基于希望点列举法的产品可靠性分析与设计Word文档格式.docx
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希望点列举法的实施主要有三个步骤,即
（1）激发和收集人们的希望;
（2）仔细研究人们的希望,以形成“希望点”;
（3）以“希望点”为依据,创造新产品以满足人们的希望｡运用希望点列举法一般可分为三步进行:
定课题;
列出希望点;
制订具体的实施方案｡
按照是否有明确的固定的创造对象,可以把希望点列举法分为两大类:
（1）目标固定型｡即目标集中在已确定的创造对象上,通过列举希望点,形成该对象的改进和创新的方案｡有人将其简称为“找希望”｡
（2）目标离散型｡即开始时没有固定的创造目标和对象,通过对全社会､全方位､各层次的人在各种不同的时问､地点､条件下的希望点的列举,寻找创新的落点以形成有价值的创造课题｡它侧重于自由联想,特别适用于群众性的创造发明活动｡有人将此类希望点列举法简称为“找需求”｡为了相对集中,也可以在列举前规定一个范围,例如,通过对老年人的希望点的列举,为老年人设计新的用品｡
希望点列举法在应用时有如下要点:
（1）重视人类需求的分析｡希望实际上是人类需求的反映｡因而,利用希望点列举法进行创造发明就必须重视对人类需求的分析｡大千世界,各种各样的人有各种各样的需求｡由于生产力的飞速发展,供不应求的时代已经成为过去,社会已经跨入一个多样化､有选择的时代,我们该怎样去寻找人们新的需求呢?
首先我们应该知道,人类有哪些需求｡
（2）注意特殊群体的需求和希望｡人们大多习惯于寻找正常人在正常条件下的需求,而忽略了某种特殊群体或正常人在特殊条件下的需求｡如盲人､聋哑人,残疾人､孤寡老人､住院病员､精神病人､左撇子和有特殊嗜好的人等等｡（3）善于发现潜在的需求｡根据国外有关资料介绍,在社会对产品的需求中,潜在需求约占60%~70%｡正因为如此,世界著名企业无不重视对潜在需求的研究｡
1.2产品的可靠性
产品的可靠性是指元件､产品､系统在一定时间内､在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性｡可靠性是和抗干扰能力是评价仪器系统质量的重要标志｡在仪器行业,导致产品不可靠的原因,设计占70﹪｡元器件､制造工艺､环境､使用方法等其他因素约占30﹪｡
可靠性是是评价仪器系统质量的重要标志,包含了耐久性､可维修性､设计可靠性三大要素｡
耐久性:
产品使用无故障性｡例如,当空间探测卫星发射后,人们希望它能无故障的长时间工作,否则,它的存在就没有太多的意义了,但从某一个角度来说,任何产品不可能100%的不会发生故障｡
可维修性:
当产品发生故障后,能够很快很容易的通过维护或维修排除故障｡像自行车､电脑等都是容易维修的,而且维修成本不高,很快能够排除故障,这些都是事后维护｡而像飞机､航母都是价格很高而且非常注重安全可靠性的要求,一般通过日常的维护和保养,来大大延长它的使用寿命,这是预防维修｡产品的可维修性与产品的结构,即设计可靠性有很大关系｡
设计可靠性:
这是决定产品质量的关键,由于人机系统的复杂性,以及人的操作失误和环境因素影响,发生错误的可能性依然存在,所以设计的时候必须充分考虑产品的易操作性,这就是设计可靠性｡一般来说,产品越容易操作,发生操作故障和安全问题的可能性就越小;
从另一个角度来说,如果发生了安全性问题,采取必要的措施和预防措施就非常重要｡例如汽车发生了碰撞后的气囊保护｡
1.3论文章节安排
本文第1章对希望点列举法和产品的可靠性的概念以及特征做了简要介绍;
第2章针对产品可靠性的几个数量指标做详细阐述,可对产品的可靠性进行量化;
第3章以舰载直升机稳瞄系统为例,具体介绍产品的可靠性分析与设计的具体方法和步骤;
第4章从产品的设计阶段以及应用阶段分别提出了提高产品可靠性的方法,并对今后的提高可靠性的发展趋势做了预测｡
2评定产品可靠性的数量指标
2.1可靠度与失效概率
产品的可靠度是指某一产品在规定的条件下,在规定的时间内,完成规定功能的概率｡概率是用数量来表示的,可靠度是对可靠性定量化的描述｡因它与时间有关,常记作R（t）,也称为可靠度（函数）,用数学公式表示为:
R（t）=P（T≥t）（2-1）
式中,T表示产品失效前的工作时间,即产品寿命｡对于规定的时间t,寿命T,有可能是T≥t,也有可能是T<
t｡由此可见,产品寿命T不小于某一规定时间t的概率P（T≥t）是t的函数,称为产品的可靠度函数,记作R（t）｡若有N0个产品从开始工作到t时刻的失效数为n（t）,则当N0足够大时产品在t时刻的可靠度近似为:
（2-2）
随着时间的增长,产品的可靠度会越来越低｡它是一个介于1与0之间的数,即0≤R（t）≤1｡
效概率指产品在规定的条件下寿命小于规定时间t的概率,失效概率又叫不可靠度､累积失效概率､失效分布函数,F（t）=P（T<
t）;
失效概率与可靠度是对立事件,即:
F（t）+R（t）=1（2-3）
（2-4）
当产品开始使用时其不可靠度为0,随着产品的使用时间的增加,其不可靠度越来越高,最终达到1｡
2.2失效率
所谓失效率（瞬时失效率）λ（t）是表示产品工作到t时刻后,单位时间内发生失效的概率｡在数值上表示工作到某时刻t后,单位时间内发生的失效产品数Δn/Δt与t时刻正常的产品数之比｡
（2-5）
可知,由可靠度R（t）可求失效率,反过来,由失效率也可求可靠度:
（2-6）
产品失效率实际上是一条件概率,它表示产品工作到时刻t的条件下,单位时间内的失效概率｡由于失效率是时间的函数,而电子元器件又常以失效率水平来表征可靠性高低的尺度｡在实际工程中,有时用平均失效率来估算瞬时失效率｡它表示失效率的平均值,在数值上等于在规定时间内的失效数与累积工作时间之比,即:
（2-7）
T是所有参加试验的元件的工作时间之和｡失效率通常有三种表示方法:
1/h,每小时失效个数;
每千小时的百分数,即%/1000h,非特,即Fit,1Fit=10-9/h｡目前我国常采用的是1/h｡
2.3浴盆曲线（BathCurve）
图2.1浴盆曲线
大多数电子产品的失效率可以用一条两边高､中间低的类似浴盆状的曲线来描述（图2.1）｡曲线的第一阶段是早期失效区（InfantMortality）｡表明产品在开始使用时,失效率很高,但随着产品工作时间的增加,失效率迅速降低,这一阶段失效的原因大多是由于设计､原材料和制造过程中的缺陷造成的｡为了缩短这一阶段的时间,产品应在投入运行前进行试运转,以便及早发现､修正和排除故障;
或通过试验进行筛选,剔除不合格品｡第二阶段是偶然失效期,也称随机失效期（RandomFailures）｡经过早期失效后,器件进入一个比较平稳的阶段｡这一阶段的特点是失效率较低,且较稳定,往往可近似看作常数,产品可靠性指标所描述的就是这个时期,这一时期是产品的良好使用阶段,偶然失效主要是由于质量缺陷､材料弱点､环境和使用不当等因素引起的突变性损坏｡第三阶段是耗损失效期（Wearout）｡由于损耗､老化和疲劳,器件的特性参数随时间缓慢变化,器件的失效率急速增加,这时已经达到寿命周期的末期｡
2.4失效概率密度
定义:
如果寿命t是一个连续型随机变量,则必存在连续函数f（t）使
（2-8）
则产品在t1——t2时间内的失效概率为:
（2-9）
2.5平均寿命
产品的平均寿命定义为:
（2-10）
对于完全样本,其平均寿命的估计可以用矩估计法,对于随机抽取的n个样
品,经过寿命试验得各样品发生故障的时间分别为t1,t2……tn;
则这n个数的算术平均值（ttt）/n12n可以作为E（t）的估计｡
3产品的可靠性分析与设计
产品的可靠性分析与设计必须全面､系统的进行,制定与贯彻可靠性设计准则,对系统的各个单体及所有组成部分进行可靠性管理､分析与设计｡针对特定产品结合希望点列举法,更是可以高效率的对具有特殊要求的产品实现可靠性分析与设计｡
3.1产品可靠性分析与设计的基本内容
产品的可靠性分析与设计内容[]基本可分为以下几个方面:
1可靠性建模､可靠性预计和可靠性指标的分配
用于定量分配､预计和评价产品的可靠性｡首先确定可靠性模型,可靠性模型是对系统及其组成单元之间的可靠性/故障逻辑关系的描述｡然后进行可靠性预计,选择可靠性预计方法,预计产品的基本可靠性和任务可靠性,评价所提出的设计方案是否满足规定的可靠性定量要求,并从中发现设计的薄弱环节,为改进设计提供依据｡最后进行可靠性指标的分配,选择合适的可靠性分配方法,将产品（装备）的可靠性指标,由上到下､由整体到局部逐级分配到规定的产品层次（分系统､设备､软件等）,以此作为可靠性设计和提出外协､外购产品可靠性定量要求的依据｡
2进行故障模式､影响及危害性分析（FMECA）
目的是对所有可能产生的故障模式及其对产品所造成的所有可能影响进行分析,并按故障模式的严酷度及其发生概率予以分类｡故障模式､影响及危害性分析（FMECA）是由“故障模式及影响分析”（FMEA）和“危害性分析”（CA）所组成｡CA是FMEA的补充和扩展,只有进行FMEA,才能进行CA｡为系统而有效地开展FMECA工作,应对准备实施的分析活动进行全面的策划,该策划应在产品研制阶段早期进行,其结果就是FMECA计划｡FMECA计划规定了产品寿命周期不同阶段所选用的FMECA方法､分析表格格式､分析的约定层次､编码体系､任务描述､故障判据､严酷度类别､所需的主要信息（输入要求）､FMECA报告（输出结果）､评审､职责与分工等主要内容､并包括完成FMECA工作的步骤､实施和工作进度要求等｡根据产品寿命周期不同阶段的需求,选用不同的FMECA方法｡
3建立故障树并进行故障树分析（FTA）
运用演绎法逐级分析,寻找导致某种故障事件的故障可能原因,直到最基本的原因,并通过逻辑关系的分析确定潜在的硬件､软件的设计缺陷,以便采取改进措施｡故障树分析（FTA）一般适用于可能会导致产生安全或严重影响任务完成的关键､重要的产品;
适用于产品工程研制阶段的设计分析和事故后原因分析｡
4潜在电路分析（SCA）
潜在电路是电子､电气系统中存在的一种设计意图之外的状态｡在一定条件下,能够导致系统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,往往表现出“突然发生”､“出人意料”､“巨大破坏性”等特点｡潜在电路对电子/电气系统的危害是巨大的,而在规模较大､组成复杂､接口众多､设计水平参差不齐的光电系统研制过程中,由于系统复杂､各级设计人员缺乏对光电产品的整体把握､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｡大多数潜在电路是在某种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（SCA）的目的就是在假设所有元器件及部件均未失效的情况下,从系统工程的角度出发,通过事先进行的分析工作,发现电路中可能存在的､或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,以保证电路的安全可靠｡
5电路容差分析
电路容差分析主要适用于系统内的关键电路｡电路容差分析工作应在产品详细设计阶段已经具备了电路的详细设计资料后完成｡根据电路的详细设计选择合适的电路容差分析方法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。
6结构可靠性分析
结构可靠性分析技术适用于飞机､舰船､导弹､装甲车等武器装备的机构可靠性分析｡结构可靠性分析的主要目的是:
a）应用结构可靠性分析结果指导结构的设计改进;
b）支持和理解结构可靠性验证（鉴定）试验;
c）与结构可靠性验证试验的结果相结合,给出结构可靠性的评定结论｡
7元器件的选择和控制
为满足产品可靠性要求,正确选择元器件品种､规格和质量等级,压缩元器件品种和规格,并对元器件的使用全过程进行控制｡元器件的选择和控制适用于所有包含有元器件的电子产品､机电产品,该项工作从光电系统研制初期就应着手,并贯穿光电系统研制全过程｡
8元器件的降额设计
通过设计有目的地降低元器件工作时实际承受的压力,以降低元器件的工作失效率,提高产品可靠性｡元器件降额设计是电子､机电产品可靠性设计的重要内容｡其工作内容是确定产品用的元器件应采用的降额等级､降额参数和降额因子（元器件工作应力与额定应力之比）｡关键元器件应保证满足标准规定的降额因子,一般元器件降额的降额因子允许做适量调整｡降额有一定的限度,通常,在相关的标准中给出的降额范围是最佳的｡过度的降额会使效益下降,产品的质量､体积增大和成本增加,有时还会使某些元器件工作不正常｡不应采用过度的降额来弥补选用低于要求质量等级的元器件,同样,也不能由于采用了高质量等级的元器件而不进行降额设计｡
9电子产品的热设计
实践表明,电子元件的故障率随元件温度的升高呈指数关系而增加,电子设备线路的性能则与温度的变化成反比｡以此为例提供电子设备的工作性能和可靠性,在进行电子设备的结构设计时,必须对设备和元件的热特性进行仔细的分析和研究,以便进行合理的热设计｡热设计的目的是控制电子产品内部所有电子元器件的温度,使其在产品所处的工作环境条件下不超过规定的最高允许温度,从而保证电子产品正常､可靠的工作｡
10冗余设计与容错设计
冗余设计主要是通过在产品中针对规定任务增加更多的功能通道,以保证在有限数量的通道故障的情况下,产品仍能够完成规定任务,容错设计是通过在设计中增加消除或控制故障（错误）影响的措施,实现提高产品任务可靠性和安全性的目的｡
按照上述的十项内容进行产品的可靠性分析与设计,就能系统的全面分析､预计和评价产品的可靠性性能,从而保证产品达到可靠性要求,但是,要完成好这一工作,需要认真､仔细和及其负责任,并投入大量的经历｡
下面将以直升机稳瞄系统设计为例,进行其前期可靠性分析｡
3.2舰载直升机稳瞄系统的可靠性分析
稳瞄系统可靠性对直升机载武器系统可靠性具有重要影响｡为了确保武器系统在整个使用寿命周期内的可靠性,需要在光电稳瞄装置设计研制过程中即对光电系统的故障与失效模式､可靠性提前进行预计分析｡
舰载直升机稳瞄装置可靠性主要影响因素包括系统平台干扰､外部冲击､环境温度､环境湿度等[],这些影响因素会造成系统结构零件失效､系统伺服传动机构精度下降或丧失､系统光学特性或者成像质量下降等失效模式｡舰载直升机稳瞄装置故障与故障模式如表3.1所示[]｡
表3.1直升机稳瞄系统可靠性影响因素与故障模式
影响因素
主要影响
失效模式
平台干扰
●平台实际刚度与理论设计刚度差异影响到光电系统刚度
●直升机平台发动机､弹炮发射对光电系统造成载荷冲击
★光电系统结构共振,造成系统结构零件､电气元件失效
★光电系统伺服结构定位或稳定精度下降或丧失
外部冲击
●直升机飞行过程中外部空气对平台及系统的气动影响
●直升机降落着舰对光电系统造成的冲击影响
★造成光电系统结构零件､电气元件损坏或结构
失效
环境温度
●直升机在不同空间高度温度变化影响到光电系统的结构和光学特性
●光电系统在不同气候条件下温度变化影响到系统的结构和光学特性
★光电系统整体温度变化,导致对温度敏感的光电
探测器件性能下降
★光电系统温度变化,引起系统内部结构零件变形
导致系统光轴失稳或者光学零件性能下降
★温度变化导致光电系统伺服传动机构轴承或轴
系变形造成系统定位或稳定精度下降或丧失
环境湿度
●海面低空盐碱腐蚀影响到光电系统结构和光学特性
★造成系统结构零件锈蚀,导致零件失效或者系统定位､稳定精度下降或丧失
★造成系统结构零件锈蚀,破坏系统结构的整体密封性,导致系统结构内部的元器件功能丧失或性能下降
★造成系统光学零件表面锈蚀或者膜层脱落,导致系统光学性能下降或丧失
据此,在产品研制过程中,对舰载直升机稳瞄装置可靠性从系统结构､光学､电气3个方面来列举希望点，进而分别进行可靠性分析｡希望点列举如表3.2。
表3.2直升机稳瞄系统可靠性希望点列举
分析角度
希望点
结构
高静态强度
高疲劳断裂强度
高结构动强度
环境适应性好
高结构热强度
光学
光学零件不易变形
光学薄膜好的粘附性
耐酸碱环境的腐蚀
电气
酸碱环境下电子器件、接口和电路的低失效率
3.2.1结构可靠性分析
在项目产品研制阶段,对于直升机稳瞄系统这种小批量装备,通过各种先进设计与分析手段进行系统结构可靠性分析预计更为有效,直升机稳瞄系统结构可靠性分析与设计可以采用传统的安全系数法､无限寿命设计､损伤容限设计､耐久性设计等方法｡直升机稳瞄系统结构可靠性包括:
系统结构静强度可靠性､结构疲劳断裂可靠性､结构动强度可靠性､结构环境强度可靠性､结构热强度可靠性等｡系统机械结构的故障原因均属耗损型故障,故障率往往不是常数｡尽管可以认为机械产品在其耗损期到来之前,在一定的使用期限内寿命分布可按指数分布来处理,但要确定具体零部件的失效率,尚无相应的机械零部件通用失效率数据可查｡所以机械结构的可靠性如果按故障率来进行定量预计,实施起来就比较困难[]｡在产品研制过程中,直升机稳瞄系统结构可靠性可以利用计算机结构仿真分析软件对系统结构件或机构在不同载荷作用下的响应和可靠性进行预估｡计算机结构响应及可靠性分析方法是对系统离散的有限元结构或机构施加确定或不确定的载荷参数,通过不同的计算方法得到系统的动态响应或者系统的失效概率或者系统对某个参数变化的敏感程度｡常用的计算机结构响应和可靠性仿真分析软件有ANSYS､MSC.Nastran等,在这些系统中可以得到光电系统结构在不同载荷作用下的响应,再进一步在其中的专用模块进行系统结构的可靠性仿真分析,例如ANSYS应用系统中的概率设计系统（PSD）､MSC.Fatigue疲劳分析系统等｡
3.2.2光学可靠性分析
光学系统的失效是属于不可修复产品失效,因此可靠性的估计值是在规定时间内完成规定功能的概率[]｡影响直升机稳瞄系统光学可靠性的因素以及造成的失效模式主要包括:
外部载荷作用造成系统光学零件应力变形破裂､系统光轴位置偏差､由于环境温度变化造成的系统光学零件变形､膜层脱落以及系统中光电传感器性能下降､近海的盐碱环境造成系统光学零件表面腐蚀等｡
直升机稳瞄系统光学器件失效模式中的零件应力变形､破裂､光轴位置偏差等可以归结为结构可靠性问题,也可以利用计算机结构可靠性分析软件进行分析估计,然后再通过相关的光学分析系统进行其光学性能可靠性分析｡对于环境腐蚀造成的光学性能失效,可以应力腐蚀开裂､无限寿命控制等方法进行计算分析｡
3.2.3电气可靠性分析
直升机稳瞄系统电气可靠性是指系统内电子设备在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力[]｡直升机稳瞄系统电气失效与故障模式主要包括:
由于环境载荷作用造成的电子器件损坏､电气接口失效､环境温度造成的电子器件功能丧失或性能下降､系统电气控制软件失效等｡目前,电子和软件产品可靠性有相应的国家和军用标准作为分析与控制的依据,直升机稳瞄系统电气可靠性分析和控制完全可以这些标准为依据来实施｡
4提高产品的可靠性的意义及方法
确保产品的可靠性毋庸置疑，更高的产品可靠性可以带来经济、安全、环保等实际效益。
对企业（国家）竞争力可靠性技术是产品竞争的武器，在激烈的国际市场竞争中，只有可靠性高的产品及企业才能幸存下来。
瑞士的手表、家电、办公用具等能够畅销全球，根本原因是由于其质量和可靠性高。
我国的产品，以电梯为例，平均使用寿命（指两次大修期的间隔时期）为3年左右，而国外的电梯平均寿命在10年以上，是我们的3倍；
故障率，国外平均为0.05次，而我国为1次以上，高出20倍。
抓好可靠性工作，不仅关系到企业生存和发展的大问题，也是关系到国家经济兴衰的大问题。
本文针对产品设计生产阶段以及应用阶段分别进行了提高产品可靠性的必要性分析以及方法。
4.1设计生产阶段提高产品的可靠性
从经济投入的角度考虑，对产品的草图设计阶段、系统设计阶段、生产阶段、出厂阶段等不同时期的投资方案不同，带来不同的经济效益。
不同的投资方案带来的不同投资费用如图4.1。
从图中可以看出，从前期的产品设计阶段针对可靠性的投资越大，产品的可靠性越高，出场后产品的返工率越低，总投资越低。
反之，在设计阶段可靠性的投资越低，后期产品可靠性投资越大，尤其是出厂后的返修率越高，总投资远高于前者。
此现象从图4.2中可以更直观的看出。
因此，在设计阶段采取措施，提高产品的可靠性，耗资最少，效果最佳。
美国的诺斯洛普公司估计，在产品的研制、设计阶段，为改善可靠性所花费的每一美元，将在以后的使用维修方面节省30美元，回报率百分之三千。
美国GE公司经过分析认为，对于发电、冶金、矿山、运输等连续作业的设备，即使可靠性提高1%，成本提高10%也是合算的，因为提高产品的可靠性，可以减少停机时间，提高设备使用效率，可以发挥几倍的效益。
上述分析证明了从设计生产阶段提高产品可靠性的必要性，同时也从侧面提出了提高产品可靠性的方法，即加大产品在设计阶段的投资力度，力求全面进行可靠性的分析与设计预期，降低产品应用阶段的失效率。
在前期设计过程中需要全面考虑影响产品可靠性的各方面因素，并应用希望点列举法，更有针对性的提高产品的可靠性，会使得设计过程具有更高的效率。
图4.1产品的不同投资方案与费用曲线
图4.2可靠性与经济性的关系
4.2应用阶段提高产品的可靠性
应用阶段的产品可能处于较为严酷的工作环境,影响可靠性的种种
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