可靠性分析课程论文讲解.docx
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可靠性分析课程论文讲解
可靠性分析
一 可靠性概念
产品在规定条件下和规定的时间内完成规定功能的能力叫产品的“可靠性”。
通俗地说，产品故障出的少，就是可靠性高。
可靠性的概率度量叫可靠度，用R（t）表示。
设N个产品从时刻“0”开始工作，到时刻t失效的总个数为n（t），当N足够大时
R（t）≈[N－n（t）]/N=N（t）/N
这里边重点是产品、规定条件、规定时间、规定功能。
产品：
硬件（汽车、电视机等）、流程性材料（水泥、燃油、煤气等）、
软件（程序、记录等）、服务（理发、导游等）。
规定条件：
主要指自然、人文等环境。
规定时间：
指时间段或某一时刻。
规定功能：
产品所应达到的能力和效果。
我们这里讲到的产品可靠性通俗说就是我们研制生产的设备或系统在用户所处的环境中使用时实现其应有的技战术性能的能力。
产品的可靠性变化一般都有一定的规律,其特征曲线如图1所示,由于其形状象浴盆,通常称之为“浴盆曲线”。
在实验和设计初期,由于产品设计制造中的错误、软件不完善以及元器件筛选不够等原因而造成早期失效率高;通过修正设计、改进工艺、老化元器件、以及整机试验等,使产品进入稳定的偶然失效期;使用一段时间后,由于器件耗损、整机老化以及维护等原因,产品进入了耗损失效期。
这就是可靠性特征曲线逞“浴盆曲线”型的原因。
在国际上，可靠性起源于第二次世界大战，1944年纳粹德国用V-2火箭袭击伦敦，有80枚火箭在起飞台上爆炸，还有一些掉进英吉利海峡。
由此德国提出并运用了串联模型得出火箭系统可靠度，成为第一个运用系统可靠性理论的飞行器。
当时美国海军统计，运往远东的航空无线电设备有60％不能工作。
电子设备在规定使用期内仅有30％的时间能有效工作。
在此期间，因可靠性问题损失的飞机2.1万架，是被击落飞机的1.5倍。
由此引起人们对可靠性问题的认识，通过大量现场调查和故障分析，采取对策，诞生了可靠性这门学科。
上述例子充分证明了装备可靠性的重要。
因此现代武器装备既要重视性能，又不能轻视可靠性。
要获得装备的高可靠性，目前通用的做法是采用工程化的方法进行设计和管理。
下面我们介绍一下可靠性工程方法的一些基本内容。
也是目前我们工作中常用到的内容。
二 常用的可靠性工程技术指标
2.1常用参数
实际工作中我们常遇到的表征电子系统产品可靠性的工程技术。
2.2定义
2.2.1可用性
产品在任一随机时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度。
可用性的概率度量叫“可用度”，用“A”表示。
可用性描述了在要求的外部资源得到保证的前提下，产品在规定的条件下及随机规定的时刻处于可执行规定任务的能力。
2.2.2固有可用度
仅与工作时间和修复性维修时间有关的一种可用性参数。
其度量方法为：
产品的平均故障间隔时间和平均故障间隔时间、平均修复时间的和之比。
2.2.3使用可用度
它是与能工作时间和不能工作时间有关的一种可用性参数。
其度量方法为：
产品的能工作时间与能工作时间、不能工作时间的和之比。
2.2.4MTBF
它是在规定的条件下和规定的时间内，产品处于规定状态的总数与这段时间内故障总数之比。
它是可修复产品的一种基本参数。
对于一批产品来说
式中ti为第i个产品无故障工作时间，N为产品的数量。
2.2.5故障率（λ）
产品工作到t时刻后的单位时间内发生失效的概率。
它是在规定的条件下和规定的时间内，产品的故障总数和寿命单位总数之比。
它是可靠性的一种基本参数。
设有N个产品，从t＝0时刻开始工作，到时刻t时的失效数为n（t），即t时刻残存产品数为N－n（t），又若在（t+Δt）时间内，有Δn（t）个产品失效。
λ（t）=[n（t+Δt）－n（t）]/[N－n（t）]/Δt=Δn（t）/[N－n（t）]/Δt
2.3相互关系
Ai=MTBF/（MTBF+MTTR）
A0=MTBF/（MTBF+MTTR+MLDT）
其中MTTR为平均修复时间，MLDT为平均维修保障延误时间。
当MLDT=0时，A0=Ai，这就说明了合同参数与实际使用之间的差异，而说明这一点的目的，就是要指出我们在做设计时除了要考虑合同要求，还应该考虑客观因素的影响，才能保证生产出来的产品真正满足实际使用要求。
三 产品可靠性模型
3.1建立可靠性模型的作用和意义
（a）建立系统可靠性模型是可靠性工程重要工作项目，是可靠性保证大纲规定的必做的工作项目之一。
（b）建立系统可靠性工作模型是可靠性指标与维修性指标分配和预测的基础工作。
（c）建立系统可靠性模型是可靠性分析、估算、评价的工具。
（d）建立系统可靠性模型是对系统最佳方案权衡和优化设计首先应完成的工作项目。
（e）建立系统可靠性模型是进行可靠性设计重要措施之一。
如冗余设计等。
3.2建立可靠性模型的步骤
3.2.1产品定义
（1）确定产品的任务和工作模式。
（2）规定产品及其分系统的性能参数及容许界限。
（3）确定产品的物理界限及功能接口。
（4）确定构成任务失效的条件。
（5）确定产品的寿命剖面和任务剖面。
对于建立基本可靠性模型，一定要明白：
产品组成和框图结构、寿命剖面。
3.2.2确定产品可靠性框图
根据产品定义的结果，将产品组成部分按工作流程以框图的形式类别表示出来。
对于基本可靠性模型，框图都是串联的。
如接收机框图从工作原理讲，本振只与混频器相连，电源与所有电路都相连，这里不考虑这些。
在此需要补充说明的是：
特别是对于大型复杂的系统，随着设计工作的从系统级向分系统级、设备级等等逐级展开，就要在各个设计级别绘制一系列的可靠性框图，这些可靠性框图是越画越细，而且要有可追溯性。
主要是便于预测工作由器件级向上开展，便于考虑模块级备份和冗余。
编制可靠性框图应注意：
（1）框图的标题和任务。
（2）方框的顺序和标志。
（3）列出未记入模型的单元。
3.2.3确定计算产品可靠性的数学模型
对于有m个单元所组成的系统来说，其可靠性数学模型可以表示为：
当各单元的可靠度都符合指数规律
时，可
因而有
以上述接收机为例，其可靠性数学模型为：
当组成系统的分系统可靠度相同且服从指数分布时，λ为常数，则：
目前讲到的可靠性模型适用于寿命服从指数分布的电子设备，而
机械零部件为次要成分，其失效率也低。
对于目前生产的电子设备，可
忽略不计。
如果产品既有电子元器件又有机械零部件，且为串联结构，
则其可靠性数学模型为
软件可靠性未纳入系统可靠性模型时，应假设整个软件是完全可靠的。
四 产品可靠性预测与分配
4.1可靠性预测的目的
（a）可靠性预测作为一种设计工具，可从可靠度、性能、费用、研制周期等选择最佳的设计方案。
其中早期预测着重于方案的现实性和可能性研究。
（b）选择了某一设计方案后，通过可靠性预测可发现设计的薄弱环节，以便及时改进。
（c）通过可靠性预测可以推测产品能否达到规定的可靠性要求。
（d）可靠性预测结果不仅用于指导设计，还可以为转阶段决策提供信息，为可靠性试验、制定维修计划、保障性分析、安全性分析、生存性评价等提供信息。
后期预测着重于对设备的可靠性进行评价或提出硬件改进建议。
（e）为可靠性指标的分配和可靠性保障设计提供依据。
可靠性预测可以发现哪些元件或子系统是造成系统失效的主要因素；找出薄弱环节之后，便可采取必要的改进措施；以减小整个系统的失效率，提高系统的可靠性。
可靠性预测是可靠性设计的重要内容，它包括元件可靠性预测和系统可靠性预测。
下面分别加以讨论。
4.2元件可靠度预测预测系统的可靠度通常是以预测系统中的元件或组件的可靠度为基础。
所有元件的可靠度确定以后，把这些元件的可靠度适当地组合起来就可以得出系统的可靠度。
因此，首先碰到的问题就是如何预测元件的可靠度。
第一步是确定基本失效率G它是在一定的使用（或试验）条件和环境条件下得出的。
设计时可以从可靠性手册上查得，也可通过可靠性试验求得。
第二步是确定应用失效率即元件在现场使用中的失效率。
从两方面得到：
1）根据不同的应力环境，对基本失效率乘上适当的修正因子（系数）得到，2）直接采用从实际现场应用中收集到的失效率数据。
这里提出失效率的修正系数KF值，因此应用失效率为：
第三步是确定元件的可靠度。
大多数可靠度预测时采用都是指数分布。
即：
现有的绝大多数失效率数据都是基于常失效率的假设推出的，或者至少是基于这个假设预测的。
这种假设是基本符合实际情况的，因为大多设备（系统）线路都经过老化等试验，工作在偶然失效期，失效率基本上保持常数。
4.3系统可靠性预测系统（或线路）的可靠性是与元件的数量、元件的可靠性以及元件之间的相互关系有关。
可靠性预测方法有；（a）回归分析法；（b）相似产品法；（c）相似电路法；（d）专家评分法；（e）有源单元估算法；（f）元件计数法；（g）应力分析法；（f）蒙特卡洛法。
这里重点介绍元件计数法、应力分析法、蒙特卡洛法
4.3.1计数法
元器件计数可靠性预测法是根据设备中各类元器件的数量及该元器件通用失效率、元器件质量等级和设备的应用环境类别来估算设备可靠性的一种方法，其计算设备失效率的数学表达式为：
式中λ设备———设备总失效率
λGi———第i种元器件的通用失效率
πQi———第i种元器件的通用质量系数
Ni———第i种元器件的数量
n———设备所有元器件的种类数目
其基本程序为：
（a）列出设备的元器件种类及每类元器件的数量，质量等级和设备的应用环境类别。
（b）从相关资料中，查找各类元器件在该环境类别下的通用失效率λG，以及通用质量系数πQ。
（c）将前两个步骤所得的数据填入失效率预测表内。
（d）按公式分别计算不同应用环境下的设备失效率，假设某系统由两台设备组成，一台使用在室外固定，一台使用在地面移动，那在计算该系统的失效率时，应分别计算设备1和设备2的失效率。
再假设两台设备一模一样，那计算设备1和设备2的失效率时，公式中的λG取值不同，具体参数首先确定使用环境类型，再根据类型代号从相关材料中查找对应器件的λG值。
其余参数相同。
（e）将组成设备的各部分失效率相加，计算整个设备系统的总失效率及其MTBF等可靠性指标。
4.3.2应力分析法
元器件应力分析可靠性预测法是通过分析元器件所承受的应力，计算元器件在该应力条件下的工作失效率来预测设备的可靠性。
元器件在不同应力条件下其失效率不同。
在普通场合，这些应力主要的是电应力和环境应力。
元器件应力分析可靠性预测法较全面的
考虑了电、热和其它气候、机械环境应力等因素对元器件失效率的影响。
通过分析设备上各元器件工作时所承受的电、热应力及了解元器件的质量等级，承受电、热应力的额定值，工艺结构参数和应用环境类别等，利用手册给出的数值、图表和失效率模型，来计算各元器件的工作失效率，由此预测电子设备的可靠性水平。
其预测的主要程序：
（a）分析各元器件的应用方式，工作环境温度及其它环境应力，以及负荷电应力比等工作应力数据。
（b）汇编设备的元器件详细清单，清单内容包括：
元器件名称，型号规格，数量，产品标准，性能额定值及有关的设计、工艺、结构参数和工作应力数据等。
在采用应力分析进行预测时，大多数元器件种类分别有基本失效率模型和工作失效率模型。
基本失效率模型一般考虑温度和电应力对元器件失效率影响。
而工作失效率模型除反映温度、电应力等基本因素外，还包括其它多种的对元器件失效率影响的因素。
一般（集成电路除外）表示为：
反映电应力（S）、温度应力（T）影响的基本失效率（λb）与其余影响失效率的质量因子、环境因子、设计、工艺、结构因子以及应用因子（π系数）等一系列修正因子的乘积。
集成电路失效率计算除考虑上述因子外，还应考虑结温、电路复杂度、封装复杂度等因子。
4.3.3蒙特卡洛法（montecarlo）蒙特卡洛法是用随机抽样方法，根据可靠性框图进行可靠性预测。
概率论中大数法则表明：
样本量越大，样本均值作为母体均值的估计就越精确。
从随机数表中任意抽取一组随机数，均在0.01到1.00之间，将这些随机数分别与系统中各单元无故障工作概率Pi或可靠度Ri进行比较，并规定：
某一随机数等于或小于Pi，则第i单元是工作的，否则应定为失效。
对系统中每个单元都进行这样的比较，以确定系统中每个单元的工作状态，再根据系统的逻辑图来确定系统是成功或失败，如此相当于完成一次对系统的随机抽样试验。
这样的试验次数n至少要统计100次，然后统计系统完成任务的次数s，则系统可靠度预测值可以用下式估计：
现用下述例子来说明具体方法：
设某系统的可靠性方框图如图所示。
假设单元A,B,C的可靠度分别为R1、R2、R3。
其中第1个单元A（设R1=0.80），用计算机的随机数发生器输入一个随机数,根据第1个随机数来决定这个单元的成功或失效。
如果这个随机数小于0.7999,则表示该单元正常,若在0.8~0.9999,则表示单元失效。
根据逻辑图，要把另1个随机数输入到框图的下一单元B,新的随机数便决定这一单元的成功或失效。
如果对单元A发出的随机数大于0.80,但他还有并联单元C,给单元C发出一个随机数,与该单元的可靠度比较后,确定其成功或失效。
若失效,而系统又没有其他并联单元了,则表示系统失效。
上述过程一结束,记下失效次数。
若成功,则又对单元B发出新的随机数,与B单元可靠度比较成功后,则表示系统成功,记下成功次数。
这个过程要反复进行到要求的试验次数N为止。
进行模拟的次数越多,预计值越接近实际情况。
下图为蒙特卡洛法的计算机程序流程图。
4.4可靠性分配可靠性分配是把系统规定的可靠性指标按照一定的程序分给分系统及元件，以便复杂问题的处理得以简化并便于检验，它是一个由整体到局部，由大到小，由上到下的过程。
要进行分配，就必须明确目标函数与约束条件。
随着目标函数和约束条件的不同，可靠性分配的方法也因之而异。
有的以可靠度指标为约束条件，给出系统要求达到的可靠度值，而以在这一限制下，使重量、成本等其它的系统参数尽可能小。
作为目标函数，有的则给出重量、成本等的界限值，要求作出使系统可靠度尽可能高的分配．一般应根据系统的用途，视哪一些参数应予优先考虑来选定设计方法。
在优化设计上实际为带约束的优化问题。
可靠性分配有许多方法，随掌握可靠性资料的多少、设计的阶段以及目标和限制条件的不同而不同。
几种常用的方法：
等分配法、再分配法、比例分配法、综合评分法。
五 可靠性设计技术
5.1降额设计
所谓降额设计,就是使元器件运用于比额定值低的应力状态的一种设计技术。
为了提高元器件的使用可靠性以及延长产品的寿命,必须有意识地降低施加在器件上的工作应力（如:
电、热、机械应力等）,降额的条件及降额的量值必须综合确定,以保证电路既能可靠地工作,又能保持其所需的性能。
降额的措施也随元器件类型的不同而有不同的规定,如电阻降额是降低其使用功率与额定功率之比;电容降额是使工作电压低于额定电压;半导体分立器件降额是使功耗低于额定值;接触元件则必须降低张力、扭力、温度和降低其它与特殊应用有关的限制。
电子元器件的降额,通常有一个最佳的降额范围,在这个范围内,元器件的工作应力的变化对其失效率有显著的影响,设计也易于实施,而且不需要设备在重量、体积、成本方面付出太大的代价。
因此,应根据元器件的具体应用情况来确定适当的降额水平。
因为若降额不够则元器件的失效率会比较大,不能达到可靠性要求;反之,降额过度,将使设备的设计发生困难,并将在设备的重量、体积、成本方面付出较大的代价,还可能使元器件数量产生不必要的增加,这样反而会使设备可靠性下降。
降额的等级分为三个等级,分别称为Ⅰ级降额、Ⅱ级降额和Ⅲ级降额。
Ⅰ级降额是最大降额,超过它的更大降额,元器件的可靠性增长有限,而且使设计难以实现。
Ⅰ级降额适用于下述情况:
设备的失效将严重危害人员的生命安全,可能造成重大的经济损失,导致工作任务的失败,失败后无法维修或维修在经济上不合算等。
Ⅱ级降额指元器件在该范围内降额时,设备的可靠性增长是急剧的,且设备设计较Ⅰ级降额易于实现。
Ⅱ级降额适用于设备的失效会使工作水平降级或需支付不合理的维修费用等场合。
Ⅲ级降额指元器件在该范围内降额时设备的可靠性增长效益最大,且在设备设计上实现困难最小,它适用于设备的失效对工作任务的完成影响小、不危及工作任务的完成或可迅速修复的情况。
5.2热设计
由于现代电子设备所用的电子元器件的密度越来越高,这将使元器件之间通过传导、辐射和对流产生热耦合。
因此,热应力已经成为影响电子元器件失效率的一个最重要的因素。
对于某些电路来说,可靠性几乎完全取决于热环境。
所以,为了达到预期的可靠性目的,必须将元器件的温度降低到实际可以达到的最低水平。
有资料表明:
环境温度每提高10℃,元器件寿命约降低1/2。
这就是有名的“10℃法则”。
热设计包括散热、加装散热器和制冷三类技术,这里笔者主要谈一谈散热技术。
应用中常采用的方法:
第一种是传导散热方式,可选用导热系数大的材料来制造传热元件,或减小接触热阻并尽量缩短传热路径。
第二种是对流散热方式,对流散热方式有自然对流散热和强迫对流散热两种方式。
自然对流散热应注意以下几点:
●设计印制板和元器件时必须留出多余空间;
●安排元器件时,应注意温度场的合理分布;
●充分重视应用烟囱拨风原理;
●加大与对流介质的接触面积。
强迫对流散热方式可采用风机（如计算机上的风扇）或双输入口推拉方式（如带换热器的推拉方式）。
第三种是利用热辐射特性方式,可以采用加大发热体表面的粗糙度、加大辐射体周围的环境温差或加大辐射体表面的面积等方法。
在热设计中,最常采用的方法是加散热器,其目的是控制半导体的温度,尤其是结温Tj,使其低于半导体器件的最大结温TjMAX,从而提高半导体器件的可靠性。
半导体器件和散热器安装在一起工作时的等效热路图如图2所示。
图中各参数的含义如下:
RTj—半导体器件内热阻,℃/W;
RTc—半导体器件与散热器界面之间的界面热阻,℃/W;
RTf—散热器热阻,℃/W;
Tj—半导体器件结温,℃;
Tc—半导体器件壳温,℃;
Tf—散热器温度,℃;
Ta—环境温度,℃;
Pc—半导体器件使用功率,W。
根据图2,散热器的热阻RTf应为:
RTf=（RTj-Ta）/PC-RTJ-RTc
散热器热阻RTf是选择散热器的主要依据。
Tj、RTj是半导体器件提供的参数,Pc是设计要求的参数,RTc可以从热设计专业书籍中查到。
下面介绍一下散热器的选择。
（1）自然冷却散热器的选择
首先按以下式子计算总热阻RT和散热器的热阻RTf,即:
RT=（TJmax-Ta）/Pc
RTf=RT-RTj-RTc
算出RT和RTf之后,可根据RTf和Pc来选择散热器。
选择时,根据所选散热器的RTf和Pc曲线,在横坐标上查出已知Pc,再查出与Pc对应的散热器的热阻R′Tf。
按照R′Tf≤RTf的原则选择合理的散热器即可。
（2）强迫风冷散热器的选择
强迫风冷散热器在选择时应根据散热器的热阻RTf和风速v来选择合适的散热器和风速。
5.3冗余设计
冗余设计是用一台或多台相同单元（系统）构成并联形式,当其中一台发生故障时,其它单元仍能使系统正常工作的设计技术。
冗余按特点分为热冗余储备和冷冗余储备;按冗余程度分,有两重冗余、三重冗余、多重冗余;按冗余范围分,有元器件冗余、部件冗余、子系统冗余和系统冗余。
这种设计技术通常应用在比较重要,而且对安全性及经济性要求较高的场合,如锅炉的控制系统、程控交换系统、飞行器的控制系统等。
5.4电磁兼容性设计
电磁兼容性设计也就是耐环境设计。
首先要明白什么是电磁兼容性问题,电磁兼容性问题可以分为两类:
一类是电子电路、设备、系统在工作时由于相互干扰或受到外界的干扰使其达不到预期的技术指标;另一类电磁兼容性问题就是设备虽然没有直接受到干扰的影响,但不能通过国家的电磁兼容标准,如计算机设备产生超过电磁发射标准规定的极限值,或在电磁敏感度、静电敏感度上达不到要求。
为了使设备或系统达到电磁兼容状态,通常采用印制电路板设计、屏蔽机箱、电源线滤波、信号线滤波、接地、电缆设计等技术。
印制电路板在设计布置时,应注意以下几点:
●各级电路连接应尽量缩短,尽可能减少寄生耦合,高频电路尤其要注意;
●高频线路应尽量避免平行排列导线以减少寄生耦合,更不能象低频电路那样把连线扎成一束;
●设计各级电路应尽量按原理图顺序排列布置,避免各级电路交叉排列;
●每级电路的元器件应尽量靠近各级电路的晶体管和电子管,不应分布得太远,应尽量使各级电路自成回路;
●各级均应采用一点接地或就近接地,以防止地电流回路造成干扰,应将大电流地线和小电流回路的地线分开设置,以防止大电流流进公共地线产生较强的耦合干扰;
●对于会产生较强电磁场的元件和对电磁场感应较灵敏的元件,应垂直布置、远离或加以屏蔽以防止和减小互感耦合;
●处于强磁场中的地线不应构成闭合回路,以避免出现地环路电流而产生干扰;
●电源供电线应靠近（电源的）地线并平行排列以增加电源滤波效果。
5.5漂移设计技术
产生漂移的原因主要是元器件的参数标准值与实际数值存在公差、环境条件变化对元器件性能产生影响或是使用在恶劣环境而导致元件性能退化等因素。
如果元器件参数值发生的漂移超出其设计参数范围,就会使设备或系统不能完成规定的功能。
漂移设计是通过在设计阶段根据线路原理写出特性方程,然后通过收集元器件的分布参数来计算它们的漂移范围以使漂移结果处在设计范围内来保证设备正常使用的一种设计方法。
5.6互连可靠性设计
由于在大部分电子产品中都有接插件,为了降低这些连接部分的故障率,因此有必要进行互连可靠性设计,常采用的方法有:
●注意接插件的选型,印制电路板应尽量采用大板或多层板,以减少接插点;
●尽量减少可拔插点,以提高其可靠性,重要部位可采用冗余设计;
●两个插头同时相对时,应采用将其中一个固定,另一个浮动的方式,来保证对准和拔插;
●采用机械固定方式;
●对于常插拔的部件,最好设计成单面走线;
●连接空间应进行有序分割;
●馈线和地线应隐蔽安装。
六 可靠性分析应用――CAN总线的冗余设计及可靠性研究
6.1无冗余的CAN总线系统及其可靠性
典型的无冗余CAN总线控制系统主要有两种形式，示意图分别如图所示。
它们都是由微控制器、CAN控制器、CAN驱动器以及CAN总线等组成的，它们之间的差别主要是在于选择CAN控制器的种类不同，一种选择的是独立的CAN控制器，另一种选择的是自带有CAN控制器的微控制器。
下图所示的是最经典的采用独立CAN控制器的的控制系统。
下图所示内容则是采用的自带CAN控制器的微处理器的CAN总线控制系统，这种系统由于元器件集成度较高，能省去一些接口电路的设计，因此其可靠性也相对较高。
根据无冗余CAN总线系统的特性分析后对其建立可靠性模型，如下图所示。
模型中
代表传输导线的单位失效率，L代表传输导线的总
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