zwwang,可靠性设计,2010-2011年度 第一学期 主讲教师：王志武 电话：34204435 地址：电信楼2-107 E-mail:zwwang,zwwang,1,教材及参考文献,电子机械可靠性与维修性 王世萍 朱敏波，清华版，2000,机械概率设计与模糊设计,朱文予，高教版，2001,3,Matlab数理统计，陈桂明等，科学技术出版社，2002,4,2,系统可靠性设计与分析 宋保雄 ，西北工大，2008,zwwang,1,网页, 中国可靠性资源网, 云通网,2, 中国可靠性,3,zwwang,一 绪 论,1.本课程的主要内容,2.可靠性研究与应用的意义,3.可靠性事件,4.可靠性理论的主要内容,5.可靠性工程的发展历史,6.可靠性工程的几个热点问题,7.基本概念,zwwang,1. 本课程的主要内容,绪论 可靠性数学基础 失效分析 不可修复系统可靠性计算 可修复系统可靠性计算 可靠性试验和综合评定 系统可靠性设计,zwwang,2. 可靠性研究与应用的意义,(1)设备和系统越复杂，对可靠性的要求越高 随着技术的发展，测控设备和系统越来越准确、越快、赵全面。 设备所具有功能越全面，导致各种元件的不断增加，价格也比以前要贵。 用户首先看到的往往不是各种各样的功能，而是价格的增长。如果新的较贵的设备经常发生故障，他们就会感到失望，以至恼火。他们出了高价，也就希望得到更高的可靠性。可靠性是衡量产品性能的重要指标之一。可靠性高的产品，才有好的使用性能。 为达到这一目的，必须在开发和生产过程中就特别考虑到可靠性这一点。,zwwang,(1)设备和系统越复杂，对可靠性的要求越高,不仅仅是设备，而且由设备所组成的系统也越来越复杂。 航空和航天中所采用的系统是非常复杂的系统，所以，这个分支比较早地关注可靠性问题，并寻找提高和改善可靠性的方法。,zwwang,（2）通过可靠性降低总成本,可靠性的提高首先需要费用： 因为需要采用较好的元件，并只让其在额定条件下工作，此外还要设计包括部分冗余功能部件的容差结构。 为了识别和筛选坏的零件所需的工作量也是相当大的，因此，生产成本是随可靠性的提高而增加。,zwwang,（2）通过可靠性降低总成本,另一方面，设备和系统的无故障工作给用户带来了好处。 修理次数减少，特别是停工时间及由此引起的损失减少了;设备和系统越可靠，用户修理和停工所付出的代价也就越低。,zwwang,（2）通过可靠性降低总成本,工业界常常进行成本、效益分析和总投资的优化。根据这一原则，当购置费用(图中的a曲线)与修理费用及停工损失(图中b曲线)两者之和最小时，可靠性的设计程度为最理想。,zwwang,（2）通过可靠性降低总成本,例子： 美国共和公司研制F-105战斗轰炸机过程中，花了2500万美元，任务可靠度从0.7263提高到0.8986，每年可节省维修费5400万美元。 注：F-105战斗机，又名：“雷公”（Thunderchief），已于1984年退役。 美国空军第1架超音速战术战斗轰炸机，美国空军当时最大的、单座、单发动机作战飞机。,（2）通过可靠性降低总成本,美国GE公司经过分析认为，对于发电、冶金、矿山、运输等连续作业的设备，即使可靠度提高1%，成本提高10%也是合算的。,zwwang,zwwang,一个满意的顾客会告诉8个人； 一个不满意的顾客会告诉20个人； 只有可靠的产品才能带来长期效益和忠诚的顾客！,（3）提升产品的品牌价值,zwwang,可靠性好的产品，不但可以减少公司的维修费用，而且可以很快就打出品牌，大幅度提升公司形象，增加公司收入。,（3）提升产品的品牌价值,zwwang,随着市场经济的发展，竞争日趋激烈，人们不仅要求产品物美价廉，而且十分重视产品的可靠性和安全性。,（3）提升产品的品牌价值,zwwang,（3）提升产品的品牌价值,美国的康明斯、卡勃彼特柴油机，大修期为12000小时，而我国柴油机不过1000小时，有的甚至几十小时、几百小时就出现故障。 我国生产的电梯，平均使用寿命（指两次大修期的间隔时期）为3年左右，而国外的电梯平均寿命在10年以上，是我们的3倍；故障率，国外平均为0.05次，而我国为1次以上，高出20倍。 这样的产品怎么有竞争力呢！,zwwang,（3）提升产品的品牌价值,因此要想在竞争中立于不败之地，就要狠抓产品质量，特别是产品可靠性，没有可靠性就没有质量，企业就无法在激烈的竞争中生存和发展。,zwwang,（4）可靠性保证安全性,为了保证人生的安全，某些过程必须不惜代价地维持在规定的范围内。 比如说化工中要加工的有毒物质是不允许外泄的；飞机的安全着陆系统；某些交通工具的安全性系统；核电站在发生故障时安全停堆和防止放射性物质的外泻. 在上述各种情况厂，设备的安全性是不可缺少的前提，需要可靠性设备来保证。,zwwang,（4）可靠性保证安全性,设备的用户期待可靠性指标。所以要求生产厂商给出产品的可靠性指标，要求保证可靠性。系统较大时尤其如此。 例：前苏联的“联盟11号”宇宙飞船返回时，因压力阀门提前打开而造成三名宇航员全部死亡。,zwwang,调查结果显示（如某公司市场部调查记录）：“对可靠性的重视度，与地区的经济发达程度成正比”。 例如，英国电讯（BT）关于可靠性管理/指标要求有产品寿命、MTBF报告、可靠性框图、失效树分析（FTA）、可靠性测试计划和测试报告等； 泰国只有平均故障间隔MTBF和失效平均时间MTTF的要求； 厄瓜多尔则未提到，只是提出环境适应性和安全性的要求。,（）可靠性是社会经济问题,zwwang,因此，可靠性问题必须引起政府和企业的高度重视，抓好可靠性工作，不仅是关系到企业生存和发展的大问题，也是关系到国家经济兴衰的大问题。,（）可靠性是社会经济问题,zwwang,（6）可靠性不是天生就有的，而是设计的结果,可靠性贯穿于产品的设计、制造、使用的全过程。为了得到可靠的设备和系统，必须在生产的各个环节付出特别的努力，而设计阶段尤为重要，如果这一步走错了，要想通过后来的修改达到所希望的可靠性几乎是不可能的。 对于复杂的产品和系统，要提高可靠性，必须应用可靠性技术 可靠性是一个系统工程，对所有参加产品研制、设计、生产、使用、维修、管理的人员进行教育和培训是必要条件之一 特别是，研制设备或设计系统的工程师和科学家们应该了解和掌握保证可靠性的方法与手段。,zwwang,学习本课程的目的： 了解可靠性技术概况 初步掌握可靠性设计与分析方法 培养分析问题和解决问题的能力,zwwang,3 可靠性事件,二次世界大战期间，作战飞机以及雷达上所用的电子设备，由于可靠性水平较低而屡屡出现故障。 据统计，美国在太平洋战争期间，向远东发送的装备中，约有60的航空电子装置和70的海军用电子装置发生故障。 这些触目惊心的数字，引起人们对可靠性问题的重视。,zwwang,3 可靠性事件,“哥伦比亚号”航天飞机2003年2月1日在美国东部时间时（北京时间时）返回地面时与地面控制中心失去了联系，后在得克萨斯州中北部地区上空解体坠毁。航天飞机上的名宇航员已全部遇难。 美国“哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会2003年8月26日公布了最终调查报告，称美国宇航局对这起事故负有责任。,zwwang,3 可靠性事件,报告说，导致“哥伦比亚”号事故的技术原因，是这架航天飞机发射升空81.7秒后，外部燃料箱外表面脱落一块泡沫材料，撞击导致航天飞机左翼前缘的热保护系统形成裂孔。航天飞机重返大气层时，超高温气体得以从裂孔处进入“哥伦比亚”号机体，造成航天飞机解体。 这份长达248页的报告同时认为，导致事故的还有美国宇航局管理上的因素，它在事故中所起的作用等同于泡沫材料撞击。报告称，美国宇航局缺乏一种“强效安全文化”。,zwwang,3 可靠性事件,美国东部时间2003年8月14日下午4时许，纽约、新泽西、俄亥俄、康涅狄克等州和加拿大的多伦多地区突然发生大范围的停电，位于纽约州和俄亥俄州的四个核电站中断发电。 成千上万的人纷纷涌上街头，导致许多地区道路被严重堵塞。受影响人口大约在5000万左右。大约29小时后基本恢复供电。 根据经济学家估计，停电一天造成的经济损失可能达300亿美金。,zwwang,3 可靠性事件,负责调查美加大停电事故的北美电力可靠性委员会16日的初步调查结果显示： 14日下午3时06分，俄亥俄州北部三条超高压输电线路突然发生故障。 由于警报系统失灵，控制人员没有发现并采取有效措施，导致输电系统出现连锁反应，并在一个小时之内蔓延到纽约及加拿大的多伦多。,zwwang,3 可靠性事件,美、加大停电的思考：电力可靠性 电力系统灾变机理分析与风险评估研究 发电方式与电网可靠性研究 可靠性与经济性协调研究,zwwang,3 可靠性事件,软件可靠性需求 从90年代开始，硬件越来越可靠，软件成为导致系统失败的主要因素。 软件的复杂性、需求加大，速度超过软件的设计、测试和维护能力，计算机病毒等，提出了软件的可靠性问题。 如：航天飞机机载系统50万行代码，地面控制系统35万行代码。美国电信业：电信线路正常运转，数百个软件，代码超过亿行。,zwwang,3 可靠性事件,国防：F-16首航时间耽误1年，软件问题所致。 软件致命：大规模放射治疗仪Therac25，由于软件问题导致控制系统失灵，导致多名病人失去生命。 2008年08月27日，美国航班排序中心的电脑系统瘫痪，导致20多个机场出现航班延误，大批航班延误。,zwwang,3 可靠性事件,57年，前苏联第一颗人造卫星发射成功 前苏联在50年代就开始了对可靠性理论及应用的研究 69年，阿波罗等月成功 美国二战后开始，电子系统可靠性研究； 60年代初期，其发展与航天计划有关机械可靠性研究 60年代后期，日本的新干线 日本是在1956年由美国引进可靠性技术。日本将可靠性技术推广应用到民用工业部门取得很大成功，,zwwang,3 可靠性事件,我国载人航天的成功 99年11月20日，中国自主研制的第一艘航天试验飞船“神舟”一号发射成功。 2003年10月15日，发射第一艘载人飞船“神舟”五号，中国飞天第一人杨利伟搭乘该船成功进入太空，并绕地球飞行二十一小时后顺利返回，实现了中华民族千年飞天梦想。,zwwang,3 可靠性事件,长征二号F型火箭已经成功地将4艘无人飞船和“神舟”五号、六号和七号载人飞船送入太空预定轨道，发射成功率达到100。 这是我国目前唯一用于发射载人飞船的火箭。长征二号F型火箭可靠性指标达到0.97，航天员安全性指标达到0.997，是我国航天史上技术最复杂、可靠性和安全性指标最高的运载火箭。,zwwang,4 可靠性理论的主要内容,可靠性数学：可靠性问题，数学模型，数学方法，定量分析。 概率论、数理统计、随机过程、运筹学、拓扑学。 可靠性物理：失效机理、本质，基础研究。为数学建模、检测方法制订、纠正措施选取建立基础。 可靠性工程：用工程观点和系统的观点来分析问题。对某一系统可靠性要求：设计、试验、生产等一系列工作。涉及到可靠性预测、试验、管理、控制、评价，系列工程概念。,zwwang,4 可靠性理论的主要内容,zwwang,5 可靠性工程的发展历史,萌芽期：19301940s 概念形成 兴起期：1950s 可靠性工作内容确定 全面发展期：1960s 制定标准、完善方法 深入发展期：1970s今，加强可靠性管理和质保体系、完善标准、探求新方法,我国可靠性发展,在60年代初，电子工业部门开始开展可靠性工作，进行了有关可靠性评估的开拓性工作。 70年代初，航天部门首先提出了电子元器件必须经过严格筛选。 70年代中期，由于中日海底电缆工程的需要，提出元器件可靠性验证试验的研究，促进了我国可靠性数学的发展。,zwwang,我国可靠性发展,从1984年开始，在国防科工委的统一领导下，结合中国国情并积极汲取国外的先