失效的情况，往往显的不够灵敏，而用失效率这与概念正好克服这一缺点，因此失效率是标志产品可靠性常用的数量特征之一，失效率越低，可靠性越高。 ?失效率的单位用单位时间的百分数来表示，常用的单位有每小时或每千小时的百分数。 第一章绪论?例题1-1今有100个某种零件,已工作了6年,工作满5年时共有3个失效,工作满6年时共有6个失效。 试计算这批零件工作满5年时的失效率。 ?如果时间以103h为单位,则t=1年=8.76103h,因此()63? (5)0.0309/3.09%/() (1003)1fSN tyearyearN t t?33()63? (5)0.35%/10() (1003)8.7610fSN thNtt?例题某批产品120个，工作了80h,还有100个产品仍在工作，但是到了第81h,失效了1个，第82h,失效了3个，分别求失效率。 第一章绪论?反映了产品总体整个寿命期失效的情况。 由许多零件构成的机器、设备或系统,在不进行预防性维修时,或者对于不可修复的产品,其失效率曲线的典型形态如图所示。 ?早期失效期(DFR型)幼儿期?偶然失效期(CFR型)青壮期?耗损失效期(IFR型)老年期失效率曲线如果用横坐标表示时间t,/纵坐标表示失效率，则可以绘制出反映产品在整个寿命期失效率情况曲线，称为失效率曲线或浴盆曲线。 第一章绪论偶然失效期有效寿命期第一章绪论4.平均寿命(Mean Life)是产品寿命的平均值,而产品的寿命则是它的无故障的工作时间。 对于不可修复的产品,其寿命是指它的失效前的工作平均时间。 称为失效前平均时间,记为MTTF(Mean TimeTo Failure）N为测试的产品总数;t i第i个产品失效前的工作时间。 对于可修复的产品,寿命期内累计工作时间与故障次数之比。 称为平均无故障工作时间,记为MTBF(Mean TimeBetween Failures)。 n i为第i个测试产品的故障数;t ij为第i个产品从第j-1次故障到第j次故障的工作时间。 .11NMTTF iittN?1111inNMTBF ijNijiit tn?-有效寿命?在可靠性研究中把失效过程划分为早期失效期、随机失效期和损耗失效期三个阶段。 随机失效期是系统的主要工作期，设备工作时间长、失效率恒定，处于最佳工作状态，是设备处于最佳工作状态的时间称有效寿命。 第一章绪论可靠寿命指可靠度为给定值R时的工作寿命。 用t R表示。 中位寿命:指可靠度为R=50%时的可靠寿命。 用t0.5表示。 特征寿命指可靠度R=e-1=0.37时的可靠寿命。 用t e-1表示。 第一章绪论?例题1-2若已知某产品的失效率为常数:?(t)=0.2510-4h-,可靠度函数R(t)=e-t,试求可靠度R=99%的相应可靠寿命t0.99和中位寿命t0.5。 ?解因R(t)=e-t,故有R(t R)=e-t R两边取对数lnR(tR)=-tR得4()ln(0.99)4020.2510RRR tth?0.50.54()ln(0.5)27725.60.2510R tth?In提高可靠度或者提高维修度均能达到提高有效度的目的，为了获得很高的有效度，提高维修度往往比提高可靠度更容易实现并且较经济，应在设计开始就注意提高维修度，因为维修度不仅取决于维修人员的技术，维修设备，工具、。 备件及管理等因素，而且还取决于所设计的结构是否便于维修。 第二章可靠性的数学基础?2.1随机事件与概率第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础?2.2随机变量1.离散型随机变量的概率分布第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础2.连续型随机变量的概率分布第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础3.随机变量的数字特征第二章可靠性的数学基础D D D D D D第二章可靠性的数学基础D D D D DDDDDD第二章可靠性的数学基础DD第二章可靠性的数学基础D第二章可靠性的数学基础?2.3随机事件的概率分布1.连续型分布第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础D第二章可靠性的数学基础D第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础2.离散型分布第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础第二章可靠性的数学基础课后习题习题2-1习题2-2习题2-3习题2-4习题2-5习题2-6第三节应力-强度干涉模型和零部件的可靠性设计 一、应力-强度干涉模型在常规的机械设计中，经常用安全系数n来判断零部件的安全性，即n=c/sn（课本上公式）C为材料强度，s为零件薄弱处应力，n为许用安全系数。 这种安全系数设计法虽然简单，方便，但是却没有考虑到强度c和应力s各自的分散性，以及安全系数的确定具有较大的经验性和盲目性。 有的时候安全系数高不一定安全，安全系数低不一定危险。 因为没有考虑强度和应力的离散性。 机械可靠性设计的理论?应力s是施加于产品或零件的物理量，如应力、压力、温度、湿度、冲击等导致失效的任何因素。 是一个随机变量，遵循某一个分布规律，设应力的概率密度为g(s),在此与应力相关的参数如载荷、零件的尺寸、材料的硬度以及各种影响因素等都属于随机变量，它们都服从各自特定的分布规律，都呈现或大或小的离散性，都应依照概率取值。 并经过分布间的运算可求得相应的应力分布。 强度c产品或零件能够承受这种应力的程度，即阻止失效发生的任何因素统称为强度。 也是随机变量，设其概率密度函数为f(c).?零件的强度包括材料本身的强度，如抗拉