产品可靠性设计——北航.ppt

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1、,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,1,产 品 可 靠 性 设 计章文晋北京航空航天大学可靠性工程研究所,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,2,工程系统工程系可靠性工程研究所,挂靠的主要单位：,中国人民解放军总装备部可靠性工程技术中心,国防科工委可靠性工程技术研究中心,中国航空第一集团公司可靠性技术和管理中心,中国航空第二集团公司可靠性技术和管理中心,中国人民解放军总参谋部陆航装备可靠性办公室,中国航空第一集团公司计算机软件测评管理中心,北京航空航天大学,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,3,本次讲座内容,为什么开展可靠性设计？,如何开展可靠性设计？,

2、规划可靠性工作的建议,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,4,可靠性,入市时间,利润,顾客满意,功能,入市时间,可靠性,利润,功能,顾客满意,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,5,产品设计的指导思想发生了重大转变,从仿制走向自主研制 从掌握技术、解决有无走向形成能力,Made in China?,Born in China?,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,6,可靠性的地位和作用,提高电力设备的可用水平,降低寿命周期费用,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,7,费用冰山图,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,8,2005-6-2

3、,可靠性维修性测试性保障性概论,9,可靠性的基本概念,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,10,可靠性定义,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。,可靠性工程：为达到产品的可靠性要求,而开展的一系列设计、研制、生产、试验和管理工作。,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,11,可靠性基本概念可靠性定义,固有可靠性：产品在设计、制造过程中赋予的,固有属性 产品的开发者可以控制,使用可靠性：产品在实际使用过程中表现出的,可靠性 除固有可靠性的影响因素外，还要考虑安装、操作使用、维修保障等方面因素的影响,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,1

4、2,可靠性工程的发展史,发展历程 20世纪40年代：萌芽期 20世纪50年代：兴起与形成，1952 AGREE 20世纪60年代：全面发展 20世纪70年代：成熟期 20世纪80年代：深入与广泛 20世纪90年代：综合化、自动化、智能化、实用化,当前状态 电子到非电，硬件到软件，统计试验到工程试验、可靠性到维修性、测试性、保障性至可信性、军用到民用,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,13,基本概念可靠性与产品质量质量特性,专门特性,经济性,时间性,可靠性,维修性,保障性,测试性,性能特性,适应性,寿命周,期费用,安全性,2005-6-2,故障率与浴盆曲线,t14,(t),使用寿命

5、,早期故障,偶然故障可靠性维修性测试性保障性概论,耗损故障,A,B,规定的故障率,维修后故障率下降,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,15,首次翻修期与翻修间隔期,(t),t,首次翻修期,规定的故,障率,A,B,(=1/MTBF),翻修间隔期,总寿命,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,16,维修性基本概念维修性定义,产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定,的程序和方法进行维修时，保持或恢复到其规定状态的能力，其概率度量亦称维修度。维修性与可靠性一样是产品的设计特性，维修性的好坏直接影响产品的维修工作量、维修工时和费用、维修测试设备的设计策略及对维修人员的要求。在产

6、品开发过程中仅提高可靠性不是一种最有效的方法，必须综合考虑可靠性与维修性才能获得更好的结果。,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,17,测试性基本概念测试性定义,诊断（Diagnosis）：使用硬件、软件和,（或）其他文件规定的方法，确定系统或设备工作不正常（故障）查明其原因的技术和进行的操作。诊断也可以认为是检测和故障隔离活动的总称。,测试性（testability）：产品能及时并,准确地确定其状态（可工作、不可工作或性能下降），并隔离其内部故障的一种设计特性。,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,18,测试性基本概念测试性定义,固有测试性（inherent test

7、ability）：,仅取决于系统或设备的硬件设计，不受测试激励数据和响应数据影响的测试性。,BIT（built-in test，机内测试）：系统,或设备内部提供的检测和隔离故障的自动测试能力。,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,19,如何开展可靠性？,管 理设 计试 验,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,20,RMTS管理,产 品 的 效 能,A开 则 能 动R M,C具 有 能 力C,D动 而 可 信R M,R,M,C,可 靠 性寿 命 水 平,维 修 性测 试 性 水 平,性 能水 平,外 界,环 境,维 护故 障 发 生 发 展诊 断 修 理故 障 排 除,可

8、 靠 性 水 平寿 命 水 平,可 维 修 性 水 平可 测 试 性 水 平,性 能水 平,维修MT维 修保 障,存,在与使用过程,A：可 用 性；D：可 信 性；C：能 力R：可 靠 性；M：维 修 性；T：测 试 性,人的效能,A健康可干健康性H,可 医 治 性 CH,C具有能力劳动能力,体力、脑力,D干而无病H,CE,健康性H健康岁平寿命水平,可医治性CE可医治性水平可诊断性水平,能力C能力水平,外界,环境防病疾病发生发展诊断治疗,恢复健康,健康水平寿命水平,可医治性水平可诊断性水平,能力水平,医疗保障,防治与诊断,生产与工作过程,反,馈,信,息,反,馈,信,息,2005-6-2,可靠性

9、维修性测试性保障性概论,21,RMTS管理,系统要求任务目标任务环境任务约束效能度量,结构学 系统工程 空气动力学其他 机械,人素工程,系统工程 维修性保障性 测试性,设施设计,人员,传统学科信息分支热力学 电子学,专门学科信息分支可靠性 安全性,产品信息分辨,产品 系统工程文档设计,系统工程 程序化资料计算机程序“设计”要求输出工程项目规范图纸,2005-6-2,22,大纲计划和,综合经理,用户要求和系统效能,、局长,管理经理,装备经理,产品保证,现场使用和试验支持经理,技术状态管理和标准化系统经理,系统试验主任,SST技术主任工程师,主任工程师,系统,结构,设计动力装,置设计,产品,支持,

10、工程,管理,计算和分析经理,商务管理局长,经理的助理大纲计划,和控制,采购控制,系统技术和,现场使用,材料工艺,工厂生产,技术助理,大纲管理助理,产品保证大纲经理,工程局长,质量保证局长,设计设计,支持,可靠性,安全性,维修性,可靠性维修性测试性保障性概论数据中心,可靠性、安全,性、维修性,和价值工程系统经理,波音公司可靠性组织管理体系,RMTS管理的组织结构SST分部副主席,2005-6-2,23,系统工程,系统要求评审,综合的产品组,要求权衡和,定义,分配综合计划,用户要求,综合的产品研制,设计制造保障系统规范,综合的产品组,初步研制评审,研制要求评审,方案布局,部件布局,维修与保障“包”

11、可靠性维修性测试性保障性概论,综合的产品组,设计制造“包”最终研制评审设计制造保障,用户,RMTS管理综合的产品研制过程,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,24,RMTS管理,项目主管人员,可靠性,维修性,安全性,生产,保障性,综,合,产,品,研,制,组,电子、通讯,机械、结构,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,25,可靠性工作项目可靠性工作项目,可靠性大纲的监督与控制,102,对转承制方的监督与控制,103,可靠性评审,104,建立故障报告分析和纠正措施系统,105,建立故障审查组织,106,可靠性增长管理,设计与分析,201,建立可靠性模型,202,可靠性分配,

12、203,可靠性预计,204,制订可靠性设计准则,205,故障模式影响及危害性分析,206,故障树分析,207,潜在通路分析,208,电路容差分析,209,制订元器件大纲,210,确定可靠性关键产品,211,确卸定、功运能输测、试维、修包对装可、靠贮性存的、影装响,试验与评价,301,环境应力筛选,302,可靠性研制试验,303,可靠性增长试验,304,可靠性鉴定试验,305,可靠性验收试验,3,可靠性分析验证,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,26,软件工程（含可靠性）工作项目可靠性工作项目,监督与控制,101,制订软件可靠性大纲与工作计划,102,软件文档管理,103,软件配置

13、管理,104,软件设计评审,105,建立故障报告分析和纠正措施系统,106,对转承制方的监督与控制,设计与分析,201,软硬件运行环境、软硬件功能与接口的分析与定义,202,确定软件可靠性定性定量要求,203,划分与确定关键软件与重要软件,204,制订与贯彻软件可靠性设计准则,205,软件可靠性分配,206,软件可靠性预计,207,软件可靠性设计：容错、防错、查错,208,软件故障模式影响及危害性分析,209,软件故障树分析与PETRI网分析,试验与评价,301,制定软件测试计划与测试规程,302,建立独立的软件测试机构,303,软件代码走查,304,软件测试,305,软件的验证与确认,306

14、,软件可靠性测试与评价,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,27,维修性工作项目维修性工作项目,工作的监督与控制,设计与分析,试验与评定,制定维修性工作计划,对转承方和供应方的监督与控制,维修性工作评审,建立数据收集分析和纠正措施系统,维修性和测试性验证,建立维修性模型,维修性分配,维修性预计,故障模式及影响分析|维修性信息,维修性分析,维修性设计准则,为维修保障计划和保障性分析准备输入,维修性核查,维修性评价,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,28,测试性工作项目测试性工作项目,测试性工作的的监督与控制,101制订测试性工作计划,102测试性评审,103测试性数据收

15、集与分析计划,测试性设计与分析,201测试性要求,202测试性初步分析与设计,203测试性详细分析与设计,测试性试验与评定,301测试性验证,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,29,保障性工作项目保障性工作项目,保障性分析工作的规划与控制,制定保障性分析工作纲要,制定保障性分析工作计划,有关保障性分析的评审,装备与保障系统的分析,401,使用与维修工作分析,402,早期现场分析,403,停产后保障分析,使用研究,硬件、软件与保障系统的标准化,比较分析,101 102 103 201 202 203 204,改进保障性的技术途径,205,确定保障性和有关保障性的设计因素,备选方案的

16、制定与评价,501,保障性试验、评价和验证,确定功能要求,确定备选保障方案,301 302 303,备选方案的评价与权衡分,析,确定保障资源要求,保障性评估,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,30,可靠性设计,规定定性定量的可靠性要求建立可靠性模型可靠性指标分配可靠性预计可靠性设计准则耐环境设计元器件的选用与控制电磁兼容性设计降额设计与热设计,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,31,规定定性定量可靠性要求,可靠性是设计出来的、生产出来的、管,理出来的,可靠性要求是开展产品可靠性设计的基,础,可靠性要求是进行产品可靠性验证与考,核的基础,可靠性要求包含定性、定量两个部

17、分,常用的可靠性定量指标是平均故障间隔时间MTBF,K1,K2,32,双开关系统原理图2005-6-2,双开关系统可靠性框图可靠性维修性测试性保障性概论,可靠性建模可靠性模型是依据系统的原理和功能关系而建立的。如下图所示的双开关系统，当系统的功能是使电路导通，系统要能正常工作，只需开关A或B闭合即可，其可靠性框图如图(a)所示（并联系统）；当系统的功能是使电路断开，系统要能正常工作，需要开关A和B同时断开，其可靠性框图如图(b)所示（串联系统）。K1,K2,K1,K2,(a),(b),2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,33,可靠性分配,可靠性分配是将产品总的可靠性定量,要求分配到

18、规定的产品层次,用于对配,套外协产品提出可靠性要求,通过分配使整体和部分的可靠性定量,要求协调一致,可靠性分配是一个由整体到局部，由,上到下的分解过程,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,34,可靠性预计可靠性预计是在设计阶段对系统的可靠性进行定量的估计系统的可靠性预计是根据组成系统的元件、部件的可靠性数据按可靠性模性来估计的。部件、元件的可靠性数据来源：电子元器件：国军标、美军标和BellCore的元器件计数法、应力分析法已有相似产品的可靠性数据通过系统的构成和结构特点、系统的工作环境等因素修正部件的可靠性试验数据或实际使用数据,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,3

19、5,可靠性设计准则什么是可靠性设计准则 是一种设计规范，从系统可靠性角度出发，设计人员必须遵守的设计要求，是已有的、相似产品的工程经验的总结，并系统化、科学化、规范化而成。制定与实施的原因与目的 仅有定量分析设计、FMEA等是不够的 准则是系统设计经验的积累，甚至有血的代价。设计人员最易于接受的 可靠性设计分析的重要依据 可靠性设计与功能、性能设计紧密结合 提高产品可靠性、降低费用,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,36,耐环境设计,抗振动设计抗冲击设计抗噪音设计防潮设计防霉设计热设计,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,37,元器件的选择与控制元器件固有可靠性：元器

20、件通过设计和制造等工作表现的可靠性特征，是元器件研制、生产方的任务。元器件使用可靠性：元器件在使用过程中表现的可靠性特征，是产品开发方的任务。国内外失效分析资料表明，有相当多的元器件失效并非由于元器件本身固有可靠性不高，而是由于使用者对元器件的选择不当或使用有误引起的。,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,38,元器件的选择与控制,元器件质量控制过程：,选择：包括厂家、性能、质量稳定性等内容的优选目录，每年修订一次，增删的依据是质量表现设计：降额设计、热设计、隔振设计筛选：元器件入厂后要进行筛选和测试保管和装配：防静电等措施失效分析：判明元器件失效的真正原因,2005-6-2,可靠

21、性维修性测试性保障性概论,39,电磁兼容性设计与试验,设计：,静电抗扰性浪涌抗扰性电源波动及瞬间跌落抗扰性射频电磁场辐射抗扰性,试验：,按行业标准,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,40,降额设计与热设计,降额设计,元器件、零部件的故障率是与其承受的应力紧密相关的，降低其承受的应力可以提高其使用可靠性 设计时应将其工作应力设计在规定的额定值之下 对元器件有降额准则方面的标准,热设计,电子产品的环境温度过高是造成其故障率增大的重要原因 利用热传导、对流、热辐射等原理进行合理的热设计，以降低其周围的环境温度 热测试：对热设计效果的检验,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,

22、41,FMECA概述,故障模式影响及危害性分析,Failure Mode,Effects and CriticalityAnalysis,简记为FMECA 针对产品所有可能发生的故障，进行故障模式分析，确定每种故障模式对产品工作的影响，找出单点故障，并按每一个故障模式的严重程度及其发生概率确定其危害性 单点故障：引起产品故障的，且没有冗余或替代的工作方式作为补救的局部故障,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,42,可靠性试验,可靠性试验的目的和分类,环境应力筛选试验,可靠性增长试验,可靠性鉴定试验,可靠性验收试验,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,43,可靠性试验目的

23、和分类试验目的,为提高产品的可用性、可靠性、减少维修人力和保障费用提供信息,确认产品是否符合可靠性定量要求,发现产品在设,计、元器件、零部件、原材料和工艺方面的各种缺陷,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,44,可靠性试验目的和分类可靠性试验,工程试验,统计试验,环境应力筛选,可靠性增长,可靠性鉴定,可靠性验收,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,45,可靠性试验目的和分类,按试验地点,实验室试验：在规定的受控条件下的试验，可以模拟现场使用条件，也可以不模拟，关键是建立实验室试验与各种产品实际使用条件之间的关系 现场试验：产品在典型使用现场所进行的一种试验,2005-6

24、-2,可靠性维修性测试性保障性概论,46,可靠性试验环境应力筛选(ESS),在产品出厂前，有,意将环境应力施加,到产品上，使产品,的潜在缺陷加速发,展成早期故障，并,加以排除，从而提,高产品的可靠性。,这是剔除早期故障,的一种工序方法,早期故障期,偶然故障期,耗损故障期,t,(t),2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,47,可靠性试验环境应力筛选(ESS)环境应力筛选(ESS)应注意的事项,筛选应力不必准确模拟产品真实的环境条件；,不应超过产品设计能耐受的极限，不应改变产品的失效,机理；,对电子产品施加的环境应力最有效的是随机振动和温度,循环应力；,ESS要做到三个100%（元器件

25、、电路板、整机）,在批生产阶段后期，对组件级以上的产品可根据其质量,稳定情况抽样进行。,筛选可以提高批产品的可靠性水平，但不能提高产品的,固有可靠性，只有改进设计、工艺等才能提高后者；,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,48,可靠性试验增长试验,在一个规定的环境应力下，为暴露产品的薄弱环,节，并证明改进措施能防止薄弱环节再现而进行的,试验,规定的环境应力可以是产品工作的实际环境应,力、模拟环境应力或加速变化的环境应力,可靠性增长试验是通过发现故障、分析和纠正故,障、以及对纠正措施的有效性而进行验证以提高产,品可靠性的过程，即TAAF过程,试验本身并不能提高产品的可靠性，只有采取了

26、,有效的纠正措施来防止产品在工作期间出现重复的,故障之后，产品的可靠性才能提高,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,49,可靠性试验鉴定试验,用具有代表性的产品在规定条件下所作,的试验，以此作为产品是否满足可靠性指标的依据,可靠性鉴定试验是一种验证试验，必须,遵循抽样检验程序,可靠性指标的验证是建立在一定的寿命,分布假设基础上，最常用的假设是指数分布,已有标准的试验方案,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,50,可靠性试验鉴定试验,短,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,51,可靠性试验鉴定试验,0 MTBF检验的上限值，它是可以接收的MTBF值。当试验产品

27、的MTBF真值接近0时，指数分布标准型试验方案，以高概率接收该产品,1 MTBF检验的下限值，当试验产品的MTBF真值接近1时，指数分布标准型试验方案，以高概率拒收该产品,d 鉴别比。对指数分布试验方案，d=0/1,生产方风险。当产品的MTBF真值等于0时，产品被拒收的概率，也叫第一类错误。这是由抽样引,起的。,使用方风险。当产品的MTBF真值等于1时，产品被接收的概率，也叫第二类错误。这也是由抽样,引起的。,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,52,可靠性试验方法,t,t0,1,样品编号nn-1n-2n-3i432,t,tr,1,样品编号nn-1n-2n-3i432,定,时,截,

28、尾,试,验,定,数,截,尾,试,验,L=2,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,53,可靠性试验方法,设定时截尾试验时间为T，出现的故障数,为r，于是MTBF的点估计值：,=,2(2r+2)是自由度为2r+2的 2分布的分位点,2r(2r+2),Tr,给定置信水平，的相应单边置信下限 L为,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,54,可靠性验收试验,验证产品的可靠性不随生产期间工艺、,工装、工作流程、零部件质量的变化而降低，其目的是确定产品是否符合规定的可靠性要求,用已交付或可交付的产品在规定条件下,作试验,所用产品要能代表生产批，同时要定义,批量的大小,2005-6-2

29、,可靠性维修性测试性保障性概论,55,规划可靠性工作的建议 把握需求，明确方向 转变观念，预防为主 明确要求，合理分解 制定规范，狠抓落实 突出重点，快出实效,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,56,规划可靠性工作的建议,把握需求，明确方向,为什么：用户的需求、竞争的压力、费用的压力 要什么：预期效益、市场表现 有什么：能投入的资源（人员、机构、设备、费用）干什么：工作项目 怎么干：要求、程序、规范,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,57,规划可靠性工作的建议,转变观念，预防为主,转变观念：可靠性是用户关注的使用特性之一，要在产品设计过程中“设计”可靠性 可靠性工程

30、：与故障作斗争，预防、发现、纠正、验证 预防为主、一次成功：故障发现在用户发现之前,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,58,规划可靠性工作的建议,明确要求，合理分解,提出产品的可靠性要求：领先或赶超对手的可以量化表示的目标，把要求分解、分配到产品各组成部分直到配套单位 在合同中明确提出这些要求 在提出要求的同时要说明对这些要求考核、验证、评估、检查的方法,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,59,规划可靠性工作的建议,制定规范，狠抓落实,结合产品特点提出工作项目，并制定工作计划 对所制定的工作项目按计划要求要有管理、技术和过程要求规范 对有关技术和管理人员进行规范培训

31、 对按规范开展的工作效果进行检查和评估 对检查和评估中发现的问题进行跟踪、归零管理,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,60,规划可靠性工作的建议 突出重点、快出实效 元器件质量控制 软件质量控制 可靠性综合环境试验 可靠性设计,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,61,规划可靠性工作的建议,元器件质量控制,建立元器件选用、设计、筛选、失效分析等全过程的质量控制办法，并严格执行，以保证型号元器件的选用状态受控、心中有数 对超出选用目录的元器件要提出专门的质量与可靠性论据，对降低质量等级选用的元器件要提出有针对性的质量与可靠性保证措施 对在试验、使用过程中失效的元器件要开

32、展进一步的失效机理分析，以判明失效是否为元器件的批次性缺陷，预防同类问题再次出现,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,62,规划可靠性工作的建议,软件,对产品软件按其重要程度划分为关键软件、重要软件和一般软件，分类管理，突出重点，对关键、重要软件的质量进行严格控制。关键软件实现软件设计与软件编码、软件编码与软件测试的岗位分离；重要软件至少要实现软件设计、编码与软件测试的岗位分离。,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,63,规划可靠性工作的建议,软件,软件配置管理，建立软件开发全过程的开发库、受控库和产品库，制定软件产品入库、出库程序及更改审批程序，使软件技术状态受控。建立计算机化软件配置管理环境和必要的管理程序。,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,64,规划可靠性工作的建议,可靠性综合环境试验,综合环境试验更接近产品实际使用环境，更能充分暴露产品缺陷 温度、湿度综合 温度、湿度、振动综合,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,65,规划可靠性工作的建议,可靠性设计,不在同一个地方跌倒：可靠性设计准则 在某产品中已出现的问题不要再次出现 在某产品中已出现的问题不要在其他类似的产品中再次出现 余度设计、热设计、自检测设计,2005-6-2,可靠性维修性测试性保障性概论,谢 谢,