可靠性预计 应力分析法
机械设计中的安全性与可靠性评估方法探讨
机械设计中的安全性与可靠性评估方法探讨在现代工业生产中，机械设计的安全性与可靠性至关重要。
机械产品的质量和性能不仅关系到生产效率和经济效益，更直接影响到人员的生命安全和环境的保护。
因此，如何准确评估机械设计的安全性与可靠性成为了机械工程领域的重要研究课题。
机械设计中的安全性是指机械产品在使用过程中，不会对操作人员和周围环境造成危害的特性。
而可靠性则是指机械产品在规定的时间和条件下，能够正常工作的能力。
这两个方面相互关联，缺一不可。
如果机械产品的安全性得不到保障，即使其具有较高的可靠性，也可能会引发严重的事故；反之，如果机械产品的可靠性不足，频繁出现故障，也会在一定程度上影响其安全性。
在评估机械设计的安全性时，首先要进行危险识别。
这需要对机械产品的整个生命周期进行分析，包括设计、制造、安装、调试、使用、维护和报废等阶段。
通过对各个阶段可能存在的危险因素进行识别，如机械部件的运动、高温、高压、噪声、振动、辐射等，为后续的风险评估提供基础。
风险评估是安全性评估的核心环节。
它通过对识别出的危险因素进行定性或定量的分析，确定其发生的可能性和后果的严重程度。
常用的风险评估方法有故障模式与影响分析（FMEA）、故障树分析（FTA）、事件树分析（ETA）等。
以 FMEA 为例，它通过对系统中各个组成部分可能出现的故障模式进行分析，评估其对系统整体功能的影响，并根据影响的严重程度、发生的概率和可检测性等因素，确定故障模式的风险优先级。
在机械设计中，为了提高安全性，还需要采取相应的安全防护措施。
这些措施可以分为本质安全设计和附加安全防护装置两类。
本质安全设计是通过改变机械产品的结构、材料、工艺等，从根本上消除或减少危险因素。
例如，采用无锐角的设计、选择强度高的材料、优化工艺流程等。
附加安全防护装置则是在机械产品上安装防护栏、防护罩、联锁装置、紧急制动装置等，以防止操作人员接触到危险因素。
可靠性评估是对机械产品在规定时间内和规定条件下完成规定功能的能力进行评估。
可靠性预计及其准确性_张增照
在进行可靠性预计时，是什么因素影响了预 计的准确性呢？我们认为有以下几点：
４．１ 预计手册本身的准确性
所用预计手册本身的准确性是影响预计准确 性的因素之一。如何保证预计手册的准确性，是 编制预计手册工作者的重要工作，它决定于数据 的收集、取舍、统计处理、验证等环节。例如： 在 ＧＪＢ２２９９ 的编制中，要从大量的现役设备中通 过收集设备元器件的工作环境、故障时间、工作 时间、故障原因、现象等数据，进而统计分析出 元器件的失效率，并不是简单地把所有的故障数 据都拿来计算就可；而且要依据统计数学，对代 表性的数据有严格的判别、取舍依据，并用现场 数据不断地修订手册的预计值。
业标准就是由 ＭＩＬ－ ＳＴＤ－ ２１７ 演变而 Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ ＳＲ－ ３３２
由商业级电子元器件的 Ｂｅｌｌｃｏｒｅ 标准演变而来。
来的（如表 １ 所示）。
３ 可靠性预计手册的数据 内涵
ＰＲＩＳＭ
ＣＮＥＴ ９３ ＲＤＦ－ ２０００
最初由可靠性分析中心（ＲＡＣ）制定，结合了工艺 等级因素。
由法国电信部门制定。
在美国国防部宣布不再对 Ｍ ２１７ 进行修订或
收稿日期：２００５－ ０６－ １０ 作者简介：张增照（１９６４－ ），男，山东青岛人，信息产业部电子第五研究所科技处副主任，高级工程师，硕士，参与了
ＧＪＢ／Ｚ ２９９Ｂ－ ９８《电子设备可靠性预计手册》的修订，主持 ＧＪＢ／Ｚ ２９９Ｃ 的修订，主要从事可靠性预计研究、电子 元器件选用研究。
靠性预计的权威性依据。 以恒定失效率为基础的可靠性预
表 １ 可靠性预计模型／标准
计方法，最初由 ＭＩＬ－ ＳＴＤ－ ２１７ 引入， 模型
说明
多年来被用于估计产品和系统的失效 ＭＩＬ－ ＨＤＢＫ－ ２１７ 率和平均无故障工作时间。有许多商
电子设备可靠性预计
信息产业部电子五所
主要内容
1. 可靠性预计的目的和作用及工程应用 2. 基本可靠性预计和任务可靠性预计 3. 可靠性预计类型及其不同使用阶段 4. 相似预计法的程序 5. 元器件计数法的可靠性预计 6. 元器件应力分析法的可靠性预计 7. 使用《电子设备可靠性预计手册》应注意的事项
元器件的应力分析法－预计程序
(1) 建立产品可靠性模型。 (2)明确各元器件的应用方式，工作环境温度及其它环境 应力，以及电应力比等工作应力数据； (3)汇编设备的元器件详细清单，清单内容包括：元器件名称，
型号规格，数量，产品标准或技术文件，性能额定值及有关的设计、工艺、 结构参数和工作应力数据等；
可靠性预计的目的和作用及工程应用
1.2 可靠性预计的作用
(1) 在设备、系统的设计阶段, 定量地预测其可靠性水平, 以判断设计方案能否满足可靠性指标的要求。 (2) 对几种相似的设计方案进行比较, 以便选择在可靠性、 性能、重量、费用等方面最佳的综合设计方案。 (3) 为实施可靠性分配提供依据。 (4) 为优选元器件及合理使用元器件提供指南。 (5) 通过应力分析法预计, 可鉴别设计上潜在的问题, 以便 于及时地采取措施来改进设计，以便制定设备、系统 的预防性维护方案。 。 (6) 中立机构进行可靠性预计，预测产品的寿命，增强产 品的竞争力。
8. 特殊可靠性预计的修正
可靠性预计的目的和作用及工程应用
1.1 可靠性预计的目的
• 可靠性预计是电子设备可靠性从定性考虑转入定量分析的关键, 是“设计未来”的先导, 是决策设计、改进设计, 确保产品满足 可靠性指标要求的不可缺少的技术手段。 • 可靠性预计不去追求绝对准确。采用统一尺度预计，为可靠性 的定量分析提供可比的相对度量。 • 预计的主要目的在于检查产品研制方案和电路设计的合理性， 比较不同设计方案的可靠性水平，发现薄弱环节，对高故障率 和承受过高应力部分引起注意。 • 与可靠性分配技术相结合，把规定的可靠性指标合理地分配给 各个组成部分，并为制定研制计划、验证试验方案以及维修、 后勤保障方案提供依据。
可靠性资料整理-Read
可靠性整理第一部分：概述（一）可靠性的必要性：1.客户的需要：仪器的使用部门，尤其是实时在线检测仪器的使用部门，强烈地希望所使用的仪器能够长时间连续、无故障得工作。
2.自身的需要：仪器自身可靠性的提高，就意味着自身竞争力的提高，最终的结果不是我们寻求客户，而是客户寻求我们。
（二）可靠性的定义可靠性的经典定义：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。
该定义明确指出评价一个产品的可靠性，与规定的工作条件和规定的工作时间有关，也与规定产品应完成的功能有关。
产品的可靠性与工作条件的关系极为密切。
“规定的工作条件”是指产品工作时所处的环境条件、负荷条件和工作方式。
环境条件一般分为气候环境和机械环境。
气候环境是指电子元器件所处环境的气候条件，如温度、湿度、气压、气氛、盐雾、霉菌、辐射等；机械环境是指电子元器件是否经常受到外界机械应力的影响，如振动、冲击、碰撞、跌落、离心、摇摆等。
环境对电路所施加的应力可能是恒定的，也可能是变化的和交变的。
负荷条件是指电子元器件所承受的电、热、力等应力的条件，目前主要是指加在电子元器件上的电压、电流和功率等条件。
工作方式一般分为连续工作或间断工作，不工作的情况属于存贮状态。
“规定的时间”是指评价电子元器件的可靠性和规定的时间有关。
可靠性本身就是时间的函数，要保持电子元器件全部性能处于良好的工作状态，时间长比时间短更困难。
在同一工作条件下，保持的时间越长可靠性越高。
所以，在讨论电子元器件可靠性时，必须指明在多长时间内的可靠性。
规定功能：要明确具体产品的功能是什么，怎样才算是完成规定功能。
产品丧失规定功能称为失效，对可修复产品通常也称为故障。
能力：只是定性的理解是比较抽象的，为了衡量检验，后面将加以定量描述。
产品的失效或故障均具有偶然性，一个产品在某段时间内的工作情况并不很好地反映该产品可靠性的高低，而应该观察大量该种产品的工作情况并进行合理的处理后才能正确的反映该产品的可靠性，因此对能力的定量需用概率和数理统计的方法。
可靠性预计
Mo——相似设备的MTBF值
Nn——（新）设计方案的（估计）有源器件数；
λsp——（新）设计方案的失效率（预计值）；
MTBFsp——（新）设计方案的MTBF（预计值）。
②相似电路法
相似电路法是利用已了解的电路的可靠性数据来推断新设计方案产品的可靠性方法。此种方法应用在方案设计阶段。
将上述一步至七步的检索和计算用表格形式列在表7—7中，便于学习和对照。
（ii）电源变压器
第一步检索“目次”感性元件在P163～173。
第二步查P.164变压器的工作失效率λp
λp＝λbπEπθπA
第三步查P.166表5，1，7，1—3πE＝1。
第四步查P.167表5，1，7，1——7选择绝缘等级A，额定温度为105℃。因为变压器的温升△T设计小于60℃，加上工作环境温度T＝40℃，T+△T＝100℃<105℃，选择合理查得札λb＝0.078。
数量N
基本失效率（λb）
π系数
工作失效率λp
（10-6/h）
备注
πE
πθ
πA
πS2
πr
πC
πR
πK
πTAPS
πCV
1
硅整流桥
（2CP24）
4
0.145
1.7
1
0.65
0.6409
T＝40℃
S＝0.5
2
工功率晶体管（3DA18C）
1
0.244
2
1
1
1.2
2.5
1
1.4640
T＝40℃
S＝0.5
3
中小功率晶体管（3DG4C）
第三步T＝50℃，S＝0.4时，查表5.1.4.2－5，查得λb＝0.009（10-6/h）。
可靠性理论
可靠性理论一、单项选择题(只有一个选项正确，共10道小题)1. 失效率的浴盆曲线的三个时期中，不包括下列的（）(A) 早期失效期(B) 随机失效期(C) 多发失效期(D) 耗损失效期正确答案：C解答参考：2. 指数分布具有的特点中，不包括下列的（）(A) 失效率为常数(B) 概率密度函数单调下降(C) 无记忆性(D) 多适用于机械产品正确答案：D解答参考：3. 可靠性的特征量中，不包含下列的（）(A) 可靠度(B) 失效率(C) 平均寿命(D) 性价比正确答案：D解答参考：4. 失效率为常数的可靠性分布是（）(A) 威布尔分布(B) 指数分布(C) 正态分布(D) 二项分布正确答案：B解答参考：5. 可靠性特征量失效率的单位可以是（）(A) 菲特(B) 小时(C) 个(D) 秒正确答案：A解答参考：6. 常见的冗余系统结构中，不包含下列的（）(A) 串联结构(B) 并联结构(C) n中取k结构(D) 冷储备系统结构正确答案：A解答参考：7. 三参数威布尔分布的三个参数中，不包含下列的（）(A) 位置参数(B) 特征参数(C) 尺度参数(D) 形状参数正确答案：B解答参考：8. 一个由三个相同的单元组成的3中取2系统，若该单元的可靠度均为0.8，则系统的可靠度为：（）(A) 0.512(B) 0.992(C) 0.896(D) 0.764正确答案：C解答参考：9. 有四个相同的单元组成的系统中，其可靠度最高的系统结构是：（）(A) 四个单元串联(B) 四个单元并联(C) 两两串联后再互相并联(D) 两两并联后再互相串联正确答案：B解答参考：10. 故障树分析方法的步骤不包括以下的：（）(A) 系统的定义(B) 故障树的构造(C) 故障树的评价(D) 故障树的拆散正确答案：D解答参考：三、判断题(判断正误，共5道小题)11.（）产品的故障密度函数反映了产品的故障强度。
正确答案：说法正确解答参考：12.（）与电子产品相比，机械产品的失效主要是耗损型失效。
可靠性的技术的应用及其评价方法
可靠性的技术的应用及其评价方法2007-07-02 22:34:05| 分类：知识仓储| 标签：嵌入式|字号大中小订阅一、可靠性评价分析技术的应用由于设计阶段对产品的可靠性将起到奠基作用，故在设计过程中，应不断对产品的可靠性进行定性和定量的评价分析）以便及时了解产品的可靠性指标是否有了保证，所采取的各种可靠性设计措施是否有效，有效程度如何，设计中是否还存在薄弱环节和潜在缺陷，产品在今后使用中可能会发生什么样的故障，以及故障一旦发生时，其影响和危害程度如何等等。
弄清以上问题将有助于及时发现缺陷，及时改进设计，防止“带病”投产，保证预定的可靠性指标得到满足。
下面介绍几种主要的评价分析技术的应用：1 ．可靠性预计与分配可靠性预计是在设计阶段，根据设计中所选用的电路程式、元器件、可靠性结构模型、工作环境、工作应力以及过去积累的统计数据，推测产品可能达到的可靠性水平。
预计的目的不是在于了解在什么时候将发生什么样的失效，而是在于从设计开始就采取措施以防止失效的发生，并用定量的方法评价可靠性设计的效果。
可靠性分配是将可靠性指标或预计所能达到的目标值加以分解，用科学的方法，合理分配给分系统、设备、部件直至各元器件和每一个连接点、焊接点，以保证可靠性既定目标得以实现。
通过分配，不仅可以层层落实设计指标，还可发现设计的薄弱环节和尚能挖掘的潜力。
可靠性预计的方法一般有相似设备法、相似电路法。
有源器件法、元器件计数法及元器件应力分析法等，它们分别适用于不同的设计阶段：当产品处于方论证阶段时，可用相似设备法、相似电路法、有源器件法等快速预计法进行可行性预计，以评价设计方案的可行性；当产品处于旱期的详细设计阶段时，可用元器件计数法进行初步设计预计，以了解元器件的初步选择是否恰当，并为可靠性分配打下预计的基础，而当产品处于详细设计阶段的中期和后期，可用元器件应力分析法进行详细的设计预计，以便及时发现设计的薄弱环节或潜在能力，及时改进设计，以期达到优化设计的目的。
基于应力分析的导弹测试设备可靠性预测方法
(Navy Submarine Academy, Qingdao, 266199)
Abstract: Reliability of testing equipment is very important to operational use of missle weapon system, the reliability forecasting for missile testing equipment is analyzed based on stress aalysis. Missile testing equipment is composed mainly by electron devices including electric relay, connector, switch and indicator light, so reliability forecasting for these electron devices is analyzed respectively. The reliability forecasting for a type missle testing console is counted by this method. At last, the operating state and non-operating state failure rate curve are gaven. The most important devices for reliability forecasting can be found by stress analysis method, thus providing reliable data for increasing maintenance efficiency.
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5.2.4 故障率预计法
一、基本概念 故障率预计法主要用于非电子产品的可 靠性预计，其原理与电子元器件的应力分 析法基本相同。 在实验室常温条件测得的故障率为基本 故障率，实际故障率为“工作故障率”。 对于非电子产品可考虑降额因子D和环境因 子K对λ的影响
二、计算公式 λ=λb*K*D
式中：
λ——工作故障率 λb——基本故障率 K，D——取值由工程经验确定
• 例5-3 硅二极管，JANTX级，作为功率整流 器用于固定地面环境，0.6最大额定电流和 40%额定电压，壳温（Tc）为60℃。该器 件的额定电流为5A，Ts=100℃、 Tmax=150℃，采用冶金键合接触，是预计 其故障率（国外元器件）
• 解：第一步是确定应力比因子（S），它等于最
大额定电流乘以校正因子（CF），可表示为
5.2.3 应力分析法
• 一、基本概念 应力分析法用于产品详细设计阶段的电子元器 件故障预计。这种方法也是基于概率统计，是对 某种电子元器件在实验室的标准应力与环境下， 通过大量实验，并对其实验结果进行统计而得出 该种元器件的故障率，我们把这种故障成为“基 本故障”。在预计电子元器件工作故障率是，根 据元器件的质量等级，应力水平、环境条件等因 素对基本故障率进行修正
S=0.6CF
当器件的Ts>25℃和Tmax<175 ℃时 CF=（Tmax-Ts）/150=(150-100)/150=0.33
S=0.6*0.333=0.2
T=Tc+(175-Tmax)=60 ℃+(175-150) ℃=85 ℃
• 补充例题：某设备选用一个金属膜电阻器， 其额定温度为70℃，额定功率为0.25W， 阻值为20kΩ，使用了一般地面环境GFI， 电阻器的工作环境温度为50℃，工作时此 电阻的耗散功率为0.1W，求该电阻的工作 失效率λp？
二、计算公式 λp＝λb（πE πQ πA πS2 πR πC） 式中：λb——元器件基本故障率； πQ——质量系数，不同质量等级同类器件取值不同； πE——环境系数，其数值取决于器件的种类和除温度外 的环境类别； πA——应用系数，指应用电路的影响因素，同一器件在不 同的线路中使用时，取值不同； πS2——电压应力系数，器件加不同电压时，取值不同； πR不同的取值； πC——结构系数（配置系数），相同类型的单管，双管， 复合管有不同的取值
• 解： 由5.1.4.2可知λp＝λbπEπRπθ • 计算应力比（或称降额系数）S＝工作功率/ 额定功率＝0.1/0.25＝0.4。 • T＝50℃，S＝0.4时，查表5.1.4.2－5，查得 λb＝0.009（10-6/h）。 • 阻值为20kΩ，查表5.1.4.2－3，查得πR＝1。 • 查表5.1.4.2－1，查得πE＝1.8。 • 查表5.1.4.2－2，查得πθ＝1。 • 计算该电阻的工作失效率λp • λp＝0.009×1.8×1×1＝0.0162（10-6/h）