第四章-系统可靠性分析.ppt

1、 系统可靠性分析系统可靠性分析 学习要求学习要求学习要求学习要求1.理解系统结构图和可靠性逻辑框图的概理解系统结构图和可靠性逻辑框图的概念 念 2.掌握串联、并联系统和混联系统的可靠掌握串联、并联系统和混联系统的可靠度计算方法度计算方法 3.能运用等分配法、比例分配法和能运用等分配法、比例分配法和 AGREE 方法进行系统可靠度分配方法进行系统可靠度分配2423Introduction to Reliability_Conception&Parameter 3主要内容主要内容系统的组成和功能逻辑框图 系统的组成和功能逻辑框图 系统组成系统组成系统可靠性框图系统可靠性框图系统类型系统类型不可修复

2、系统的可靠性分析不可修复系统的可靠性分析串联系统串联系统并联系统并联系统混联系统混联系统表决系统表决系统旁联系统旁联系统 可靠性分配可靠性分配 系统、单元产品系统、单元产品 系统系统 为了完成某一特定功能，由若干个彼此有联系而且又能相互协调工作的单元所组成的综合体。“系统”、“单元”相对概念 可以是按产品层次划分：零部件、组件、设备、分系统、系统中任何相对的两层“系统”包含“单元”，其层次高于“单元”产品可以指任何层次。系统分类系统分类 不可修复系统不可修复系统 可修复系统可修复系统 通过维修而恢复功能的系统。系统或组成单元一旦发生故障，不再修复，处于报废状态的系统。技术：不能修复 经济：不值

3、得修复 一次性：没必要修复 系统可靠性系统可靠性 单元的可靠性单元的可靠性 单个单元可靠性越高，系统可靠性越高。系统的结构组成系统的结构组成 包含的单元数量 单元之间的相互功能关系 系统可靠性设计的目的系统可靠性设计的目的 目的目的 使系统满足规定的可靠性指标可靠性指标，完成预定功能前提下，使系统的技术性能、重量指标、制造成本及使用寿命协调并最优。或者在性能、重量、成本、寿命和其它要求的约束下，设计出高可靠性系统。系统可靠性设计的分类系统可靠性设计的分类 可靠性预测预测 按照已知零部件或各单元的数据，计算系统的可靠性指标。对系统的几种结构模型的计算、比较以得到满意的系统设计方案和可靠性指标。可

4、靠性分分配 按照已经给定的系统可靠性指标，对组成系统的单元进行分配，并在多种设计方案中比较、选优。可靠性分配与可靠性预计的关系可靠性分配与可靠性预计的关系可靠性分配结果是可靠性预计的依据和目标可靠性预计相对结果是可靠性分配与指标调整的基础调调研研可 靠 性可 靠 性、维 修 性维 修 性、安安全 性 和 保 障 性 分 析全 性 和 保 障 性 分 析比比较较设设计计更更改改分 配 到 设 备分 配 到 设 备分 配 到 分 系 统分 配 到 分 系 统系 统 可 靠 性 指 标系 统 可 靠 性 指 标技 术 条 件技 术 条 件设 备 可 靠 性 预 计设 备 可 靠 性 预 计分 系 统

5、 可 靠 性 预 计分 系 统 可 靠 性 预 计系 统 可 靠 性 预 计系 统 可 靠 性 预 计可 靠 性可 靠 性维 修 性维 修 性保 障 性保 障 性安 全 性安 全 性测 试 性测 试 性评 估评 估确确定定可可靠靠性性指指标标可 靠 性 目 标可 靠 性 目 标和和设设计计准准则则 可靠性预测可靠性预测 在设计阶段设计阶段进行的定量的估计未来产品的可靠性方法 以往的工程经验工程经验、故障数据故障数据，当前的技术水平技术水平。以元器件、零部件的失效率失效率为依据。预报产品实际能达到的可靠度。可靠性预测的目的可靠性预测的目的 检验设计是否满足给定的可靠性目标，预测产品的可靠度值；协

6、调设计参数及性能指标，以求得合理的产品可靠性；比较不同的设计方案的特点和可靠度，以选择最佳设计方案；发现影响产品可靠性的主要因素，找出薄弱环节，以提高系统可靠性。单元可靠性预测单元可靠性预测 确定单元的基本失效率基本失效率；从手册、资料中得到；进行试验，得到失效率 根据使用条件确定应用失效率应用失效率；可在现场实测 可以根据基本失效率修正 机械产品的零部件经过磨损后，失效率基本保持不变，可靠性函数服从指数分布指数分布。一些机械零部件的基本失效率一些机械零部件的基本失效率 应用失效率应用失效率rGKll=失效率修正系数基本失效率失效率修正系数GlrK失效率修正公式 系统可靠性框图系统可靠性框图

7、为预计或估算系统的可靠性所建立的可靠性方框可靠性方框图图和数学模型数学模型。组成组成 方框：单元功能 连线：单元与系统之间的功能关系 节点（节点可以在需要时才加以标注）输入节点：系统功能流程的起点 输出节点：系统功能流程的终点 中间节点 常用的有系统结构图系统结构图和可靠性逻辑框图可靠性逻辑框图 可靠性逻辑框图可靠性逻辑框图 表示各单元之间、单元与系统之间的关系 表示系统中各单元之间的功能关系功能关系 注意区分物理关系和功能关系物理关系和功能关系的差别 关心的是功能关系，但以物理关系为基础 要从功能上功能上研究系统类型、分析系统的功能及其失效模式，而不能从结构上判断系统类型 可靠性模型示例可靠

8、性模型示例例例 1：一个流体由两个阀门串联而成，试确定系统类型：一个流体由两个阀门串联而成，试确定系统类型12(a)流体顺利通过时为串联系统12(b)截流时为并联系统两个阀串联示意图流出12流入 阀 1和阀 2于处开启，功能是状态流体流通 阀 1和阀 2于处闭合，功能是状态流体截止 典型可靠性模型分类典型可靠性模型分类典型可靠性模型非储备模型串联模型工作储备模型非工作储备模型并联模型表决模型桥联模型旁联模型有储备模型 典型可靠性模型典型可靠性模型串联模型串联模型并联模型并联模型混联模型混联模型表决模型表决模型非工作贮备模型非工作贮备模型（旁联模型）（旁联模型）桥联模型 桥联模型 串联模型串联模

9、型 定义定义 组成系统的所有单元中任一单元的故障都会导致整个系统故障的称为串联系统。串联系统是最常用和最简单的模型之一。汽车及其组成的总成大多数为串联系统 串联系统的逻辑图如下图所示：串联系统可靠性框图123n串联系统的可靠性逻辑图 串联系统数学模型串联系统数学模型1212121()()().()()().()()().()()snnnniiR tP ttttttP ttP ttP ttR tRtRtR t=乔=当各单元服从指数分布时：tnitsniiieetR11)(系统寿命等于各单元寿命中的最小者：串联模型串联模型 系统的可靠度 单元数量单元数量 单元可靠度大小可靠度大小 串联系统数学模型

10、串联系统数学模型当各单元的寿命分布均为指数分布时，系统的寿命也服从指数分布，系统的故障率为单元的故障率之和：系统的平均寿命：niis1niis111 串联系统特点串联系统特点 串联系统特点特点：串联系统的可靠度低于该系统的每个单元的可靠度，且随着串联数目的增加而迅速下降。串联系统的故障率大于每个单元的故障率 若串联系统的各个单元服从指数分布，则该系统寿命也服从指数分布。串联模型串联模型 在设计时，为提高提高串联系统的可靠性，可从下列三方面考虑：尽可能减少串联单元数目 提高单元可靠性，降低其故障率 等可靠度单元组成的系统具有较好的效益niistRtR1)()(并联模型并联模型 并联模型并联模型

11、组成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障的称为并联系统。并联系统是最简单的冗余系统冗余系统（有贮备模型贮备模型）。并联系统的逻辑图如图所示，其数学模型为：并联系统可靠性框图12nniinStRRRRtF121)(1)1).(1)(1()(并联模型并联模型niiStRtR1)(11)(系统可靠度 当系统各单元的寿命分布为指数分布时，对于最常用的两单元两单元并联系统，有tttseeetR)(2121)(ttttttseeeeeet212121212121)(21210111)(dttRs 并联模型并联模型 即使单元故障率都是常数，但并联系统的故障率不再是常数，而是随着时间的增加而增大，且趋向

12、于 。当系统各单元的寿命分布为指数分布时，对于 n 个相同单元的并联系统，有 ndttRetRsnts1211)()1(1)(0 并联模型并联模型 与无贮备的单个单元相比，并联可明显提高系统可靠性（特别是 n=2 时）当并联过多时可靠性增加减慢 并联单元数与系统可靠度的关系tRs(t)1.00.80.60.40.2n=5n=4n=3n=2n=1 并联系统小结并联系统小结并联系统的失效概率低于各单元的失效概率并联系统的平均寿命高于各单元的平均寿命并联系统的可靠度大于单元可靠度的最大值并联系统的各单元服从指数分布，该系统不再服从指数分布随着单元数的增加，系统的可靠度增大，系统的平均寿命也随之增加，

13、但随着数目的增加，新增加单元对系统可靠性及寿命提高的贡献变得越来越小。混联模型混联模型由串并联系混合而成的系统统12453678 串并联系统串并联系统 由一部分单元先串联组成一个子系统，再由这些子系统组成一个并联系统。12m112m2.12mn.nimjijitRtR11)(1 1)(并串联系统并串联系统 由一部分元先成一子系，再由些子系单并联组个统这统成一串系。组个联统12.m112.m212.mnnjmiijitRtR11)(1 1)(混联系统例子混联系统例子99513.0)75.01(1)(11)(5511njmiijitRtR例：如果在 m=n=5的串系串系中并联统与并联统，元可靠度单

14、R(t)均为 0.75，分析求出试这两个系的可靠度。统解：于对串系并联统：74192.0)75.0(11)(11)(5511nimjijitRtR于对串系并联统：由串系混合而成的系并联统统12453678678S1S20.4218750.56258S4S30.8750.750.747系可靠度统0.49 表决模型表决模型 表决模型表决模型(模型模型)组成系统的 n 个单元中，正常的单元数不小于r(1 r n）系统就不会故障，这样的系统称为 r/n(G)表决模型。它是工作贮备模型的一种形式。表决模型表决模型 若组成系统的各单元相同各单元相同，每个单元失效概率为 q，正常工作概率为 p，则 r/n(

15、G)表决系统的失效率服从二项分布二项分布nriiniinqpCtR)(假如各单元寿命均服从指数分布，则有()(1)nii ttn ini rR tC eell-=-系统的平均寿命平均寿命1111.(1)ni rikknqllll=+多数表决系统多数表决系统（2/3(G)表决模型）在r/n(G)模型中，当n必须为奇数（令为 2k+1），且正常单元数必须大于n/2（不小于k+1）时系统才正常，这样的系统称为多数表决模多数表决模型型。多数表决模型是r/n(G)系统的一种特例。三中取二系统是常用的多数表决模型，其可靠性框图如下图 2/3(G)表决模型65312123)1()(32333223ttttt

16、eeeCeeCtR假设三个单元相互独立，且均服从指数分布，则 2/3 表决系统的可靠度和平均寿命分别为：表决系统特例表决系统特例 若表决器的可靠度为 1：当 r=1 时，1/n(G)即为并联系统，当 r=n 时，n/n(G)即为串联系统：系统的系统的平均寿命平均寿命比并联系统小，比串联系比并联系统小，比串联系统大。统大。15104h例：某 3/6表系，各元均服指分布，失效决统单从数率均 ，如果工作为时间 t=2700h,求系的可靠度及平均命。统寿解：由意可得元的可靠度：题单为9624.025.075.0.25.075.0)(066633366366CCqpCtRiiii系的统平均命寿为75.0

17、)7200(72001045eeRt系的统可靠度为hiMTTFi2375061.31163 旁联系统旁联系统组成系统的各单元只有一个单元工作，当工作单元故障时，通过转换装置转换装置接到另一个单元继续工作，直到所有单元都故障时系统才故障，称为非非工作贮备系统工作贮备系统，又称旁联系统。非工作贮备系统可靠性框图12n故障监测和转换装置K 旁联系统与并联系统的区别旁联系统与并联系统的区别 并联系统中每个单元一开始就同时处于工作状态，旁联系统中仅用一个单元工作，其余单元处于待机工作状态。并联系统在工作中可能失效，而旁联系统储备单元可能在储备期内失效。旁联系统还取决于故障监测和转换装置的可靠性。可靠性分

18、配可靠性分配 可靠性分配概念可靠性分配概念 可靠性分配就是将工程设计规定的系统可靠度指标合理的分配给组成该系统的各个单元，确定系统各组成单元的可靠性定量要求，从而保证整个系统的可靠性指标。可靠性分配目的与用途可靠性分配目的与用途 可靠性分配与可靠性预计的关系可靠性分配与可靠性预计的关系 可靠性分配程序可靠性分配程序 可靠性分配的原理与准则可靠性分配的原理与准则 可靠性分配方法可靠性分配方法 可靠性分配的注意事项可靠性分配的注意事项 可靠性分配目的、用途可靠性分配目的、用途 可靠性分配目的与用途目的与用途 可靠性分配的目的目的是使各级设计人员明确其可靠性设计要求，根据要求估计所需的人力、时间和资

19、源人力、时间和资源，并研究实现这个要求的可能性及办法。促使设计者全面考虑诸如重量、费用和性能等因素，以期获得“技术上合理，经济上效益高，时间方面见技术上合理，经济上效益高，时间方面见效快效快”；如同性能指标一样，是设计人员在可靠性方面的一个设计目标。可靠性分配与可靠性预计的关系可靠性分配与可靠性预计的关系可靠性分配结果是可靠性预计的依据和目标可靠性预计结果是可靠性分配与指标调整的基础返回调调研研可 靠 性可 靠 性、维 修 性维 修 性、安安全 性 和 保 障 性 分 析全 性 和 保 障 性 分 析比比较较设设计计更更改改分 配 到 设 备分 配 到 设 备分 配 到 分 系 统分 配 到

20、分 系 统系 统 可 靠 性 指 标系 统 可 靠 性 指 标技 术 条 件技 术 条 件设 备 可 靠 性 预 计设 备 可 靠 性 预 计分 系 统 可 靠 性 预 计分 系 统 可 靠 性 预 计系 统 可 靠 性 预 计系 统 可 靠 性 预 计可 靠 性可 靠 性维 修 性维 修 性保 障 性保 障 性安 全 性安 全 性测 试 性测 试 性评 估评 估确确定定可可靠靠性性指指标标可 靠 性 目 标可 靠 性 目 标和和设设计计准准则则 可靠性分配程序可靠性分配程序 可靠性分配分配程序 明确系统可靠性参数指标要求 分析系统特点 选取分配方法（同一系统可选多种方法）准备输入数据 进行可

21、靠性分配 验算可靠性指标要求 可靠性分配的原理可靠性分配的原理 可靠性分配的原理 系统可靠性分配是求解下面的基本不等式基本不等式 对于简单串联系统而言，上式就转换为 如果对分配没有任何约束条件约束条件，则上两式可以有无数个解；有约束条件，也可能有多个解。因此，可靠性分配的关键在于要确定一个方法，通过它能得到合理的可靠性分配值的唯一解或有限数量解合理的可靠性分配值的唯一解或有限数量解。可靠性优化设计可靠性优化设计*21),(SniSRRRRRR *21),(SniSgRRRRg )()()()()(*21tRtRtRtRtRSni 可靠性分配的准则可靠性分配的准则 分配准则分配准则 可靠性分配的

22、要求值应是成熟期成熟期的规定值。为了减少分配的反复次数，并考虑到分配中存在忽略不计的其他因素项目，因此可靠性分配时应该留出一定的余量余量。可靠性分配应在研制阶段早期研制阶段早期即开始进行。根据不同研制阶段，选定分配方法分配方法进行分配。可靠性分配的准则可靠性分配的准则 分配准则 对于复杂度复杂度高的分系统、设备等，应分配较低的可分配较低的可靠性指标靠性指标，因为产品越复杂，其组成单元就越多，要达到高可靠性就越困难并且更为费钱。对于技术上不成熟技术上不成熟的产品，分配较低的可靠性指标较低的可靠性指标。对于这种产品提出高可靠性要求会延长研制时间，增加研制费用。对于处于恶劣环境条件恶劣环境条件下工作

23、的产品，应分配较低的可靠性指标，因为恶劣的环境会增加产品的故障率。当把可靠度作为分配参数时，对于需要长期工作需要长期工作的产品，分配较低的可靠性指标，因为产品的可靠性随着工作时间的增加而降低。可靠性分配的准则可靠性分配的准则 分配准则 对于重要度高重要度高的产品，应分配较高分配较高的可靠性指标，因为重要度高的产品的故障会影响人身安全或任务的完成。分配时还应结合维修性、保障性维修性、保障性，如维修性差的产品，分配较高的可靠性指标，以实现较好的综合效能等。可靠性分配方法可靠性分配方法 无约束分配法无约束分配法 等分配法 再分配法 系统失效率预计值法 考虑重要度和复杂度的分配方法 有约束分配法有约束

24、分配法 拉格朗日乘数法 动态规划法 直接寻查法 等分配法等分配法 对系统中的全部单元配以相等的可靠度相等的可靠度的方法。串联系统串联系统可靠度分配 串联系统的可靠度取决于系统中的最弱单元，当系统中的 n 个单元具有近似的复杂程度、重要性以及制造成本时，可用等分配法分配系统各单元的可靠度。niniSRRR1nSiRR*等分配法等分配法 并联系统并联系统可靠度分配 当系统的可靠度要求很高，而选用的单元又不能满足要求时，可选用 n 个相同单元并联起来。)1(11iniSRRnsiRR1*)1(1 串、并联系统可靠度分配利用等分配法对串并联系统进行可靠度分配，可先将串并联系统简化为等效的串联系统和等效

25、单元，再给同级等效单元分配相同的可靠度。12453678678S1S20.73228S4S30.92830.92830.9283如果要求系可靠度统为 0.80.92830.73220.92830.73220.9013 再分配法再分配法 串联系统中，可靠性越低的单元越容易改进。基本思想：把原来可靠性较低的单元的可靠度全部提高到某个值，而对原来较高可靠度的单元的可靠度则保持不变。排序提高低可靠度单元确定单元数和可靠度值111*0mmnmiimRRRRRnmmRRRRR.121 系统失效率预计值法（比例分配法）系统失效率预计值法（比例分配法）适用于新设计系统与老系统非常相似相似。基础基础：老系统有统

26、计数据的情况下老系统有统计数据的情况下。适用于失效率为常数的串联系统。思想思想：可靠性模型正确、预计方法统一、数据相对关系正确，那么可靠性预计结果基本能反映出系统各组成部分之间的复杂程度、技术难易程度、可靠性水平。适用于系统设计阶段的可靠性分配。系统失效率预计值法系统失效率预计值法 某单元与系统失效率的比值：iii第 i 个单元的失效率；系统的失效率。l-iiillg lll-=分配新的失效率：新系统的失效率。l 系统失效率预计值法系统失效率预计值法例：一个串联系统由 3 个单元组成，各单元的预计失效率 ，要求工作 20h 时系统可靠度为 ，试用系统失效率预计法求各单元的可靠度。1312110

27、02.0,003.0,005.0hhh98.0*R解：系统预计失效率为 各单元失效率与系统失效率的比值11230.0030.0050.0020.01hllll-=+=+=3121230.0050.0030.0020.5,0.3,0.20.010.010.01lllggglll-=计算各单元分配的可靠度 验算系统的可靠度*1lnln0.980.0010120Rhtl-=1110.5 0.001010.000505hlg l-=1220.3 0.001010.000303hlg l-=1330.2 0.001010.000202hlg l-=10.000505*2010.98995tReel-=2

28、0.000303*2020.99396tReel-=30.000202*2030.99597tReel-=1230.98995 0.99396 0.995970.9800053RR R R=创 考虑重要度和复杂度分配法考虑重要度和复杂度分配法 由美国电子设备可靠性顾问团（AGREE）提出的一种比较完善的综合方法，综合考虑了系统中各单元或各子系统的复杂度、重要度、工作时间以及系统之间的失效关系，又称为 AGREE 分配法。复杂度复杂度 重要度重要度 工作时间工作时间 适用于各单元工作期间，失效率为常数失效率为常数的串联系统 重要度概念重要度概念 重要度重要度：是指某个单元发生故障时对系统可靠性的

29、影响程度，一般用 Wi表示iirNW 串联系统串联系统，每个单元的每次故障都会引起系统发生故障，所以，每个单元对系统的重要度都是相同的，Wi 1。对于冗余系统 0 Wi 1 Wi大的单元分配到的可靠性指标应该高一些N由第 i 个单元故障引起的系统故障次数系统故障次数；第 i 个单元的故障总次数。ir 复杂度概念复杂度概念 复杂度复杂度是指某个单元的元器件数与系统总元器件数之比，一般用 Ki表示NnKii Ki大的单元，由于包括的元器件数量多，较复杂，实现较高的可靠性指标困难，故分配的可靠性指标应低一些可靠性指标应低一些。in第 i 个单元的重要零、部件总数零、部件总数；系统的重要零、部件总数，

30、。NniinN1 考虑重要度和复杂度分配法考虑重要度和复杂度分配法 单元失效率与系统失效率的比值与该单元的重要重要度成反比，与它的复杂度成正比度成反比，与它的复杂度成正比：iNniiiiiiitiiiWRtRntNWtNWRneWNni/11)(Rln1lnR1为分配给各单元的可靠度或指数分布，即如果系统的可靠度服从 拉格朗日乘数法拉格朗日乘数法 适用于在优化设计优化设计的条件下使用，解决在可靠性设计中最关键也是最实际的问题，即在保证产品在保证产品可靠性总指标的分配，又能实现总的成本最小可靠性总指标的分配，又能实现总的成本最小。拉格朗日乘数法是一种将约束最优化问题转换为将约束最优化问题转换为无

31、约束最优化问题无约束最优化问题的求优方法，由于引进了一种待定系数拉格朗日乘子，则可利用这种乘子将原约束最优化问题的目标函数和约束条件组合成一个称为拉格朗日函数的新目标函数，使新目标函数的无约束最优解就是原目标函数的约束最优解。可靠性分配注意事项可靠性分配注意事项 可靠性分配应在研制阶段早期早期开始进行 使设计人员尽早明确其设计要求，研究实现这个要求的可能性。为外购件及外协件的可靠性指标提供初步依据。根据所分配的可靠性要求估算所需人力、成本和资源等管理信息。可靠性分配注意事项可靠性分配注意事项 可靠性分配应反复多次进行反复多次进行 在方案论证和初步设计工作中，分配是较粗略的，经粗略分配后，应与经

32、验数据进行比较、权衡。与不依赖于最初分配的可靠性预测结果相比较，确定分配的合理性，并根据需要重新进行分配。随着设计工作的不断深入，可靠性模型逐步细化，可靠性分配亦须随之反复进行。为了尽量减少可靠性分配的次数，在规定的可靠性指标基础上，可考虑留出一定的余量留出一定的余量。这种做法为在设计过程中增加新的功能单元留下余地，因而可以避免为适应附加的设计而必须进行的反复分配。各研制阶段可靠性分配方法的选择各研制阶段可靠性分配方法的选择 选择依据 在进行分配前，首先必须明确设计目标、限制条件设计目标、限制条件、系统下属各级定义的清晰程度清晰程度及有关类似产品可靠性数据等信息。随着研制阶段的进展，产品定义起来越清晰，则可靠性分配也有所不同。方案论证阶段 等分配法 初步设计阶段 评分分配法、再分配法 详细设计阶段 评分分配法、考虑重要度和复杂度分配法、可靠度再分配法 谢谢