第1 3可靠性分析概述ppt课件.ppt

1.5 可靠性分析 可靠性分析是可靠性设计重要组成部分。表13 可靠性分析的主要工作项目,可靠性分析下面简要介绍前两项可靠性分析工作具体内容,1.5.1 故障模式、影响及危害性分析(FMECA)(1)目的 通过系统地分析，确定元器件、零部件、设备、软件在设计和制造过程中每一个产品层次所有可能的故障模式，以及每一故障模式的原因及影响程度，以便找出潜在的薄弱环节，并提出改进措施以提高产品的可靠性。(2)组成 故障模式、影响及危害性分析（以下简称FMECA）由故障模式及影响分析（FMEA）和危害性分析（CA）两部分组成，只有在进行FMEA基础上，才能进行CA。,FMECA方法分类,设计FMECA,过程FMECA,功能FMECA,硬件FMECA,软件FMECA,损坏模式及影响分析DMEA,(3)FMECA分类及适用情况(a)FMECA分类,图 FMECA方法的分类,统计FMECA,(b)在产品寿命周期各阶段的FMECA方法的应用目的(表14),表14 FMECA方法的应用目的,表15 FMECA、FMEA和CA的目的、用途,(b)FMECA实施的步骤:,初始约定层次产品 任 务 审核 第 页共 页约定层次产品 分析人员 批准 填表日期,表16 故障模式及影响分析(FMEA)表,表17 危害性分析（CA）表初始约定层次产品 任 务 审核 第 页共 页约定层次产品 分析人员 批准 填表日期,a.FMECA方法中各约定层次的定义（1）约定层次根据分析的需要，按产品的功能关系或复杂程度划分的产品功能层次或结构层次。这些层次一般从比较复杂的系统到比较简单的零件进行划分；（2）初始约定层次进行FMECA总的完整的产品所在的层次，它是约定的产品第一分析层次；（3）其他约定层次相继的约定层次（第二、第三、第四等）、这些层次表明了直至较简单的组成部分的有顺序的排列；（4）最低约定层次约定层次中最低层的产品所在层次。它决定了FMECA工作深入、细致的程度。,图 某型战斗机液压系统约定层次示例图,c.定义严酷度类别严酷度是指产品故障模式所产生的最终影响的严重程度。应对产品故障模式的严酷度进行定义，进而对每一个故障模式按严酷度类别进行排序。严酷度类别是依据产品每个故障模式造成最终可能出现的人员伤亡、“初始约定层次”产品损坏和环境损害等方面的影响程度而确定的。表18 产品常用的严酷度等级划分,1.5.2 故障树分析(FTA)(1)目的 通过对可能造成产品故障的各种因素进行析，能定性地确定产品故障发生的所有原因和原因组合，并定量地确定产品故障的发生概率。通过故障树分析，能够透彻了解系统，找出薄弱环节，改进产品设计、使用环境、维修方式等，提高产品可靠性，同时验证重大故障的发生概率是否能满足可靠性要求。,(2)适用对象和情况 FTA适用于电子、机电、机械，或者新研产品、老品、老品改进等各类产品。FTA适用于系统寿命周期的任何阶段，包括从设计阶段早期直至批生产前的各个设计阶段，以及生产和使用阶段。在设计阶段，FTA可帮助查找潜在的产品故障模式和灾难性危险因素，发现可靠性和安全性薄弱环节，改进设计；在生产和使用阶段，可以帮助对故障事件开展调查分析，更改设计或改进生产手段和使用维修方案。,(3)主要内容(A)方法:FTA是将一个不希望的产品故障事件或灾难性的产品危险事件做为顶事件，通过由上向下的严格按层次的故障因果逻辑分析，建立故障树。逐层找出对上一层事件必要而充分的直接原因，最终找出导致顶事件发生的所有原因（包括硬件、软件、环境、人为因素等）和原因组合，即各个底事件。在具有基础数据时计算出顶事件发生概率和底事件重要度等定量指标。下面介绍建立故障树概念和具体实施。,图 故障树示例,(B)选择顶事件顶事件是建立故障树的基础，选择的顶事件不同，则建立的故障树也不同。在进行故障树分析时，选择顶事件的方法如下：（a）在设计过程中进行FTA时，一般从那些显著影响产品技术性能、经济性、可靠性和安全性的故障中选择确定顶事件。（b）在FTA之前若已进行了FME(C)A，则可以从故障严酷度为、类的系统故障模式中选择其中一个故障模式确定为顶事件。（c）发生重大故障或者事故后，可以将此类事件作为顶事件，通过故障树分析为故障归零提供依据。对于顶事件必须严格选择，否则建出的故障树将达不到预期的目的。大多数情况下，产品会有多个不希望事件，应对它们一一确定，分别作为顶事件建立故障树并进行分析（见下面示例图）。,(C)建造故障树,故障树的建立 故障树是一种特殊的倒立树状因果关系逻辑图。它用事件符号、逻辑门符号和转移符号(子树转移符号)描述系统中各种事件之间的因果关系。逻辑门的输入事件是输出事件的“因”，逻辑门的输出事件是输入事件的“果”。,a.故障树常用事件及其符号,b.故障树常用逻辑门及其符号,故障树,c.故障树分析图的组成:,基本事件：是无需探明其发生原因的底事件,底事件是故障树中仅导致其他事件的原因事件。它位于所讨论的故障树底端，总是某个逻辑门的输入事件而不是输出事件,未探明事件：是原则上应进一步探明其原因但暂时不必或者不能探明其原因的底事件,顶事件：是故障树分析中所关心的最后结果事件。它位于故障树的顶端，代表了系统不希望发生的事件,中间事件是位于底事件和顶事件之间的结果事件,故障树,d.故障树分析图的组成:,或门：当输入事件中至少有一个发生时，则输出事件发生，这种关系称为事件并,用逻辑“或门”描述,与门：门的输入事件同时发生时，输出事件必然发生，这种逻辑关系称为事件交，用逻辑“与门”描述,e.建故障树示例不同顶事件,f.建故障树示例不同顶事件,(6)FTA与FMECA的对比(见下表22),FMECA的结果可为FTA提供顶事件,1.5.3 潜在电路分析（SCA）a.目的 潜在分析可分为针对电路的潜在电路分析、软件的潜在分析和液、气管路系统的潜在分析。此处仅介绍潜在电路分析。潜在电路是电子/电气系统中的一种设计意图之外的状态，在一定的条件下，导致产品产生非期望功能或抑制期望功能。它具有潜藏性，而一旦激励条件得以满足，表现出“突然发生”、“出人意料”、“巨大破坏性”等特点。对电子/电气系统的危害是巨大的，由于产品规模较大、复杂、设计人员对设计要求理解不一致等原因，很容易在设计中引进潜在电路。特定条件下才会被激发，一般很难通过试验或仿真手段予以发现。潜在电路分析的目的就是在假设所有元器件及部件均未失效的情况下，发现电路中在一定的激励条件下可能产生非期望功能或抑制期望功能的潜在状态，以保证电路安全可靠。,b.基本概念(1)潜在电路：属于非失效相关的设计问题。潜在电路包括四种表现形式：潜在路径、潜在时序、潜在指示和潜在标志。(2)潜在路径：电流所流经的非期望路径。(3)潜在时序：数据或逻辑信号以非期望或矛盾的时间顺序、或在非期望的时刻、或延续一个非期望的时间段发生，从而使系统出现的异常状态。(4)潜在指示：系统运行状况的模糊或错误的指示。潜在指示可能误导系统或操作人员做出非期望的反应。(5)潜在标志：系统功能的错误或不确切的标志。潜在标志可能会误导操作人员。(6)网络树：对电路系统进行划分和简化后获得的树状网络示意图。该图能简明地表达相互连通的元器件之间的连接关系。,(8)网络森林：网络树的集合。(9)功能网络森林：与某电路功能有关的网络森林。(10)线索：一种分析用的问题提示，根据该提示，分析者易于识别电路系统是否具有该线索所提示的运行状态，并判定其是否属于设计意图之外的状态，即潜在状态。(11)线索表：由一系列线索组成并按一定的规则进行组织的线索清单。(12)源：电路系统实现其预期功能的信号和数据的源头，在潜在电路分析中通常作为路径追踪的起点。(13)目标：电路系统实现其预期功能的执行部件或关键部件，如功能信号执行部件等，非期望地激活或抑制它将引发一个非期望事件，在潜在电路分析中通常作为路径追踪的终点。,类似电路拓扑模式表现出类似电路行为的原理 所有的电路都可归纳为由五种基本的电路拓扑模式组成，这五种电路拓扑模式如图所示，它们是：直线形、电源拱形、接地拱形、组合拱形及H形。,直线形 电源拱形 接地拱形 组合拱形 H 形图 五种基本电路拓扑模式,由于每个基本电路拓扑模式所有可能的电路行为是易于掌握的，因此识别出一个电路中存在哪些电路拓扑模式就能使分析人员易于识别该电路的全部行为，从而识别出系统中的潜在电路。,网络树示例,分析网络树，结合范例电路系统的实际运行情况，确认在树上的元器件确实承受双向电流的情况，如果确认这是设计所不允许的，即可判定它为潜在电路。其他网络树分析相同。,分析人员要将发现的潜在电路与设计人员进行交流确认，即对初步分析结论进行反馈交流，最后双方对结论达成一致意见后，组织对分析报告进行评审验收。具体过程略。,1.5.4 电路容差分析a.目的 分析电路的组成部分在规定的使用温度范围内其参数偏差和寄生参数对电路性能容差的影响，并根据分析结果提出相应的改进措施。电路性能参数发生变化原因 电路性能参数发生变化的主要现象有：性能不稳定、参数发生漂移、退化等，造成这些现象的原因有以下三种：（1）组成电路的元器件参数存在着公差 电路设计时通常只采用元器件参数的标称值进行设计计算，忽略了参数的公差。标称值确定的电路性能参数会出现参数偏差。这种原因产生的参数偏差是固定的;（2）环境条件的变化产生参数漂移 环境温度、相对湿度的变化，电应力的波动，会使电子元器件参数发生变化;（3）退化效应 很多电子产品在长期的使用过程中，随着时间的积累，元器件参数会发生变化。这种原因产生的偏差是不可逆的。,电路容差分析程序电路容差分析的流程如图所示，其主要步骤如下：,图 电路容差分析流程,b.容差分析容差分析包括：（a）根据已确定的待分析电路的具体要求和条件，适当选择一种具体分析方法；（b）根据已明确的电路设计的有关基线按选定的方法对电路进行容差分析，求出电路性能参数的偏差范围，找出对电路性能影响敏感度较大的参数并进行控制，使电路满足要求。c.电路容差分析方法在工程中常用的容差分析方法包括阶矩法、最坏情况分析法、仿真法等。阶矩法 阶矩法是一种概率统计方法。该方法根据电路组成部分参数的均值和方差，求出电路性能参数的均值和方差。最坏情况分析法 最坏情况分析法是分析在电路组成部分参数最坏组合情况下的电路性能参数偏差的一种非概率统计方法。它利用已知元器件参数的变化极限来预计电路性能参数变化是否超过了允许范围。仿真方法 目前很多EDA（电子设计自动化）软件都具有仿真计算和容差分析功能。,表24 各种容差分析方法的优缺点和适用范围,