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可靠性设计

第二部分电子信息系统产品可靠性设计

　编讲杨志飞

第一章《装备研制与生产的可靠性通用大纲》介绍

1前言

众所周知，产品的质量和可靠性水平是由设计决定的，是在生产制造过程中保证的，还要在使用过程中维护保持。

我们开展整机可靠性工作是确保实现可靠性指标的关键之举。

如何开展可靠性工作？

答案很简单，就是要熟悉可靠性标准、按照标准的要求去落实每一项工作。

因此，我们要介绍GJB450《装备研制与生产的可靠性通用大纲》（以下简称大纲）。

2大纲内容简介

　　大纲规定了18个可靠性工作项目，其代号和相互之间的关系，请参考本章图2-1和图2-2。

按照工作性质可分为3类：

监督与控制类工作5项；设计与评价类工作9项；试验类工作4项。

产品可靠性大纲的目标

　　装　　　　一对产品可靠性大纲的要求

　　备　般对产品可靠性信息的要求

　　研　　要可靠性定性要求

　　制　　求可靠性定量要求

　　与101制定可靠性工作计划

　　生监督102对转承制方和供应方的监督与控制

　　产与103可靠性大纲评审

　　的控制104建立故障报告、分析及纠正措施系统

　　可105故障审查及组织

　　靠201建立可靠性模型

　　性详202可靠性分配

　　通设计203可靠性预计

　　用细204故障模式、影响及危害度分析

　　大与205潜在电路分析

　　纲要206电子元器件和电路的容差分析

　　评价207制定元器件大纲

　　求208确定可靠性关键件和重要件

　　209确定功能测试、包装、贮存、装卸、运输

　　　　　　　　　　　　　　及维修对可靠性的影响

　　301环境应力筛选

　　302可靠性增长试验

　　试验303可靠性鉴定试验

　　304可靠性验收试验

图2-1：

大纲的内容及分类

3可靠性设计与评价工作项目分类

大纲中归纳为可靠性设计与评价类的9个工作项目也叫可靠性工程工作，是本讲义讨论的重点。

但这些工作与可靠性管理、可靠性试验的关系非常密切，工程技术人员也应了解，可参阅标准原文或有关导则、指南。

可靠性工程的9项工作还可以按其性质进一步分解。

此外，可靠性降额设计和可靠性热设计虽然在GJB450中未列入其工作项目，本讲义却作为重要的可靠性设计项目加以介绍。

　　①设计计算类工作

　　201建立可靠性模型；202可靠性（定量指标）分配；203可靠性预计。

　　　　有问题

制定产品可靠性大纲制定可靠性工作计划101产品可靠性大纲评审103

通过

故障模式影响与合同或设计任务书建立产品

危害度分析204参考产品R.M资料可靠性模型201

潜在通路分析205

可靠性预计203可靠性分配202

电子元器件和电

路容差分析206调整

参数环境条件、任务剖面

确定功能测试、和元器件失效率水平

包装、贮存、装

卸、运输、维修修改设计

对R的影响209

有问题

产品性能与R设计可靠性设计评审

修改设计可靠性降额设计

可靠性热设计通过

确定可靠性关键对转承制方和供应方故障审查及组织105

件和重要件208的监督与控制102

建立故障报告

环境应力分析和纠正措

筛选301制定元器件大纲207施系统　104

R增长试验302

试生产

R鉴定试验303试　用生产、试验、

问题试用R数据

通过

试验数据

冻结技术状态正式批量生产R验收试验304

　　　　　　　　　现场R数据

出　厂　（仓储或使用）

图2-2可靠性工作项目关系图（说明：

图中R表示可靠性，M表示维修性）

②设计分析类工作

204故障模式、影响及危害度分析；205潜在电路（通路）分析；206电子元器件和电路容差分析。

　　③制订设计准则类工作

　　207制订元器件大纲；208确定可靠性关键件和重要件；209确定功能测试、包装、贮存、装卸、运输及维修对可靠性的影响。

④试验类工作

301环境应力筛选；302可靠性增长试验；303可靠性鉴定试验；304可靠性验收试验。

　　复习思考题

　　1.GJB450是什么性质的标准?

它规定了多少个工作项目?

2.请列出GJB450规定的可靠性设计与评价的工作项目及其要点。

第三章　可靠性设计工作内容

1建立可靠性模型（201）

1.1目的

建立系统、分系统或设备的可靠性模型，用于定量分配、估算和评价产品的可靠性。

1.2可靠性模型与产品原理框图的区别

可靠性模型包括：

可靠性框图和可靠性数学模型。

　　可靠性框图表示产品各单元之间的功能关系，而硬件产品原理框图表示各单元之间的物理关系。

例如，一个LC振荡回路的原理框图是并联的，如图3-1-1a所示；其可靠性框图则是串联的，如图3-1-1b所示。

L

RLRC　

C

　　图3-1-1a：

LC振荡电路框图　　　图3-1-1b：

LC振荡电路可靠性框图

　　又如，计算机系统的原理框图只表示其硬件，而系统的可靠性模型框图应包括软件，是硬件与软件的串联模型。

如果考虑系统，包括硬件、软件、环境和操作者4个要素，它们都影响系统的可靠性，因此其可靠性模型应是4个要素可靠度的串联模型。

1.3建立可靠性模型的前提条件

　　可靠性建模有以下三个假设条件：

　　a.产品及其单元只具有正常与失效两种状态；

b.产品及其单元的寿命特征服从指数分布；

　　c.产品所包含各单元的失效是相互独立的。

1.4几种典型的可靠性数学模型

1.4.1串联模型

①模型框图　如图3-1-2。

②数学模型单元1单元2…单元n

　　a.产品失效率　

　　　　图3-2：

串联模型可靠性框图

（3-1-1）

式中

为单元失效率；

b.产品平均故障间隔时间

（3-1-2）

c.产品可靠度

（3-1-3）

式中：

单元可靠度

（3-1-4）

n是产品包含的单元总数，t是产品工作时间。

1.4.2并联模型

①模型框图如图3-3。

　　②数学模型

　　a.产品可靠度

]（3-1-5）

b.产品平均故障工作时间

（3-1-6）

单元1

单元2

……

单元n

图3-3：

并联模型可靠性框图

1.4.3n中取r模型（r/n模型）

①原理

在组成产品的n个单元中，至少要有r个正常，产品才能正常工作。

属于工作正备模型。

模型的可靠性框图与并联模型的相同，请见图3-1-3。

　　②数学模型

　　a.假设条件：

产品的n个单元完全相同。

b.产品可靠度：

　（3-1-7）

　　c.产品平均故障间隔时间：

（3-1-8）

式中：

r是使产品正常工作所必须的单元数，

　　　　　　　λ是单元的失效率，

　　　　　　　ｔ是产品工作时间，

是组合数学公式。

1.4.4旁联模型

①原理

在组成产品的n个单元中，只须有1个单元正常产品便能正常工作。

当正在工作的单元失效时，由监测与转换装置自动切换到另一单元工作，属非工作储备模型。

②模型框图

　　见图3-1-4。

③数学模型

a.假设条件：

产品的n个单元完全相同。

　　单元1

监测与自动　单元2

转换装置

　　　……

　　单元n

图3-1-4：

旁模型可靠性框图

b.产品可靠度：

（3-1-9）

　　c.产品平均故障间隔时间：

MTBFS＝ｎ/λ（3-1-10）

式中：

λ是单元失效率，

　　　　　　t是产品工作时间。

1.5基本可靠性与任务可靠性模型

1.5.1基本可靠性的定义

①基本可靠性的定义：

产品在规定的条件下无故障的持续时间。

　　因此，产品基本可靠性的模型是串联模型，即使在产品中设计有冗余单元，在建立模型时也要先把并联部分转换成串联形式。

　　②任务可靠性的定义：

产品在规定的任务剖面中完成规定功能的能力。

　　所谓任务剖面，是产品在完成规定任务的时间内所经历的事件和环境的时序描述。

其中包含任务成功或致命性故障的判断准则。

任务可靠性模型要描述产品在整个任务过程中各单元的预定作用，因此是一个复杂的串──并联结构。

1.6建立可靠性模型的工作程序

1.6.1确定产品的定义

根据产品技术条件确定本单位承接任务的产品等级与规模，画出产品物理框图。

1.6.2建立产品可靠性基本可靠性模型

根据产品物理框图和软件要求，建立可靠性模型，画出可靠性框图，写出可靠性数学表达式。

1.6.3确定产品任务功能，建立任务可靠性模型

　　①规定产品失效判据

　　通常以产品的性能指标为依据确定失效的阈值。

②用占空系数进行修正

a.当不工作单元的失效率可以忽略不计时，该分系统的可靠度为：

　　（3-1-11）

式中：

占空系统d＝单元工作时间/产品工作时间，

　　　　　　　t是产品任务工作时间。

b.当不工作单元的失效率不能忽略不计时，该分系统的可靠度

　　　　（3-1-12）

式中：

λ1为单元的工作失效率，

　　　　　　　λ2为单元不工作的失效率。

1.6.4对任务可靠性模型进行环境条件处理

　　当产品任务剖面的环境条件分段变化时，建立任务可靠性模型时先要选取最长的环境条件段作为标准建立模型，然后再用不同环境条件段的环境条件对标准进行修正，最后把所有环境条件段的可靠性模型综合在一起，便完成了建模工作。

1.6.5建立和完善产品各级可靠性模型

对产品按级展开，从系统、设备直至单元逐级分解产品定义，逐级建立可靠性模型，并对各级产品进行统一编制代号。

还要跟踪产品的设计过程，及时修改完善产品各级可靠性模型。

复习思考题

　　1.建立可靠性模型的目的是什么?

产品可靠性模型包括哪些内容?

2.试列出4种基本可靠性模型的框图与数学表达式。

3.建立可靠性模型的工作步骤是什么？

2可靠性分配

2.1目的与要求

2.1.1目的

可靠性分配是为了将产品的可靠性定量要求逐级分配到规定的产品各个层次。

通过分配使产品整体和部分的可靠性定量要求协调一致。

这是一个由整体到局部，由上至下的指标分解过程。

2.1.2要求

①当产品总体方案的可靠性指标确定之后，为了保证系统的可靠性要求，必须对各分系统（分机、组件，直至元器件）　进行可靠性分配。

只有各分系统的可靠性达到了分配的要求，才能保证产品的可靠性指标得以实现。

　　②通过分配把责任落实到相应层次产品的设计人员身上，并用这种定量分配的可靠性要求估计所需的人力、时间和其它资源。

　　③为了确保产品可靠性指标的实现，对可靠性指标的分配必须做到合理协调，技术上可行，经济上合算，既节省资源、又能获得必须的可靠性水平。

　　④应根据系统的模型和已掌握的数据资料，以及制约条件等因素决定可靠性分配方法。

　　⑤分配是反复进行的过程。

对分配后的可靠性指标必须进行可靠性分析，如果分配给某分系统的可靠性指标为当前技术水平和条件所限而无法实现时，必须修改分配方案，重新分配直到满足要求为止。

2.2方法与内容：

2.2.1工程加权分配法

①适用范围

在电子设备初始研制阶段，当还不掌握各分系统的详细数据时，宜采用此法进行预先分配。

　　②原理

　　工程加权分配法是根据某分系统对整个系统的影响程度，分系统本身的复杂程度，技术成熟程度，维修难易程度以及所使用的元器件质量水平和所处环境条件要求来选择加权因子，从而求得该分系统的可靠性指标。

　　③分配公式

a.前提条件：

指数分布的串联模型系统。

　　b.公式：

（3-2-1）

其中：

MTBFi为分配给第i个分系统的平均故障间隔时间；

　MTBFs为系统总的平均故障间隔时间；

Kij为第i个分系统的第j种加权因子。

　　　　　　m为分系统总数；

n为加权因子总数。

这里

为第i个分系统的综合加权因子；

　为所有分系统综合加权因子的和。

④加权因子的数值估计

a.重要性因子Ki1

对于串联模型一般取Ki1＝1，即可以不考虑这个因子的影响；

b.复杂性因子Ki2

根据各分系统的复杂程度及包含元器件的多少进行估计：

设产品中最简单的分系统Ki2＝1，其他分系统的取值按比例增加；

c.环境因子Ki3

根据不同的环境条件进行估计，该环境是指该分系统工作时所处的环境条件；

d.标准化因子Ki4

标准化因子是根据分系统中部件总数与标准化部件的比值确定的。

标准化程度高的系数取1，最差的系统可选4～5。

e.其它因子

　　根据系统的具体情况还可以选一些其他的加权因子，如维修因子、元器件质量因子等，但要注意不可重迭选用。

　　⑤分配程序

a.计算系统内各分系统的综合加权因子

即：

…,

;

　　b.计算系统内所有分系统综合加权因子之和

；

c.计算分配给各分系统的可靠性指标

　　若已知系统的Rs和工作时间t，并求得系统的MTBFs＝-t/lnRs，则分配给分系统的MTBF公式为：

即：

;

;　

……

。

⑥工程加权分配法举例

例：

某舰载综合火控雷达系统，经过加权分配给予搜索取雷达的可靠性指标MTBF＝40小时。

该雷达由电源、发射、接收、显示、天馈及伺服共六个分机组成，试对其进行加权分配。

　　分配中我们以电源为标准单元，其各分配加权因子均取1，其他分机与电源分机比较，其取值及系统分配计算结果如表3－2-1。

2.2.2代数分配法

①适应范围

当掌握了较多的系统可靠性数据时可采用此法。

由于这种方法在分配中考虑了系统内各分系统的复杂度和重要程度，因而是较为合理的方法。

　　②分配公式

（3-2-2）

或MTBFi＝（Witi/Kit）·MTBFs（3-2-3）

其中：

Ri*（t）为所求各分系统的可靠度；

Rs（t）为已知系统的可靠度；

MTBFi为所求各分系统的平均故障间隔时间；

MTBFs为已知系统的平均故障间隔时间；

Wi为各分系统的重要性因子；

Ki为各分系统的复杂性因子。

表3－2-1：

工程加权分配法举例计算用表

分机与项目

电源

发射

接收

显示

天馈

伺服

复杂因子

1

0.5

2

3

0.2

0.5

重要因子

1

1

1

1

1

1

环境因子

1

1

2

1

2

1.5

标准化因子

1

3

2

2

2

1

维修因子

1

0.5

0.6

0.6

0.4

0.4

元器件质量因子

1

1.5

1

1

0.5

2

Ki=K1·K2·…·K6

1

1.125

4.8

3.6

0.16

0.75

K=K1+K2+…K6=11.435

MTBFi=K/Ki·MTBFs

457

407

95

127

2859

610

若已知系统的Rs（t）或MTBFs，并确定了系统的工作时间ti，我们只要再知道各分系统的Wi和Ki，便可按上述公式给各分系统分配可靠性指标。

　　③分配因子的确定

a.重要性因子Wi：

Wi定义为第i个分系统的故障会引起系统故障的概率，可以通过理论分析予以确定，也可以通过积累和处理相应设备的有关数据资料来确定。

b.复杂性因子Ki：

其中：

n为系统中所含分系统数；

ni为第i个分系统中所含归一化基本单元。

　　④分配程序

a.确定重要性因子Wi；

b.计算复杂性因子Ki；

c.按公式计算分系统的可靠性指标MTBFi或Ri*：

若已知Rs（t）及t，要求得MTBFi时，可先通过公式MTBFs＝-t/lnRs（t）求得MTBFs；再利用公式（3-2-3）求得MTBFi。

⑤代数分配法举例

例：

一套远程警戒雷达系统的可靠度指标要求为0.9，持续工作时间为12小时，系统设有固定目标对消器，清除波段覆盖区域内30％的地物反射杂波。

系统的可靠性框图如下：

天馈发射机接收机对消器视频处理显示与控制

试分配各分系统的平均故障间隔时间MTBFi。

有关参数与分配结果如下表。

　说明：

　　1.归一化基本单元，可以是有一定复杂程度的功能单元，有源器件组和不同类型、规格的器件或元件，在一种分配方案中只允许选择一种基本单元。

其他复杂程度不同的功能单元、有源器件组和不同类型、规格的元件器件可以等效（指失效率数值）成几个或几分之一个基本单元。

2.假定目标在雷达搜索区内出现的机会均等，当对消器失效，而系统不一定失效，此时重要性因子取0.3。

其他分系统的失效则导致整个系统失效，故Wi＝1。

3.MTBFs＝-t/lnRs＝-12小时/ln0.9

　　　　　＝-12小时/（-0.10536）＝113.895≈114小时。

项目

分系统

归一化基本单元数

复杂因子（Ki）

工作时间

（h）

工作时间与

持续时间比ti/T

重要性

因子（Wi）

分配给分系统的MTBFi

天馈

22

0.0505

12

1

1

2257

发射机

90

0.2065

12

1

1

552

接收机

82

0.1001

12

1

1

606

对消器

35

0.0803

6

0.5

0.3

213

视频处理机

87

0.1995

12

1

1

571

显示与控制

120

0.2752

12

1

1

414

Σ

436

2.2.3顺序分配法（提高薄弱环节分配法）

①适用范围

当已知各分系统的可靠度不能满足系统可靠性指标要求时，宜采用此法来调整各分系统的可靠性指标。

　　②原理

在方案阶段对串联系统内的各分系统进行预计后，发现系统达不到规定的可靠性指标时，在预计的基础上对各分系统进一步分配可靠性指标。

a.由于串联系统的可靠度为

1，要提高Rs（t）首先必须提高薄弱环节的可靠度，否则其他环节可靠度再高，即使趋近于1，系统的可靠度也低于薄弱环节的可靠度，即Rs（t）

b.提高薄弱环节的方法是先将各分系统的可靠度依大小顺序排列，并提高其中可靠度低的分系统的可靠度以满足系统的可靠度要求。

　　③分配程序

a.计算已定方案系统的可靠度

由已定方案的可靠性预计得各分系统的Ri（t），算出系统的可靠度Rs（t），又知系统要求的可靠度指标为R*s（t），所以有：

　　　　　　　　　　　　（3-2-4）

b.把系统内各分系统的可靠度按大小顺序排列

R1（t）＜R2（t）＜…＜Ri（t）＜…＜Rm（t）

c.按顺序将各分系统的可靠度R1（t）～Rk（t）提高到Rk，其他分系统不变，即令：

　　　　Rk＝R1（t）＝R2（t）＝…＝Rk（t），由下式计算Rk：

（3-2-5）

即按k＝1～k的顺序逐步计算Rk值，直到须改进的分系统所要提高的可靠度最小为止。

这是一般性要求。

如果进行k步计算后须改进的分系统的可靠度已易于达到Rk值，此时可不必按“各分系统可靠度提高最少”的原则继续算下去。

即可令1～k个分系统的可靠度为Rk后面的分系统的可靠度保持不变。

d.验算改进后系统可靠度是否满足要求

（3-2-6）

④顺序分配法举例

研制一套雷达系统，要求系统可靠性指标R*s（t）为0.9000，在方案阶段预计各分系统的可靠性时，得到天馈、发射、接收、测角、测距、伺服、显示、接口、计算机、控制器和电源等分系统的可靠度分别为：

　　R天＝0.9970；R发＝0.7100；R收＝0.9840；R角＝0.9920；R距＝0.9960；

R伺＝0.9000；R显＝0.9850；R口＝0.9510；R计＝0.9800；R控＝0.9530；R源＝0.8540。

系统的可靠性框图如下图所示。

试用顺序分配法对各分系统分配可靠性指标。

○→天馈发射接收测角测距伺服

　　　　　●←控制计算机接口电源显示

　a.计算已定方案的系统可靠度Rs

R天·R发·R收·R角·R距·R伺·R显·R口·R计·R控·R源

　＝0.9970×0.7100×0.9840×0.9920×0.9960×0.9000×0.9850×

×0.9510×0.9800×0.9530×0.8540

　＝0.4628＜Rs*（t）＝0.9000；

也就是说，已定方案的系统可靠度远不能满足系统可靠性指标值，需要调整。

　　b.把分系统可靠度按大小顺序排列

　　　R发＜R源＜R伺＜R控＜R收＜R角＜R距＜R天

　　c.先把可靠度小于0.9的分系统的可靠性提高到R3的水平，即：

　　　R3＝R发＝R源＝R伺＝[0.9000/（0.9510×0.9530×0.9800×0.9840×0.9850×　　　　　　0.9920×0.9960×0.9970）]1/3＝1.0020；

　众所周知，可靠度不可能大于1，这就是说仅提高发射、电源和伺服分系统的可靠度还满足不了系统可靠度指标要求，须进一步算下去。

　　d.令k=4，此时：

　　　R4＝R发＝R源＝R伺＝R口＝[0.9000/（0.9530×0.9800×0.9840×0.9850×0.　　　　　　9920×0.9960×0.9970）]1/4＝1.002；

值＞1，仍须继续计算。

　e.令k=5，有：

　　　R5＝R发＝R源＝R伺＝R口＝R控＝[0.9000/（0.9800×0.9840×

　　　　　×0.9850×0.9920×0.9960×0.9970）]1/5＝0.9923；

这时虽然数值合理，但需分析一下这些分系统是否易于达到R5值?

如果可以实现，就令R发＝R源＝R伺＝R口＝R控＝R5＝0.9923，而后面各分系统的可靠度保持原预计值不变。

如果不易达到R5，则继续计算。

f.令k＝6，有：

　　　R6＝R发＝R源＝R伺＝R口＝R控＝R计＝

　　　　　＝[0.9000/（0.9840×0.9850×0.9920×0.9960×0.9970）]1/6＝

　　　　　＝0.9900；

　　如再继续，则：

　令k＝7，有：

　　　R7＝R发＝