第10章 可靠性设计与分析
结构机构可靠性及可靠性灵敏度分析——10章_展望）
第十章结构机构可靠性和可靠性灵敏度分析的展望可靠性是一个古老而又面临着新挑战的问题，它涉及 (1) 系统行为的描述和模拟，(2)系统行为的定量化，(3) 不确定性的描述、定量化和传递。
本书只是着重介绍了结构机构可靠性和可靠性灵敏度分析的一些经典方法和现在发展的新方法，研究在输入变量与系统行为之间关系确定，并且输入变量随机不确定性已知的条件下，不确定性的传递问题。
本书所介绍的这些方法只是可靠性工程涉及众多问题中的一个基本问题。
在结束本书的理论方法探讨之前，联系本书所研究的内容，对结构机构可靠性未来所需要研究的问题进行简单的展望。
1、输入变量不确定性的描述和定量化[1-14]一般输入变量的随机不确定性采用概率密度函数来描述，依据经典的概率统计理论，获取概率密度函数需要大量的样本数据，尤其是要准确获取密度函数的尾部时，则需要更大量的样本数据，而且往往影响系统行为失效概率的部分就是输入变量概率密度函数的尾部。
然而值得指出的是：由于经费和时间的限制，工程问题中的大样本数据往往是不可得的。
这使得可靠性研究人员投入了大量的精力和时间来研究小样本情况下母体概率密度函数的估计问题。
尽管挖掘小样本中关于母体信息的思路以及在同类产品中获取更多信息的方法是可取的，并且在今后相当长一段时间内基于这种思路的研究将在可靠性领域持续开展，但值得注意的是这种信息的挖掘和获取毕竟是有限的，因为小样本中本身所包含的信息量只是完整信息的一部分。
以有限的信息去推断完整的信息将承受一定的风险，了解并控制推断过程中的风险水平是保证所作推断有意义的前提。
另外，建立小样本情况下，输入变量不确定性的合适的描述模型也是解决信息不足问题的一个补充手段，如现在已在可靠性领域广泛研究的凸集描述模型和模糊描述模型等，还有各种描述的混合模型。
作为不足以获得概率密度函数情况下的必要补充，研究与样本信息量匹配的不确定性描述模型是输入变量不确定性描述和定量化方面的一项重要研究内容，并且在此基础上的各种不确定性描述模型的相容性也是今后可靠性领域的重要研究内容。
电子产品可靠性设计与试验技术及经典案例分析
电子产品可靠性设计与试验技术及经典案例分析课程背景――为什么我们的产品设计好了，到了用户（现场）却返修率很高？――如何为客户提供有力的可靠性指标证据？MTBF的真正含义是什么？――MTBF与可靠度、失效率、Downtime 的关系如何？提高可靠真的降低返修率？――为何功率管在没超额定功率时仍然烧毁？――塑封集成电路为何有防潮要求？――如何开展热设计？――如何开展降额设计？――如何开展电路可靠性设计，例如继电器用在电路中，是否有潜在通路？CMOS电路真的省电吗？――如何开展加速寿命试验？――如何权衡试验应力？对于企业领导和研发工程师而言，诸如此类的问题可谓太多，尽快明白可靠性的指标和基本原理，使设计人员掌握一些可靠性设计技能，是我们迫切需要研究和解决的重大课题。
目前很多企业工程师在这方面缺乏实践经验，很多相关知识都是网络和书籍上面了解，但是，一方面在解决实际问题时光靠这些零散的理论是不足的，另一方面，这些“知识”也有可能对可靠性的实质理解造成误解，为帮助企业以及研发人员解决在实际产品设计过程中遇到的问题与困惑，我们举办此次《电子产品可靠性设计与试验技术及经典案例分析》高级训练班，培训通过大量的实际产品可靠性案例讲解，使得学员可以在较短时间内掌握解决可靠性技术问题的技能并掌握可靠性设计的基本思路！同时对企业缩短产品研发周期、降低产品研发与物料成本具有重要意义！======================================================================================课程特色---系统性：课程着重系统地讲述产品可靠性设计和试验的原理，产品可靠性设计的主要方法，产品常见的故障模式及其预防方法，课程以大量的案例来阐述产品可靠性设计的思路与方法,以及可靠性工作重点、工作方法、解决问题的技巧。
---针对性：主要针对电子产品可靠性设计和测试项目，及各种典型产品出现的不同问题时候的解决思路与方法。
土木工程类基本的可靠性设计与分析技术模拟试题与答案
基本的可靠性设计与分析技术模拟试题与答案一、单项选择题(每题的备选项中，只有1个最符合题意)1. 下列关于可靠性的表述正确的是。
A.产品功能越多越可靠B.产品维修越多越可靠C.产品结构越简单越可靠D.产品的可靠性随着工作时间的增加而提高答案：C解答：组成串联系统的单元越多，产品的可靠度越低。
因此，提高产品可靠性的一个重要途径是在满足性能要求前提下尽量简化设计，产品越简单越可靠。
而产品的功能越多，维修越多，工作时间越长，产品的可靠性就越差。
2. 由4个单元组成串联系统，若每个单元工作1000小时的可靠度为0.9，则系统工作1000小时的可靠度为。
A.0.5561B.0.6561C.0.7561D.0.9000答案：B解答：串联模型是指组成产品的所有单元中任一单元发生故障都会导致整个产品故障的模型。
根据题意，可以得到：3. 是指组成产品的所有单元工作时，只要有一个单元不发生故障，产品就不会发生故障，也称为工作贮备模型。
A.并联模型B.串联模型C.串并联模型D.混联模型答案：A解答：产品典型的可靠性模型有串联模型和并联模型。
串联模型是指组成产品的所有单元中任一单元发生故障都会导致整个产品故障的模型，组成串联系统的单元越多，产品的可靠度越低；并联模型是指组成产品所有单元同时工作时，只要有一个单元不发生故障，产品就不会发生故障，又称工作贮备模型。
4. 产品的可靠性框图是用方框的形式表示产品中各单元之间的功能______，产品原理图表示产品各单元的______。
A.逻辑关系；物理关系B.物理关系；逻辑关系C.逻辑关系；统计关系D.物理关系；统计关系答案：A解答：对于复杂产品的一个或多个功能模式，用方框表示的各组成部分的故障或它们的组合如何导致产品故障的框图称为可靠性框图。
产品的可靠性框图表示产品中各单元之间的功能逻辑关系，产品原理图表示产品各单元的物理关系。
5. 组成串联系统的单元越多，产品的越低。
A.可靠度B.可信度C.维修性D.可用性答案：A6. 可靠性模型包括可靠性数学模型和。
可靠性课程设计
可靠性课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解可靠性的基本概念，掌握评估和提升系统或产品可靠性的方法。
2. 学生能够运用所学知识，分析实际案例中存在的可靠性问题，并提出相应的解决策略。
3. 学生了解我国在可靠性领域的发展现状和趋势，认识到可靠性在工程技术领域的重要性。
技能目标：1. 学生能够运用可靠性理论和方法，对简单系统进行可靠性分析和评估。
2. 学生通过小组合作，完成对某一产品或系统的可靠性研究，提高团队协作和问题解决能力。
3. 学生能够运用信息技术手段，收集和整理可靠性相关资料，提高信息处理能力。
情感态度价值观目标：1. 学生通过学习可靠性课程，培养科学、严谨的学习态度，树立正确的价值观。
2. 学生在小组合作中，学会尊重他人，培养团队精神和沟通能力。
3. 学生通过了解可靠性在工程技术领域的作用，激发对相关学科的兴趣，增强社会责任感。
课程性质：本课程为专业基础课，旨在帮助学生建立可靠性基本概念，培养实际应用能力。
学生特点：学生具备一定的物理和数学基础，具有较强的逻辑思维能力和动手能力。
教学要求：结合实际案例，注重理论与实践相结合，提高学生的实际应用能力和创新能力。
通过小组合作、讨论等方式，培养学生的团队协作和沟通能力。
在教学过程中，关注学生的情感态度，引导他们形成正确的价值观。
将课程目标分解为具体的学习成果，以便进行教学设计和评估。
二、教学内容1. 可靠性基本概念：介绍可靠性的定义、评价指标和分类，使学生了解可靠性的基础理论。
- 教材章节：第一章 可靠性基本概念- 内容列举：可靠性定义、可靠性函数、故障率、平均故障间隔时间等。
2. 可靠性分析方法：讲解常用的可靠性分析方法，如故障树分析、事件树分析、蒙特卡洛模拟等。
- 教材章节：第二章 可靠性分析方法- 内容列举：故障树分析、事件树分析、蒙特卡洛模拟、可靠性预测等。
3. 可靠性设计原则：介绍提高产品或系统可靠性的设计原则，包括冗余设计、容错设计等。
第10章可靠性设计与分析
第10章可靠性设计与分析可靠性是指系统在规定的时间内能够正常运行的概率，是一个系统的重要性能指标。
在设计和分析中，可靠性是一个重要的考虑因素，因为它直接影响系统的可用性、维护成本以及用户对系统的满意度。
可靠性设计是指在设计过程中考虑和优化可靠性的方法和技术。
在可靠性设计中，需要确定系统的关键部件和功能，识别潜在的风险和故障点，并采取措施提高系统的可靠性。
可靠性设计的目标是通过降低系统故障的概率、增加系统的容错能力和故障恢复能力，提高系统的可靠性。
可靠性分析是指通过对系统进行分析和评估，确定系统的可靠性水平和存在的问题。
在可靠性分析中，可以采用多种方法，包括故障树分析、可靠性块图、失效模式与效应分析等。
通过可靠性分析，可以识别系统的脆弱点和风险，制定相应的改进措施，提高系统的可靠性。
在进行可靠性设计和分析时，需要考虑以下几个方面：1.系统结构：系统的结构对可靠性有着重要影响。
合理的系统结构可以提高系统的可靠性，使得系统更容易发现和隔离故障，减少故障传播的可能性。
在设计过程中，应根据系统的要求和功能，选择合适的系统结构。
2.故障模式与效应：了解系统的故障模式与效应对可靠性设计和分析至关重要。
通过分析系统的故障模式，可以预测系统的故障概率和效应，选择合适的设计策略和措施，提高系统的可靠性。
3.可用性评估：可用性是指系统在给定时间内正常运行的概率。
在可靠性设计和分析中，需要对系统的可用性进行评估。
通过评估系统的可用性，可以确定系统的可靠性水平，并找到影响系统可用性的关键因素，从而制定相应的改进措施。
4.故障模拟与测试：故障模拟与测试是可靠性设计和分析的重要手段。
通过模拟和测试系统的故障，可以了解系统的可靠性水平和存在的问题，找到关键故障点，并采取相应的措施，提高系统的可靠性。
5.可靠性预测与优化：可靠性预测是根据系统的设计和性能参数，对系统的可靠性进行预测和评估。
通过可靠性预测，可以了解系统的可靠性水平，选择合适的设计参数和措施，优化系统的可靠性。
第10章 控制系统的可靠性
图中：t1、t2……tn为系统正常工作时间 Tl、T2……Tk为维护时间
主要衡量指标：
1. 故障率λ（失效率）
失效次数 总工作时间
k
t
i 1
n
i
即单位工作时间内发生故障的次数
2．维护率μ
维护次数 总维护时间
k
T
i 1
k
i
单位维护时间内修复的次数
为周期在0-70℃之间循环工作三到十天进行筛选，
元器件基本上可进入偶然失效期。 （2）留有裕量 电子元器件都有额定工作参数和极限工作参 数，包括电气条件、机械条件、环境条件等，选
用时应在额定值以下留有一定的裕量。
二、冗余技术
常用的冗余系统．按其结构可分为并联系统、
备用系统和表决系统三种。
1．并联系统
试和维护等阶段)采取一系列规范化的方法来减少错 误，提高软件的可维护性。
三、故障自诊断技术
故障自诊断技术是用软件的办法迅速准确确定系 统内部是否发生故障，以及故障发生的部位，指导 运行维护人员及时发现故障、及时维修。 故障诊断的常用方法有（见下页）
1. 检查CPU的运算功能 在特定的存储区储存一组确定的数据，其中一 个数据是其余数据经过作某些运算的结果。在诊断
对于有N个并联装置组成系统来说，只有当N 个装置全部失效时，系统才不能工作。
2．备用系统
S1，S2，…，SN为工作单元 D1，D2……，DN为每个单元上的失效检测器 K为转换器。 在备用系统中，仅有一个单元在工作，其余 各单元处于准备状态。一旦工作单元出现故障，失 效检测器发出信号，通过转换器K投入一个备用单 元，整个系统继续运行。
3．表决系统
S1，S2，…，SN为工作单元 M为表决器
《工程结构荷载与可靠度分析》李国强(第四版)课后习题答案
第一章荷载类型1、荷载与作用在概念上有何不同？荷载：是由各种环境因素产生的直接作用在结构上的各种力。
作用：能使结构产生效应的各种因素总称。
2、说明直接作用和间接作用的区别。
将作用在结构上的力的因素称为直接作用，将不是作用力但同样引起结构效应的因素称为间接作用，如温度改变，地震，不均匀沉降等。
只有直接作用才可称为荷载。
3、作用有哪些类型？请举例说明哪些是直接作用？哪些是间接作用？①随时间的变异分类：永久作用、可变作用、偶然作用②随空间位置变异分类：固定作用、可动作用③按结构的反应分类：静态作用、动态作用。
4、什么是效应？是不是只有直接作用才能产生效应？效应：作用在结构上的荷载会使结构产生内力、变形等。
不是。
第二章重力1、结构自重如何计算？将结构人为地划分为许多容易计算的基本构件，先计算基本构件的重量，然后叠加即得到结构总自重。
2、土的重度与有效重度有何区别？成层土的自重应力如何计算？土的天然重度即单位体积中土颗粒所受的重力。
如果土层位于地下水位以下，由于受到水的浮力作用，单位体积中，土颗粒所受的重力扣除浮力后的重度称为土的有效重度。
3、何谓基本雪压？影响基本雪压的主要因素有哪些？基本雪压是指当地空旷平坦地面上根据气象记录资料经统计得到的在结构使用期间可能出现的最大雪压值。
主要因素：雪深、雪重度、海拔高度、基本雪压的统计。
4、说明影响屋面雪压的主要因素及原因。
主要因素：风的漂积作用、屋面坡度对积雪的影响（一般随坡度的增加而减小，原因是风的作用和雪滑移）、屋面温度（屋面散发的热量使部分积雪融化，同时也使雪滑移更易发生）。
5、说明车列荷载与车道荷载的区别。
车列荷载考虑车的尺寸及车的排列方式，以集中荷载的形式作用于车轴位置；车道荷载则不考虑车的尺寸及车的排列，将车道荷载等效为均布荷载和一个可作用于任意位置的集中荷载形式。
第三章侧压力1.什么是土的侧压力？其大小与分布规律与哪些因素有关？土的侧向压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的土压力。
军工产品的六性策划与设计
输出
维修性大纲
方案设计审查意见
维修性设计报告
初样机设计审查意见 维修性分析评价报告 设计定型审查意见
28
保障性工作项目
• 依据GJB 3872-99《装备综合保障通用要求》（13项）
• 综合保障的规划与管理 • 制定综合保障计划 • 制定综合保障工作计划 • 综合保障评审 • 对转承制方和供应方的监督与控制
维修性、保障性、测试性、安全性、环境适应性等专业工 程技术进行产品设计和开发。” • 7.3.3“设计和开发输出”：“适用时，给出可靠性、维 修性、保障性、测试性、安全性和环境适应性等设计报 告。” • 7.3.4“设计和开发评审”：“必要时，进行可靠性、维 修性、保障性、测试性、安全性、环境适应性等专题评 审。”
军工产品“六性”策划与设计
S
1
主要内容
• 1 “六性”概念及工作内容 • 2 “六性”策划 • 3 可靠性设计 • 4 “六性”设计
S
2
1 “六性”概念及工作内容
S
3
“六性”概念
• 依据GJB 451A-2005《可靠性维修性保障性术语》
• 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。
– 维修时间参数，如平均修复时间（MTTR）、系统平均恢复时间 （MTTRS）、平均预防性维修时间（MPMT）等。
– 维修工时参数，如维修工时率（MR）。
– 测试诊断类参数，如故障检测率（FDR）、故障隔离率（FIR）、 虚警率（FAR）、故障检测隔离时间（FIT）等。
• 定性要求：为使产品维修快速、简便、经济，而对产品设 计、工艺、软件及其他方面提出的要求，一般包括可达性、 互换性与标准化、防差错及识别标志、维修安全、检测诊 断、维修人素工程、零部件可修复性、减少维修内容、降 低维修技能要求等方面。
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系统可靠性预计是以组成系统的各个单元的预计值 为基础，根据系统可靠性模型，对系统基本可靠性 和任务可靠性进行预计。 任务可靠性预计即对系统完成某项规定任务成功概 率的估计。在任务期间系统可分为不可修系统和可 修系统。因此，任务可靠性预计分为不可修系统任 务可靠性预计和可修系统的任务可靠性预计(也称为 可信度)。
串联模型的可靠度计算
根据概率计算的基本规则，可得串联系统中可靠 度的表达式为：
R S P(U) P(U1 U 2 U n )
依据乘法法则有：
R S P(U i ) R i
i1 i1 n n
2019/3/30
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10.1.3 可靠性相关技术介绍
并联模型的可靠性框图
组成系统的所有子系统或单元都失效或出现故障时才会失 效或出现故障的系统称为并联系统。
并联模型的可靠度计算公式
R S 1 FS 1 (1 R i )
i1 n
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R67(t) 1 (1 R6 )(1 R7 ) 1 (1 0.91)2 0.9919
整个系统就由单元U1、U2345和U67串联组成，故得 整个系统的可靠度为
R s(t) R1R 2345R 67 0.91 0.97045 0.9919 0.876
评分预计法通常考虑的因素有复杂程度、技
术水平、工作时间和环境条件在工程实际中 可以根据产品的特点而增加或减少评分因素。 评分原则如下：
1） 复杂程度 2） 技术水平 3） 工作时间 4） 环境条件
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10.1.3 可靠性相关技术介绍
系统的可靠性建模包括可靠性框图和可靠性
数学模型
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10.1.3 可靠性相关技术介绍
可靠性框图说明子系统故障对系统性能的影响，是一种逻辑 框分析，这种分析要求把复杂的系统分成一些子系统或原件 框图中每一方框代表在评定系统可靠性时必须要考虑的，并 具有与方框中相联系的可靠性值的单元或功能。所有连接方 框的线没有可靠性值。导线或连接器单独放入一个方框或作 为一个单元的一部分。所有方框就故障率或失效率而言是相 互独立的。
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②
③
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10.1.1 可靠性定义
④
⑤
在设计定型时，经过验证获得“验证值”， 用以验证是否达到研制结束时的最低可接 受值。 在使用阶段，经过验证获得此阶段的“验 证值”，用以验证产品可靠性是否达到使 用方要求的“目标值”。
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故障的集中分类方式： 灾难故障、严重故障和一般故障 早期故障和耗损故障 偶然故障和渐变故障 独立故障和从属故障
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10.1.1 可靠性定义
可靠性要求 定性要求 通过非量化的形式提出可靠性要求， 以便通过设计、分析工作，保证产品的可靠性。 可分为六个方面： 简单性的定性要求 冗余的定性要求 降额的定性要求 采用成熟技术的定性要求 环境适应性的定性要求 人机工程的定性要求
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10.1.2
可 靠 性 设 计 分 析 的 概 念 流 程
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可 靠 流性 程的 设 计 分 析
10.1.3 可靠性相关技术介绍
建立系统、子系统或设备的可靠性模型，是
为了分析定量分配、估算和评价产品的可靠 性
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10.1.3 可靠性相关技术介绍
有些复杂系统不是由简单的串联、并联子系统组 合而成的，因此就不能用计算串联、并联可靠度 的方法来计算系统的可靠度。 对于复杂系统的可靠度计算，常常采用状态枚举 法（或称为真值表法）、全概率公式法（或称为 分解法）、路径枚举法等。
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10.1.3 可靠性相关技术介绍
相似产品的预计程序为：
1） 确定相似产品 2） 分析相似因素对可靠性的影响 3） 产品可靠性预计
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10.1.3 可靠性相关技术介绍
第10章 可靠性设计与分析
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10.1 可靠性介绍
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10.1.1 可靠性定义
我国国家标准可靠性基本名词术语及定义 GB3187-82规定的可靠性定义为：“产品在规定 的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。”
R 45(t) R 4 R5 0.91 0.91 0.8281
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10.1.3 可靠性相关技术介绍
然后计算U23和U45再并联的子系统U2345以及U6和 U7组成的并联子系统U67的可靠度分别为
R 2345 (t) 1 [1 R 23 (t)][1 R 45 (t)] 1 (1 0.8281) 2 0.97045
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10.1.3 可靠性相关技术介绍
状态枚举法的原理是将系统中各个子系统或
单元的完好和失效两种状态的所有可能出现 的情况一一搭配排列出来，排出来的每一种 情况为一种状态，并确定对应的系统状态是 失效或是完好状态，然后计算各种状态是失 效或完好的概率，最后累加起来就得到系统 失效或完好的概率即可靠度。
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10.1.3 可靠性相关技术介绍
例 某系统由7个单元串并联组成，如图所示，已 知这7个单元的可靠度为R1＝R2＝R3＝R4＝R5＝ R6＝R7＝0.91，试求该系统的可靠度。
解：首先计算U2和U3、、U4和U5组成的串
联子系统U23和U45的可靠度分别为
R 23(t) R 2R 3 0.91 0.91 0.8281
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10.2 可靠性介绍
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10.2.1 可靠性设计准则
可靠性设计准则是把已有的、相似产品的工程经验总 结起来，使其条理化、系统化、科学化，成为设计人 员进行可靠性设计所遵循的细则和应满足的要求。
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10.1.3 可靠性相关技术介绍
可靠性预计的目的和用途主要有:
1） 评价是否能够达到要求的可靠性指标。 2） 在方案阶段，通过可靠性预计，比较不同方案的可靠性 水平，为最优方案的选择及方案优化提供依据。 3） 在设计中，通过可靠性预计，发现影响系统可靠性的主 要因素，找出薄弱环节，采取设计措施，提高系统可靠性。 4） 为可靠性增长试验、验证及费用核算等提供依据。 5） 为可靠性分配奠定基础。
10.1.3 可靠性相关技术介绍
串—并联混合模型的可靠性框图 把若干个串联系统或并联系统重复地加以串联或 并联，得到更复杂的可靠性结构模型，称为串— 并联混合系统。
串—并联混合模型，是基本串联和并联系统组合， 对于其可靠性的计算，可以连续地用串联和并联 的基本公式来分析计算。
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10.1.3 可靠性相关技术介绍
全概率公式法的原理是首先选出系统中的主
要单元，然后把该单元分成正常工作与故障 两种状态，再用全概率公式计算系统的可靠 度。 路径枚举法是根据系统的可靠性逻辑框图， 将所有能使系统正常工作的路径一一列举出 来，再利用概率加法定理和乘法定理来计算 系统的可靠度。
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。 1）概述。 2）目的。 3）适用范围。 4）依靠。 5）可靠性设计准则
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10.1.1 可靠性定义
定量要求 确定产品的可靠性参数、指标以及验 证时机和验证方法，以便在设计、生产、试验验 证、使用过程中用量化方法评价或验证产品的可 靠性水平。 可靠性参数要反映战备完好性，任务成功性，维 修人力费用及保障资源费用等四个方面的要求。 分为基本可靠性要求和任务可靠性要求。
可靠性的四大要素： （1）可靠性对象。 （2）规定的条件。 （3）规定的时间。 （4）规定的功能。
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10.1.1 可靠性定义
故障是产品不能执行规定功能的状态。通常指功 能故障。但因预防性维修或其他计划性活动或缺 乏外部资源造成不能执行规定功能的情况除外。
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10.1.1 可靠性定义
①
在产品研制各阶段可靠性各参数值之间的时序关 系说明如下：