第十一章可信性工程基础本章介绍可信性及相关的基本概念、可信性分析方法和可信性管理1可信性的基本概念可信性是用于表述可用性及其影响因素（可靠性、维修性、保障性）的一个集合性术语。1.可靠性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称为产品的可靠性。可靠性的概率度量亦称可靠度。l1）可靠度及可靠度函数可靠度是对一定的时间而言的，所以它是时间t的函数，成为可靠度函数，用R(t)表示。产品从开始工作到首次故障前的工作时间T称为寿命。由于发生故障的是随机的，从而产品的寿命是一个随机变量。即R(t)=P(Tt)T产品故障前工作时间t规定的时间例题P416-1一批产品中，每个产品的寿命不尽相同。可靠度可定义为R(t)=(N0-r(t)/N0N0t=0时，在规定条件下工作的产品数r(t)在0到t时刻的工作时间内，发生故障的产品数l2）累计故障分布函数产品在规定的条件下和规定的时间内、丧失规定功能（即发生故障）的概率称为累计故障概率（不可靠度），产品的累计故障概率是时间的函数，用F(t)表示。F(t)=P(Tt)F(t)=r(t)/N0显然R(t)+F(t)=1l3)故障密度函数例题416-2,3例题417-4F(t)具有分布函数的性质：（1）0F(t)1，当t=0时，F(0)=1；F()=0。（2）F(t)为非减函数。例题4）故障率函数工作到某一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，称之为产品的故障率。一般用(t)表示。例题P420-6例题P420-5例题故障率表达式中的随着t这个条件的变化而变化的。因而故障率能非常灵敏地反映出产品的变化速度。5)故障率(t)与R(t)、F(t)之间的关系产品工作到时刻t后，在（t,t+t)内产品出故障的概率可以表示为条件概率P(tt)，当t-0时，就得到在时刻t的故障率为了达到产品的可靠性要求而进行的一套设计、研制、生产和试验工作称为可靠性工程。很多可靠性要求是定量的。因此可靠性工程中有相当的可靠性核计工作量。但是，可靠性工程是工程，不是数学。数学在可靠性工程中是不可缺少的工具但也只是工具，不能喧宾夺主。根据经验统计，可靠性核计的工作量一般下到可靠性工程工作量的10。2.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，保持或恢复到规定状态的能力称为“维修性”(maintainability)。维修性的概率度量亦称维修度。规定条件：维修级别（维修的场所和机构；人员数量和技能；设备；工具和备件）规定时间：维修工作的时间要求规定的程序和方法：维修工作类型、来源和方法。维修性是产品的一种设计特性，在产品的初期和整个研制过程中，设计者把维修简便、迅速、经济的特性设计到产品中。l1.维修使产品保持规定状态或恢复到规定状态所进行的全部活动称为维修（maintenance)。为使产品保持规定状态所需采取的措施称为维护，也称为保养，如润滑、加燃料、加油和清洁等。维修通常分为预防性维修与修复性维修。“预防性维修”（Preventivemaintenance）是通过对产品的系统检查、检测和发现故障征兆以防止故障发生，使其保持在规定状态所进行的全部括动。它包括：调整、润滑、定期检查和必要的修理等。在产品寿命周期中按预定的安排所进行的预防性维修称为计划维修。“修复性维修”是产品发生故障后，使其恢复到规定状态所进行的全部活动。它可以包括下述一个或全部步骤：故障定位（faultlocation，即确定故障大体部位的过程）、故障隔离（faultisolation，即把故障部分确定到必须进行修理范围的过程）、分解、更换、调准及检测等。不是按预定安排，而是根据产品的某些异常状态或某种需要而进行的修复性维修称为“非计划维修”。l2）维修级别基层级、中继级和基地级l3）维修性定量指标维修时间M是一个随机变量。它服从对数正态分布。平均修复时间(MeanTimeToRepair,MTTR)在规定的条件下和规定的时间内，产品在任一规定的维修级别（按产品维修时所划分的等级，如：基层级、中继级和基地级）上，修复性维修时间M的数学期望值。（排除故障所需实际时间的平均值）平均故障前时间（MeanTineToFailure,MTTF)设N0个不可修复的产品在同样条件下进行试验，测得其全部故障时间为t1,t2,tN0。其平均故障前时间（MTTF)为当N0趋向无穷时，MTTF为产品故障时间这一随机变量的数学期望。平均故障间隔时间（MeanTineBetweenFailure,MTBF)一个可修复产品在使用过程中发生了N0次故障，每次故障修复后又从新投入使用，测得其每次工作持续时间为t1,t2,tN0。其平均故障间隔时间（MTBF)为，3.保障性把产品的时间分为工作时间及不能工作时间，不能工作是由于出了故障需要维修造成的。不能工作时间包括维修时间及延误时间，即由于保障资料补给或管理原因未能及时对产品进行维修所延误的时间。延误时间是一个随机变量，它的数学期望为平均延误时间（MeanDelayTime,MDT）。在理想的情况下，MDT0产品的设计特性和计划的保障资源能满足使用要求的能力称为产品的“保障性”（supportability）。MDF就是一种保障性参数。保障性已经从维修性工程中独立成为保障性工程。4.可用性产品在任一随机时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度称为产品的可用性（availability）。可用性的概率度量A亦称可用度。在理想情况下，MDT0，上式转化为固有有可用性Ai由此可见：产品的可用性取决于可靠性、维修性及MDT。如果MDT过大，可用性就不大，从而在维修性工程中技术保障问题愈来愈重要。5.寿命周期费用产品从研制开始到退役或整个报废为止的周期称之为产品的寿命周期。寿命周期一般包括研制、生产和使用三个阶段。寿命周期费用LCC(LifeCycleCost)在产品设计的整个阶段，对可信性影响因素进行权衡分析，按最小寿命周期费用来优化产品设计。6.风险风险是指在规定的费用，进度和技术约束条件下，产品研制可能发生具有潜在后果的不期望的情况。风险是可以度量、评估和管理的。风险管理是对资源的反复优化过程，以降低风险，成功实现产品功能。2.可信性分析方法1.可信性分析的基本步骤：步骤1：给出系统的可靠性和可用性要求，系统的功能和性及其使用环境、维修要求。定义系统各层次功能接口关系。步骤2：定义基于系统功能要求的系统的故障及故障判别准则，预计的使用环境。步骤3：在初步设计时，对系统总的失效率和不可用度要求进行分配。步骤4：进行分析，分析的方法主要分为两类，一类是定性分析，一类是定量分析。定性分析（归纳法/演绎法）定量分析（解析法或仿真法）步骤5：分析结果的应用。对系统设计进行评审，确定薄弱环节，进行故障安全设计。研究改进可信性的方法：冗余设计，故障检测和监控，制定修理规程。进行权衡分析和寿命周期费用分析。2.可信性分析方法l1）故障模式影响分析（FMEA)FMEA(failuremodeeffectanalysis)分析产品中每一个潜在的故障模分式，确定其对产品所产生的故障影响，根据故障分析，进一步针对故障原因和失效机理采取预防和纠正措施，从而提高产品的可信性。FMEA的主要作用为：检查系统设计的正确性；确定故障模式的原因；对系统的可信性、安全性予以评价，并标识出其薄弱环节；为系统的维修性分析、保障性分析及测试性分析提供信息；分为确定纠正措施的优选顺序提供依据。FMEA分为硬件的、功能的、工艺的和接口的FMEA等FMEA的工作程序如下：1定义被分析的产品（它包括内部和接口功能各约定层次的预期特性、约束及故障判据的说明等）2绘制功能框图（或系统原理图）、可靠性框图。3确定最低约定层次。对于产品的层次进行划分，对于复杂的产品不一定要做元件级、零件级最低约定层次。能够导致灾难性的和致命性的故障产品所在的产品层次。规定和预期需要维修的最低产品层次，虽然这些产品的故障可能导致临界或轻度的影响。填写FMEA表格把故障模式的出现概率及影响的严酷度结合起来称为危害性。FMEA与危害性分析相结合称为故障模式影响及危害性分析FMECA（FailureModes,EffectsandCriticalityAnalysis）代码产品或功能标志功能故障模式故障原因任务阶段故障影响严酷级别补偿措施备注局部高层次最终影响-3开关接通或断开电源扳动太紧元件质量不合格使用开始及结束工作不便装配前逐个检查接触不良不能工作短路工作时间电阻大短路影响亮度手电筒故障模式影响分析表l2）故障树分析FTA失效树分析（FaultTreeAnalysis,FTA）又称因果树分析，是一种复杂系统进行风险预测的方法。在产品设计阶段，失效树分析可帮助判明潜在危险的模式和灾难性危险因素，发现系统或装置的薄弱环节，以便改进设计。在生产、使用阶段可帮助进行失效诊断，改进技术管理和维修方案。失效树分析也可以作为事故发生后的调查手段。在失效树分析中，首先把需要分析的系统或装置发生失效事件的名称绘在失效树分析图的上部称为顶事件。该图是一棵倒树，树根就是顶事件，枝叶向下蔓延。顶事件下边排列出引起顶事件发生的直接原因，称为失效二次事件或中间事件。在顶事件和紧接的二次事件之间，按照它们之间的逻辑关系，标出逻辑门（如逻辑或门输入事件中只要有一个或多于一个发生就能使输出事件发生；逻辑与门全部输入事件都发生才能使输出事件发生），用以将顶事件和二次事件联结起来。接着再把造成上述失效二次事件或中间事件的直接原因列出，它们之间同样用逻辑门联结起来。如此继续下去，直至延伸到不能再分解或不必再分解的基本事件为止。E+E1X1X2E2+X3X4+分析故障树若故障树的若干各底事件同时发生将可能导致底事件发生，那么这些组成的集合称为割集。一个割集代表了产品发生故障的一种可能情况，即一种故障模式。如果存在这样一个割集，在这个割集中任意去掉其中一个底事件后就不再构成割集那么这个割集称为最小割集。故障树的全部最小割集代表了导致该故障树顶事件发生的所有可能的故障模式。故障树的定性分析就是确定所有的最小割集。故障树的定量分析的主要内容有两个，一个是确定顶事件发生概率，另一个是计算底事件重要度。最小项：n个逻辑变量A1、A2、An组成的逻辑系统中含n个因子的乘积项每个变量（或）在乘积项中只出现一次，称这样的乘积项为最小项。最小项的相邻性：任何两个最小项如果他们只有一个因子不同，其余因子都相同，则称这两个最小项为相邻最小项。相邻的两个最小项之和可以合并成一项，并消去一个变量。任何逻辑函数都可化为最小项之和的标准形式确定顶事件发生概率：布尔表达式化为不互不相容事件。顶事件发生概率独立近似计算：根据经验，如果每个底事件的发生概率均小于0.1，那么把所有最小割集近似看成独立的。（并联系统可靠性计算）顶事件发生概率相斥近似计算：当每个底事件的发生概率均小于0.01时，可进一步把最小割集近似看成相斥的。底事件重要度的计算第一，底事件概率重要度。它反映了底事件发生概率的变化对顶事件发生概率的影响程度，它可以用来衡量降低各底事件的发生概率对降低顶事件的贡献的大小，从而确定哪个底事件的发生概率对顶事件发生概率的影响大。第二，底事件结构重要度。说明了底事件在故障树结构中的重要程度，它并不表示底事件发生概率的特征，仅从故障树所描述的逻辑关系中判断底事件的关键程度。第三，底事件的相对概率重要度。它给出了各个底事件对顶事件发生概率影响大小的相对程度，其计算方法是，在故障树所有底事件互相独立的条件下，第i个事件的相对概率重要度为：l3）可靠性预计方法可靠性预计方法是可靠性工作项目之一，用于预测产品设计的可靠性水平能否满足可靠性设计目标（1）可靠性预计的基本规程（2）可靠性预计层次约定（3）数学模型l4）寿命周期费用分析法寿命周期费用的分类结构寿命周期费用估算寿命周期费用折算l5）风险分析法3可信性管理1.可信性计划可信性计划是可信性管理的基础。可信性计划的主要内容包括：项目可信性要素和工作项目明确完成工作项目人员的职责、权限、人员之间的相互关系。明确完成工作项目的规程，包括进度安排、产品研制的节点和检查点、设计评审、验证和鉴定准则在各个产品研制的节点和检查点需交付的文档资料文档的控制和技术状态控制要求与可信性有关的信息系统对分合同方的控制2.可信性要求可信性要求是供方和顾客之间进行协商的基础，可信性要求主要包括：制定的具体要求要清楚，要求的内容可以评价和考核，各要求之间相互协调，并可以追踪。3.可信性管理l1）可靠性工程利用预防失效发生（故障避免）或者降低失效的影响（故障容限)的设计技术完成可靠性要求。l2）维修性工程根据产品维修性要求，制定维修设计准则，对审计准则进行评审，并严格按照设计准则开展设计工作。l3）维修保障工程在产品的安装、使用和维修觉得都需要维修保障。维修保障需要资源和维修方针的指导。维修保障工程师基于维修政策、规程、工具、测试设备等开展工作的。l4）测试性工程产品的可靠性和测试性均受到有关测试因素的影响l5）人因工程产品设计工作必须考虑人的因素，注意人与产品的结构关系，力争使产品在制造、安装、使用和处置各阶段人的出错最少。4.可信性试验可行性试验是对的产品的可信性进行调查、分析和评价的一种手段l1）环境应力筛选环境应力筛选是通过在产品上施加一定的环境应力，以剔除不良元器件、零部件和工艺缺陷引起的产品早期故障的一种工序和方法l2）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出现而进行的试验。l3）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的条件下所做的试验，并以此作为是否批准定型的依据。l4）可靠性验收试验用已交付的产品或可交付的产品在规定条件下所做的试验，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。l5）维修性试验维修性试验的目的是识别有关维修性的设计缺陷，使维修性不断增长，验证产品是否完成维修性要求。维修性试验一般分为五类，功能试验、性能试验、验证试验和评价实验。THANK 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