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可靠性设计技术 可靠性设计的内容 可靠性管理是在一定的时间和费用的基础上，根据用户需求，为了生产出具有规定的可靠性要求的产品，在设计、研制、制造、使用和维修即产品的整个寿命周期内，所进行的一切组织、计划、协调及控制等综合管理工作。可靠性管理的首要环节就是产品在使用时，各种因素影响产品的可靠性，故把产品在使用过程中的可靠性称为使用可靠性。 40%以上，是影响产品可靠性的主要因素，如图1-1所示。 图1-1 影响产品可靠性的因素 一个完整的可靠性设计应贯穿于产品的整个生命周期，其工作程序如图1-2所示。 图1-2 可靠性设计基本环节 可靠性预测 可靠性预测从预计系统的失效率出发，从失效率计算系统的MTTF（平均无故障时间，mean time to failure）。 可靠性预测一般要基于某种模型，比较著名的电子和机械模型如下： 1）MIL-HDBK-217,美国电子设备可靠性预测手册，主要用于快速估计和早期设计分析。 （2）NSWC-98/LE1,美国海军海面战中心标准，主要用于典型机械设备和零件可靠性预测。 （3）HRD5是英国电信推出的可靠性标准，同时提供大量的元器件模型。 可靠性预测是在设计阶段，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、工作应力及过去积累的统计数据，推测产品可能达到的可靠性水平。产品早期阶段，可用中后期采用 下面对这两种方法分别加以简单介绍。 根据组成设备的各类元器件通用失效率及使用数量，来预计设备失效率的方法。 ：第i个通用元件的普通失效率。 ：第i个通用元件的质量等级系数。 ：第i个通用元件的总数。 ：设备中通用元件的种类。 2）元器件应力分析法 元器件应力分析法预计是考虑了温度、电应力、环境条件、元器件选用及电路等情况对元器件失效的影响，先预计各个元器件在上述因素下的失效率，然后再预计设备总的失效率的一种方法。 ：元器件工作失效率； ：元器件基本失效率； ：环境修正系数； ：元器件质量修正系数； ：考虑其他附加影响的修正系数； 马尔可夫分析 在很多情况下，尤其复杂系统中，系统在多个确定的状态间转移，并不是简单的正常和停机两个状态，这时候借助马尔可夫（Markov）模型可以分析系统的失效率和可用性。 马尔可夫过程可用于描述连续时间变化下具有离散状态的随机过程。 Markov 下面举例说明Markov 如图3-1所示的2取1冗余系统，首先用传统的组合模型计算系统可靠度，然后再采用马尔可夫分析，可以得到相同的结果。  图3-1 2取1冗余系统 1）传统方法 系统可靠度：Rs=R1(1-R2)+(1-R1)R2+R1R2=1-(1-R1)(1-R2) 式中： R1(1-R2）：模块1正常且模块2故障的概率； (1-R1)R2 ：模块2正常且模块1故障的概率； R1R2：模块1模块2均正常的概率。 设，则系统可靠度为：。 2）下面用Markov分析重新计算上述结果。 该系统的状态转移图如图3-2 图3-2 双冗余系统状态转移图 在起始时刻系统处于S0,S1,S2状态的概率分别为：。 可见，采用Markov分析得到的结果是相同的。 上面举得例子比较简单，状态转移图也很简单，但当系统的状态转移较复杂时，采用Markov 故障模式与影响分析 FMEA的扩展工具为FMECA(Failure Mode,Effects,and Criticality Analysis),即失效模式、影响及危害分析。不同的行业有各自的FMEAMIL-STD-1692 FMECA标准或SAE ARP5580 FMEA标准。 FMEA是一种可靠性设计的重要方法。包括：FMA（故障模式分析）;FEA（故障影响分析） FMEA实际是一组系列化的活动，包括： 1）找出产品/过程中潜在的故障模式； 2）根据相应的评价体系，对找出的潜在故障模式进行风险评估； 3）列出故障起因/机理，寻找预防或改进措施。 由于产品故障可能与设计、制造过程、使用、承包商/供应商及服务有关，因此，FMEA又可细分为如下四类： 1）设计FMEA 2）过程FMEA 3）使用FMEA 4）服务FMEA 其中，设计设计FMEA和我过程FMEA最为常用。 设计FMEA（也记为d-FMEA）有助于以下几个方面的工作。 1）设计要求与设计方案的相互权衡。 2）制造与装配的初步设计。 3）提高设计开发过程中考虑潜在故障模式及其对系统和产品影响的可能性。 4）为制定全面有效的设计试验计划和开发项目提供更多信息。 5）建立一套改进设计和开发实验的优先控制系统。 6）为将