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三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三三
目
次
专家论坛
装备可用度——武器系统的一项关键性能参数（二）…………………………………………………曾天翔（1）
可靠性设计、试验与评价
基于磨损特征的应急逃逸锁紧装置的可靠性设计与分析…………………………李欢欢张建国宫綦（4）板级电子产品可靠性设计知识库研究………………………………………………………周璇任羿（8）电动执行机构可靠性仿真评价技术及应用…………………………………………………邓华张建国（14）
测试性、维修性、保障性
考虑备件约束的多部件系统可用度计算模型……………………………王乃超马麟郭霖瀚肖波平（17）航空装备故障诊断方法与应用……………………………………………任志强韩美林李鸿侯波（20）以活动为中心的装备保障费用预测方法…………………………………龚盈盈郭霖瀚马麟王乃超（25）基于AnyLogic 的修复性维修过程建模仿真与分析………………………………崔亦谦郭霖瀚王恺（33）
元器件、零部件质量与可靠性
装甲装备传动系统摩擦元件失效分析…………………………………刘文宝孟祥辉李林宏王少华（40）
软件质量与可靠性
基于程序谱与统计诊断的软件故障定位方法……………………………………赵星宇杨顺昆陆民燕（44）
简讯
▲美国加紧推行无限射频识别技术（FRID ）…………………………………………………………张宝珍（13）▲《可靠性·维修性·保障性技术丛书》出版…………………………………………………………………
（32）封3北京航空航天大学可靠性工程研究所科研成果“可靠性维修性保障性与性能一体化技术集成体系
和应用平台”获2011年国防科学技术进步一等奖………………………………………………冯
强
第11卷第1期(总第41期)
(按季出版)2012年3月
可靠性工程
1装备可用度的评估[1，2]
在系统研制过程中，必须对武器系统的装备可用度A M的目标值进行评估，包括定性和定量评估。首先进行定性评估，评价系统是否有能力达到所规定的A M目标值，接着进行定量评估，估计系统能够达到的A M目标值是多少。
1.1定性评估准则
为了在研制初期判断新研系统是否能达到规定的A M目标值，必须进行定性评估。美军联合参谋部后勤理事会维修分部颁发的“持续保障关键性能参数指南”提供了用于评估项目是否具备了达到装备可用度A M目标的能力的评估准则，其8条准则分述如下。
（1）是否有证据表明对系统及其使用计划进行了全面综合分析，包括对计划的使用环境、使用频度、可靠性备选方案、维修方法以及供应链解决途径等的分析，可为计算A M提供支持？
（2）是否考虑了将投入作战使用的系统总数？
（3）对故障、任务关键系统和系统能工作与不能工作的统计原则是否有专门的定义？（4）是否明确定义了A M参数并说明了规定的使用寿命，即从初始部署到退役的时间（寿命周期剖面图解法是描述使用寿命的一种有效方法）？
（5）持续保障的总体方案是什么？它与作战使用方案、设计基准任务等是否相协调？
（6）所有计划的不能工作时间（MDT）是否已明确并包括了各种情况下的MDT？所使用的分析软件包是否支持MDT的计算？是否列出了数据的来源？MDT的数值与其相似系统的数值差别多少？
（7）是否指出了由故障引起的MDT？所用的故障率数据是否是通过分析得到的？对故障是否有明确的定义？
（8）数据的来源是否明确？A M的计算模型与跟踪将采用的模型是什么？
1.2定量评估方法与模型
国防部和联合参谋部明确要求各个采办项目需要通过对影响A M的各种因素做全面深入分析，进行定量评估，以确定A M的目标值。
系统研制试验和使用试验可用来获得构成A M 的某些组成要素（如MTBF和MTTR）的数据，但只有当系统完成了部署之后，在使用与保障阶段才能收集到评估A M的全面数据。因此，在工程研制与制造阶段，对于结构简单的，供应和维修方案也比较简单的系统，可采用确定性的解析法来评估A M的目标值；对于大型复杂系统，则采用建模仿真方法进行评估。
1.2.1带备用系统的A M评估模型
如飞机的供电系统、飞行控制系统等是常见的带备用系统的系统。当一种带有备用系统的系统投入外场使用时，其A M的评估模型为
A M=N O/N T(1)式中：N O为目前可用的系统数量；N T为列编的系统总数量。
装备可用度
——武器系统的一项关键性能参数(二)
曾天翔
（中国航空工业发展研究中心，北京100012）摘要：首先介绍了装备可用度（A M）评估，包括定性评估准则和定量评估方法与模型，介绍各种类型武器系统的定量评估方法与模型以及建模仿真评估方法，接着讨论了装备可用度（A M）转换成使用可用度
(A O)的原因和方法。
关键词：装备可用度A M；使用可用度A O；关系和应用
收稿日期：2011－03－14；修订日期：2011－06－10
作者简介：曾天翔（1937-），男，研究员，研究方向：可靠性工程。
E-mail：zengtx@https://www.doczj.com/doc/7d1867442.html,
需注意，在某指定时间点上列编系统的总数量，系指所有生产完毕且被接收并投入作战使用的系统总数量减去由于战斗消耗、计划内退役、事故损失、或其他原因造成的系统损失后的数量。
只有当比原计划的数量更多的系统处于不能工作状态时，而且在A M要求确定过程中，如果备用系统定义为处于不能工作状态，这时A M才会下降。例如，一个项目，总计采购100个系统，其中75个执行作战任务，25个作为备用系统。该种系统的最大设计A M是0.75。当将备用系统用来替代出故障的或退役的系统（为便于讨论，假设替换是实时发生的）后，执行作战任务的系统就会仍然保持为75个，A M会一直保持在0.75。只有当26个或更多的系统在同一时间处于不能工作状态，A M值才会跌到设计目标以下。
1.2.2不带备用系统的系统A M的评估模型
对于常见的不带备用系统的系统如舰船、运输机和电话网络等，在所有采办的系统投入使用后，就会一直保持工作状态，除非需要维修。在这种情形下，A M的计算公式为
A M＝T U/（T U＋T D）＝T BM/（T BM＋T MD）（2）式中：T U为能工作时间，即系统能执行指定任务的时间；T D为不能工作时间，即系统不能执行任务的时间，等于总时间减能工作时间；T BM为平均维修间隔时间，即系统脱离作战使用而接受维修的平均间隔时间；T MD为平均不工作时间，即在预定的保障结构中所期望的系统平均不能工作时间。
须注意的是，此处定义的“不能工作时间”包含所有临时性的非作战使用状态（即大修基地修理、等待分配给作战部队等）所占用的时间。
平均不能工作时间（MDT）值通常在形成初始作战能力（IOC）后才能确定。在形成IOC前评估A M 值，必须运用MDT的组成要素（如平均管理延误时间、平均后勤延误时间、平均修复时间等）进行评估。这些估计值，在系统的计划使用和保障方案下，应当是合理的。在进行维修活动验证时，估算的平均修复时间（MTTR）值就必须尽可能由实际测量值所替换。
1.2.3作为其他系统一部分系统的A M的评估模型
对于作为其他系统一部分研制的系统，例如航空母舰的弹射器、通信系统和密码设备等，如果不能在外场更换，通常又不带备用系统，如航空母舰的弹射器，其A M值应遵照1.2.2节公式（2）计算；如果能在外场更换，通常带有备用系统，如通信系统和密码设备，其A M值应遵照1.2.1节公式（1）计算。
1.2.4一次性使用系统A M的评估模型
一次性使用系统（如导弹或弹药）通常拥有大量库存以随时补充被消耗的资源，是一种必须考虑的特殊情况。应当用文件说明库存中用于补给的系统占的百分比；以及库存中用于补给的系统是处于“能工作”还是“不能工作”状态。
举例来说，当计算导弹可达到的A M时，应当考虑到下述相关因素，正确建立有关作战、维修、消耗和后勤等活动的模型：
（1）作战发射频率、部署的发射平台数量、计划导弹装载量、耐久性（重新安装或重新检验前的最长工作时间）；
（2）维修耐久性、使用前机内测试（BIT）/故障率、检查、贮存可靠性、击中可靠性、废弃率；（3）消耗消耗率、消耗的导弹对A M的影响（因为每一枚消耗的导弹都不再是库存品，项目必须详细说明在计算A M时，消耗的导弹是如何处理的）；
（4）后勤大修基地平均修复时间、转移次数/测试设备数量（在投入外场使用初期，经常得不到此项数据）、运输时间（在修理和改进期间，作业点到作业点的移动）。
在导弹领域，出现以下情况是完全可能的：即前线作战部队的导弹具有百分之百的使用可用度，而整个库存导弹的装备可用度却低得多。因此，如何评估A M的详细内容，在项目方案制定期间就应确定，并且写入项目系统工程文件。
1.2.5建模与仿真评估
随着系统复杂性的增加，定义系统所必需的变量数也在增加，加之系统使用中的修理、补给、局部降级、可变的任务参数、可变的工作参数以及其他可变复杂因数，大型复杂的系统采用确定性的解析方法所得出的A M评估结果可能有较大的误差。因此，对于大型系统，或者具有复杂的使用规则或所处的状态与要求都在变化的系统，在还要同时考虑后勤因素等的情况下，通常采用建模与仿真方法来评估系统的A M目标值。
当综合考虑列编系统和服役系统的数量、系统的使用与保障方案以及人力、备件、设施、保障设备和其他资源对A M的影响时，采用仿真模型来评估A M
是最好的方法。它的优点在于能够改变系统的使用及维修情况并度量这些变化对A M 的影响；能够评价系统A M 与性能、费用、进度等参数间的交互影响，并可通过权衡研究，使A M 要求与性能、费用、进度要求间达到一个最佳平衡点；还可以提高效率、减少
时间和费用。然而，值得注意的是：
其一，采用建模与仿真方法评估时，A M 模型的
可信性取决于分析过程中使用的数据的有效性。系统研制早期的分析必须利用使用环境、任务、使用及保障方案等方面相似的已有系统的数据，用以估计新研系统的设计和保障方案的相对正确性。
其二，建模与仿真不能替代试验与评价，它们之间是相互结合和相互依赖的。建模与仿真可以预测系统的性能和A M ，而试验与评价可以提供有关风险信息，验证建模的经验数据。只有在系统完成了部署之后，利用使用与保障阶段收集到的数据才能有效地评估系统达到的A M 目标值。
2将A M 转换成A O [3，
4]2.1转换的原因
美国国防部要求所有重大国防采办项目（MDAP ）的采办和保障都需要考虑基于绩效的后勤（PBL ），要采用关系到持续保障的关键性能参数（KPP ），并且必须分析、评价可能的保障备选方案。由于目前美军用于进行持续保障分析的模型和软件、用于分析保障结构和基本系统库存的计算机优化模型和现用的分析工具都采用使用可用度A O 作为目标值，而CJCS 要求采用A M 作为KPP ，因此需要建立A O 与A M 之间的关系式，将A M 转换成A O 。2.2转换的方法
对于不带备用系统的系统，可采用下述方法把A M 目标值转换成A O 的目标值。
第1步：注意确认A M 与A O 的定义。根据许多常用的分析工具采用的A O 定义，它仅考虑非计划维修而不考虑计划维修，因而A O 的评估模型为
A O ＝T U /(T U ＋T USD )（3）
式中：T U 为能工作时间；T USD 为非计划的不能工作时间。
按公式(2)，其中的能工作时间等于总时间减不能工作时间（即计划不能工作时间与非计划的不能工作时间之和），总时间是每个投入外场使用的系
统的各个时间之和，则公式（2）可变成公式（4）。A M =T U /(T U ＋T D )=(T T -T SD -T USD )/T T
（4）
式中：T U 为能工作时间；T D 为不能工作时间；T T 为总时间；T SD 为计划不能工作时间；T USD 为非计划的不能工作时间。
第2步：考虑到由系统使用方案决定的系统计划的总使用时间T TO 等于每个系统计划投入使用的
总时间乘以总的系统数，而系统的能工作时间等于总使用时间减非计划的不能工作时间，则公式（3）可用式（5）表示。
A O ＝(T TO －T USD )/T TO
（5）
式中：T TO 为系统计划的总使用时间；T USD 为非计划的不能工作时间。
利用公式（4）和式（5），可以进行A O 与A M 间的转
换。因为每天为24h ，每年为24×365h ，再乘上投入
外场使用的系统总数，公式（4）与公式（5）的未知数
为T SD 、T USD 和T TO 。如果已知T SD 的估计值，且A M 的目标值已知，就能够解A M 方程（4）中的T USD ，得到方程
（6）。
T USD ＝T T －T SD －A M ×T T
（6）
第3步：最后，把T USD 代入A O 方程（5），便得到方
程（7）。
A O ＝(T TO －T T ＋T SD ＋A M ×T T )/T TO
（7）类似地，如果知道A O 目标值，就能导出相应的
A M 目标值，如方程（8）所示。
A M ＝(T T －T SD －T TO ＋A O ×T TO )/T T
（8）
利用这些简单的数学公式便可进行A M 与A O 间
的转换，从而可以利用现有的分析工具对A M 进行分析和评价。
3结束语
美军建立的持续保障参数体系包括关键性能
参数—A M 、A O 和关键系统属性—R M 、OC 与MDT 。为了科学合理地确定系统的A M 要求，必须在A O 、R M 、
OC 与MDT 之间进行综合权衡，以实现A M 的最优化。其中，系统R M 是最重要的因素，因为可靠性水
平较低的系统，虽然它们的采购费用可能较低，但在使用中需要更多的持续保障（维修和备件），而且将会使A O 值较低。在国防工程实践中，根据武器系统的平均采办费用做出采办决策是目前最常用的方法，按照这种决策采办的系统几乎都将导致其拥
曾天翔：装备可用度——武器系统的一项关键性能参数（二）
·专家论坛·（下转第7页）
··3
·可靠性设计、试验与评价·
飞行器正常飞行时，依靠摩擦片与轴、接头座
孔的间隙及摩擦片相互的间隙，装置处于自由状态，在弹簧力的作用下曲梁前后接头可实现对船体的弹性支撑。在逃逸飞行时，推动作动筒工作，通过推杆接头的斜面压缩碟簧组件和摩擦片，使摩擦片间隙消除，并依靠摩擦内外片间的静摩擦力锁紧接头。而摩擦片由于在相互运动过程中多次接触并产生相对运动，会产生一定程度的磨损，这将会对锁紧装置的锁紧精度及可靠性产生影响。本文基于摩擦片的磨损特征对锁紧装置进行可靠性设计分析,计算出其可靠度,同时通过重要度及灵敏度分析得出影响可靠度的主要因素，然后改进其参数值,提高装置的可靠性。
1锁紧装置可靠性建模分析
1.1锁紧装置简介
锁紧装置包括:锁紧轴、摩擦内片、摩擦外片、碟簧组件、侧向压盘等。摩擦外片与锁紧轴、内片与接孔头有间隙±15mm ，其具体结构如图1所示。1.2可靠性建模
磨损是相互接触的物体在相对运动中表层材
料不断损伤的过程，它是伴随摩擦而产生的必然结
果。根据磨损表面的作用可以将磨损分为3类：机械类，即由摩擦过程中的表面的机械作用产生的磨损，包括磨粒磨损、表面塑性变形、脆性剥落等；分子-机械类，即由于分子力作用形成表面粘着点，再经机械作用使粘着结点剪切所产生的磨损，又叫粘着磨损；腐蚀-机械类，即由介质的化学作用引起表
面腐蚀，而摩擦中的机械作用会加速腐蚀过程[1，2]
。
对于锁紧装置进行可靠性建模，应按照实际粗糙表面的接触进行摩擦学问题处理，重点依据摩擦学理论中的粘着理论的犁沟效应进行分析。
基于磨损特征的应急逃逸锁紧
装置的可靠性设计与分析
李欢欢,张建国,宫綦
（北京航空航天大学可靠性与工程系统工程学院，北京100191）
摘要：应急逃逸锁紧装置通过摩擦片间的静摩擦力实现锁紧,摩擦片间易产生磨损进而影响装置的精度与可靠性.因此基于磨损特征对某应急逃逸锁紧装置进行了研究，通过建立可靠性模型进而得出其极限状态方程，然后利用不同的可靠度分析方法计算其可靠度，同时通过重要度及灵敏度分析得出影响可靠度的主要性能参数并对其进行改进，利用改进后的性能参数进行可靠度计算，结果表明，改进后的可靠度得到了很大的提高。
关键词：磨损特征;锁紧装置;犁沟效应;可靠性分析
收稿日期：2011－07－29；修订日期：2011－09－22
作者简介：李欢欢(1987-)，女，硕士研究生,研究方向：机械产品可靠性。E-mail ：honeyli007@https://www.doczj.com/doc/7d1867442.html, 。
张建国(1966-)，男，教授，博导，研究方向：机械产品可靠
性。
宫綦(1982-)，男，博士研究生，研究方向：机械产品可
靠性。
图1
锁紧装置示意图
压盘
法兰盘
摩擦外片
碟簧组件
压圈推杆接头
轴
螺母
碟簧垫圈
摩擦内片可靠性工程2012年3月第1期
·可靠性设计、试验与评价·李欢欢等：基于磨损特征的应急逃逸锁紧装置的可靠性设计与分析在已知锁紧装置的工艺尺寸、受力状态、材料属性、试验数据后，并考虑粘着效应和犁沟效应，单个粗糙峰滑动时的摩擦力包括剪切力和犁沟力为
F =A τb +S σs
其中，A =πd 2/8，S =dh /2，由此得
F =πd 2
8τb +dh 2
σs (1)
式中：τb 为基体（摩擦副中较软的金属）剪切强度；σs
为基体（摩擦副中较软的金属）屈服极限；h 为硬峰嵌入软金属的深度；d 犁沟宽度；θ为模型半角。（1）为单摩擦副单峰犁沟效应的公式模型。犁沟效应产生的摩擦力与粘着效应产生摩擦力的比较。F 粘着
F 梨沟
=πd 28
?è???
÷dh 2σs =tan θ1.1(2)式中：σs =3τs ；d =2h tan θ；而θ的一般取值范
围为30°~60°，当θ=45°时，粘着效应与犁沟效应对于摩擦力的贡献基本是一致的。在后面的分析中，也将犁沟模型的犁沟半角近似考虑为平均情况θ=45°。
考虑多峰，即接触点为
m =n ∫h
∞
ψ(z )d z
(3)
式中
:ψ(z )=
?è???÷-x 22σ2。
一般情况下，粗糙表面的凸峰高度服从Gauss
分布，此时的均方差σ与表面粗糙度
R a 具有互换性，即存在下面的关系：
σ1=
a 1，σ2=a 2
根据模型的表面粗糙度情况，有
R a 1=3.2μm ，R a 2=3.2μm
可以得到
σ=σ21+σ2
2
(4)
σ2=σ21+σ2
2=π2R 2a 1+π2R 2a 2
(5)
因而有
∫h ∞
ψ(z )d z =
∫h
∞
12πσ
exp ?è???÷
-x 22σ2d x =
∞
?è???÷-x 22d x =1-?
??=0.2077
(6)
继续考虑两摩擦片间的峰点数n 。
若两摩擦片之间的接触面积为
s j =π×()552-332×106=6.082×103m 2
若单个犁沟模型所占投影面积为
A =2×πd 2
8
=3.14×10-12m 2
其中：d 为犁沟宽度，根据经验数据选取为2μm ，则
两摩擦片间的峰点数为
n =S A =6.082×10-3
3.14×10
-12
=1.936×109
下锁紧摩擦片单摩擦副间摩擦力公式模型为
F =m ?è???÷πd 28τb +h 2σs tan θ=
n ∫h ∞exp ?è???÷-x 22σ22πσd x ?è???÷πd 2τb 8+h 2σs tan θ=
0.2077×(0.393d 2τb +h 2σs tan θ)
(7)
1.3建立功能函数
当状态函数的随机变量只有广义应力l 和广义
强度r 时,表示为z =g (x )=r -l 。
g (x )=ìí??
?
<0失效状态=0极限状态
>0可靠状态
根据典型的应力—强度干涉模型[3]，建立锁紧
装置卡滞故障的功能函数为
Z =20×0.2077n ×?è??
?÷πd 28
τb +dh 2σ-R
τb =13
σ
d =2×h ×tan θ
(8)
式中：τb 为基体（摩擦副中较软金属）剪切强度；σ为基体（摩擦副中较软金属）屈服极限；h 为硬峰嵌入软金属的深度；d 犁沟宽度；
θ为模型半角；n 为锁紧装置单摩擦副的峰点数；
R 为给定许用载荷。1.4选取随机变量
选择屈服极限、凸峰数目、剪切强度、犁沟深
度、犁沟半角以及承受载荷作为随机变量，各变量统计参数数据如表1所示。
表1随机变量的选取
序号12345
随机变量犁沟深度h /m 犁沟半角θ/rad 屈服极限σs /Pa 承受载荷R /KN
凸峰数n
均值1.0e -60.78531.6e 84501.936e 9
变异系数0.50.10.10.150.1
分布类型正态分布正态分布正态分布极值I 分布正态分布
·
·5
2可靠性仿真分析
2.1仿真方法简介
蒙特卡罗法求解概率问题是最直观、精确、对高度非线性问题最有效的途径，可以用它来校核其他算法。MC 法的基本思想是将一个分析问题化为一个具有同样解答的概率问题，然后用统计模拟来研究。
一次二阶矩法[4]又称FORM,该方法的特点是只需要考虑机械结构状态函数泰勒级数的线性项及基本随机变量的一阶矩和二阶矩.响应面法是用一个简单的显示函数逼近实际的隐式极限状态方程，使可靠度计算得到简化。2.2可靠度计算结果
功能函数属于显示函数，选用不同机构可靠度计算方法进行计算，计算结果如表2所示。
工程中一般以蒙特卡罗方法抽样105次的结果作为可靠度计算准确度的标准，如表2所示，锁紧力不足的可靠度的计算结果为0.87左右，与试验的情况1/6的失效概率比较吻合，但是与总体要求0.999999还是有很大差距的，需要对于关键参数进行设计改进，提高装置的可靠度。2.3参数重要度水平
参数的重要度因子为参数变换后空间中设计验算点的方向余弦，因子表征了变量对于失效概率的贡献的相对重要度。各输入变量的参数重要度通过ARES 软件很直观的输出参数的重要度水平，如图2所示。
从图2可以看出犁沟的深度h 和犁沟半角θ是影响可靠度的两个重要因素，而屈服强度、表面峰点数对于锁紧装置可靠度的影响相对较小，也验证了犁沟效应产生的摩擦力是此锁紧装置锁紧力的主要来源。
2.4参数灵敏度水平
参数灵敏度反映对于输入参数变化对于失效概率的影响程度，图3中各参数深颜色的矩形代表参数均值对于可靠性的影响；浅色代表参数的标准差对于可靠性的影响。
从图3很明显地看出犁沟深度以及犁沟半角还是对可靠性影响最大的变量，表面的峰点数以及材料的屈服极限的增加对于可靠度的提高是正向的，而承受载荷能力的变化与可靠度的变化相反。2.5可靠性分析改进结果
至此锁紧装置的可靠性分析完成，分析结果的准确性取决于3个方面：随机变量的选择及其统计参数；锁紧装置摩擦力数学模型的准确性以及可靠度仿真算法的准确性。锁紧装置的数学模型是根据经典的犁沟模型和粘着磨损的机理进行建立，并且得到了仿真分析的验证，理论上讲是比较精确的，所以在后续的可靠性增长过程中，主要考虑的是随机变量的统计参数值的设计改进和可靠度仿真算法的选择。
对于系统可靠度影响比较大的是犁沟半角和犁沟深度两个随机变量。犁沟半角主要同摩擦片
表2可靠度计算结果
计算方法
蒙特卡洛法FORM SORM ISAMR AMV+RSM
仿真次数105
10410
5
故障概率0.127570.126240.129430.136680.126240.11726可靠度0.872430.873760.870570.863320.873760.88274
注：FORM 为验算点法；SORM 为二次二阶矩法；FPI 为改进的一次二阶矩法；ISAMF 为缩减因子半径重要度抽样法；RSM 为响应面法。
图2参数重要度水平
σ参数变量
θ
R n
h 1.0
0.0
重要度图3参数灵敏度水平
2-2
灵敏度
σ参数变量
θ
R n
h -10
1可靠性工
程2012年3月第1期
··6
·可靠性设计、试验与评价·李欢欢等：基于磨损特征的应急逃逸锁紧装置的可靠性设计与分析有费用超出预算。因此在确定A M 要求时，必须从整个系统的寿命周期总体考虑，而不仅考虑系统的采办环节。
对作战部队来说，完成任务是最重要的，因而
必须要在保证满足A M 要求的同时，综合考虑任务可
靠性和基本可靠性。对于可修复系统而言，在确定R M 时还要考虑到，在进行维修活动过程中，武器系
统不能用于作战使用；而且，不是所有的故障都将使系统不工作，也不是所有的维修活动都将要求采用离位维修方式。
参考文献
[1]JCIDS Manual for the operation of the joint capabilities integration and development system[S].March,2009.
[2]DoD Reliability ，availability,maintainability,and cost rationale re?port manual[S].June 1,2009.
[3]Ralston M,AMSAA,Mortin https://www.doczj.com/doc/7d1867442.html,rmation paper on materiel avail?
ability (A M ),materiel reliability (R M ),and operational availability (A O )[D/OL].（5August 2010）[2011-05-03].https://https://www.doczj.com/doc/7d1867442.html,/Community Browser,aspx?id =387703.
[4]Morrese D.Translating user requirements from A O to A M in MDAP
weapon systems[J/OL].ARMY AL&T online,August 2009.
（全文完）
（上接第3页）
加工方式的选取有关，因此，需要选择适当的加工方式，来控制粗糙峰半角；犁沟深度主要是和正压力有关，因此可以通过加大正压力，控制犁沟半角来提高锁紧装置可靠度。
锁紧装置的可靠度为0.87左右，需要对于关键参数进行设计改进，提高装置的可靠度。在失效功能函数不变的情况下，通过调整重要度和灵敏度较大的犁沟的深度得到系统新的可靠度。见表3。改进设计后的可靠度计算结果如表4所示。
从表4可知，可靠度由于参数的改进得到了极大的提高，达到了0.99998，趋向于系统的要求值。
可以依据此思路，再根据参数的重要度以及灵敏度结果，继续改进参数设计，达到系统满意的要求。
3结论
通过对锁紧装置进行可靠性仿真分析我们可以看出，锁紧装置犁沟的深度h 和犁沟半角θ是影响轮毂可靠度的两个重要因素。由初始值进行可靠度计算结果表明：初始设计得到的可靠度太低，且不同的可靠度计算方法得到的计算结果差别不大。通过改进主要参数，可靠度由0.87提高到0.99998，同时还可以根据不同的可靠度要求再进行改进。
参考文献
[1]温诗铸,黄平.摩擦学原理[M].北京:清华大学出版社,2008.[2]朱华,葛世荣.磨合表面形貌变化的分形特征[J].机械工程学
报,2001,37(5)：71-77.[3]
张建国，苏多，刘英卫，等.机械产品可靠性分析与优化[M].北京：电子工业出版社，2008.
[4]高雪梅.工程结构可靠度分析的一次二阶矩法探讨[J].山西
建筑，2009,35(20)：57-58.
表3改进随机变量的选取
序号12345
随机变量犁沟深度h /m 犁沟半角θ/rad 屈服极限σs /Pa 承受载荷R /KN
凸峰数n
均值1.0e -60.78531.6e 84501.936e 9
变异系数0.10.10.10.150.1
分布类型正态分布正态分布正态分布极值I 分布正态分布
表4可靠度计算改进结果
计算方法
蒙特卡洛法FORM SORM RSM
仿真次数10５
10
５
故障概率2×10-57.4×10-67.5×10-6
0可靠度0.9999800.99999260.9999925
1
·
·7
·可靠性设计、试验与评价·
当今电子产品的可靠性要求越来越高，而新产品的更新换代日益加快，依靠传统的可靠性设计方法难以在较短时间内设计开发出高可靠的产品。
基于知识的工程(Knowledge Based Engineering，KBE)是近年来快速发展的一种设计技术，可以大大提升产品的设计质量和效率[1]，但当前KBE技术主要用于解决确定性、单一性以及精确的设计问题，在可靠性工程中的应用十分有限。国内外KBE技术大多用于机械设计，在电子设计领域的应用屈指可数。在国外，斯坦福大学的Vinay K.Chaudhri等学者建立一个了“智能私人助理”知识库的学习案例[2]。在案例中，他们指出在进行这项工程的各项需求。国内重庆大学的代荣教授等研究了摩托车智能设计中知识库系统的研究与实现[3]。从国内外的研究现状可以看出，基于知识的工程作为一门新兴的学科技术非常适应当今社会工业激烈的竞争，国外的一些实际生产中也印证了改技术的实用性和先进性。
板级电子产品有很多成熟的可靠性设计经验可供借鉴，同时在各类产品的开发过程中，也逐步积累了丰富的可靠性知识。但这些知识和经验并没有很好地总结和提炼，在新产品的可靠性设计过程中没有得到充分利用。本文以板级电子产品为研究对象，给出一种面向KBE应用的可靠性设计知识库(Knowledge Base)构建方法。
1可靠性设计知识需求分析
1.1板级电子产品设计流程
板级电子产品设计过程一般分为3个阶段：功能设计、结构设计以及技术评审/设计决策。包含可靠性设计的设计流程如图1所示。
1）功能设计
（1）板级电子产品的需求分析进行产品需求分析，要求了解板级电子产品的功能，用途，使用环境以及使用特点等。
（2）板级电子产品功能设计根据产品的功能需求进行电路板功能设计，设计能够实现功能的单元电路。同时，需考虑功能可靠性设计知识和准则(如，裕度设计，容差分析，抗瞬态电应力等)，将可靠性设计知识和准则体现在电路设计中。
（3）构建EDA仿真模型确定单元电路构成后，需通过EDA仿真模型进行电路故障仿真、电路容差分析以及潜通路分析。在进行电路故障仿真时，需根据元器件故障模型相关资料，建立基于EDA的故障模式及影响分析和基于EDA的测试性预计。2）结构设计
（1）选用元器件确定电路功能构成之后，需对其进行元器件的选用。选用元器件应依据优选元器件目录，并考虑元器件选取和使用方面的准则。
（2）基本可靠性预计及降额设计选定元器件后，依据元器件的结构参数、环境条件和质量等级等信息对产品进行可靠性预计，评估设计方案的可
板级电子产品可靠性设计知识库研究
周璇，任羿
（北京航空航天大学可靠性与工程系统工程学院，北京100191）
摘要：针对传统可靠性设计方式不能有效解决电子产品快速开发与高可靠性之间相互矛盾的问题，
以板级电子产品为对象，给出了一种基于知识工程（KBE）开展可靠性设计的基本思路，建立了基于框架
法的板级电子产品可靠性设计知识表达模型，并在此基础上设计了知识库系统的基本结构，结合工程需
求设计开发了知识库系统（PRIDE）。
关键词：板级电子产品；可靠性设计；知识库；KBE
收稿日期：2011－05－03；修订日期：2011－06－30
作者简介：周璇(1987-)，女，硕士研究生，研究方向：基于模型的故障传
播，故障和可靠性知识建模方法研究。E-mail:buaazhouxuan@https://www.doczj.com/doc/7d1867442.html,
任羿(1973-)，男，副教授，研究方向：可靠性系统工程和
性能与可靠性综合设计方面的理论研究、工程应用和系统开发。
E-mail:renyi@https://www.doczj.com/doc/7d1867442.html,
可靠性工程2012年3月第1期
·可靠性设计、试验与评价·周璇等：板级电子产品可靠性设计知识库研究
靠性，审查结果是否达到可靠性指标要求。
（3）布线/布局设计确定电路构成和元器件
后，为达到高可靠性，需对电路板产品进行布线/布
局设计。同时，应该考虑电路的热设计，机械应力
设计以及其他耐环境设计分析。
3）技术评审/设计决策
完成上述设计过程后，要对设计结果进行技术
评审和设计决策。技术评审和设计决策的内容包
括：通过电路故障仿真进行任务可靠性预计和电路
板性能评估等。产品通过评审，表示其满足设计要
求，可进行样件制作；反之，则不满足需求，应回到
电路板功能设计阶段，进行重新设计。见图1。
1.2板级电子产品可靠性设计知识归纳
从包含可靠性设计的设计流程中可以看出，对
可靠性设计知识的需求始终贯穿于电子产品的设
计过程中。对板级电子产品可靠性设计过程中涉
及到的各类知识进行归纳和总结，是实现知识重用
的基础。
本文从电子产品可靠性设计相关标准、文献资
料中，以及从多个电子产品的可靠性设计案例中，
整理并归纳了适用于板级电子产品的可靠性设计
知识，如表1所示。
该表给出了板级电子产品可靠性设计知识的
主要类型，各类知识应用的设计阶段，以及知识的
来源。
2可靠性设计知识的组织
2.1板级电子产品设计组织
可靠性设计的本质在于减弱甚至消除产品故障，而故障知识的描述必然包含板级电子产品组成、结构和功能的描述，同时也应该包含产品所处自然环境和使用环境的描述[4]。所以，在建立板级电子产品可靠性设计知识的组织之前，需要进行板级电子产品设计知识的组织。
电子产品经过多年的发展，已形成了标准化和系列化，同系列产品的实现原理和元器件构成是相似的，这为建立知识库系统创作了良好的条件。本文以系列化的产品线、产品为基础，对各类板级电子产品的组成和功能进行描述。
定义1：通用设计单元（GDU）在电子产品设计和使用中具有相似功能、结构的板级或模块级产品。从产品的故障和可靠性的角度，通用设计单元图1板级电子产品含可靠性设计的设计流程
表1板级电子产品可靠性设计知识归纳
知识类型
系统设计
元器件选择与使用
耐环境设计
稳定性/防变异设计新技术采用
安全保护设计
人机工程设计
设计阶段
功能设计：电路板功能设计
结构设计：元器件的选用以及
基本可靠性预计及降额设计
结构设计：布线/布局设计
功能设计及结构设计
功能设计及结构设计
功能设计及结构设计
功能设计及结构设计
来源
标准
√
√
√
√
√
实例
√
√
√
√
·
·9
可靠性工程2012年3月第1期
应具备功能定义、工作条件定义，而且具有通用的
可靠性设计分析数据。
定义2：专用设计单元（SDU）在电子产品设计
和使用中具有特定、专属案例的板级或模块级产
品。同时，专用设计单元也应具备功能定义、结构
定义、工作条件定义，同时具有可靠性分析数据、可
靠性（环境）实验数据或实际使用的可靠性数据的
组件。SDU可以看做是GDU的实例化。
板级电子产品故障知识库以板级电子产品的
产品线为中心进行构建，而产品线是以GDU为基础
单元进行组织，同时包括产品专用的设计单元。产
品线可看作是专用设计单元和通用设计单元构成
的集合。
通用设计单元可以与各类故障案例与产品设
计之间建立关联关系，即该类型的通用设计单元曾
经发生过什么故障案例，在什么条件下发生的，也
可以与可靠性设计案例和设计准则之间建立联系，
即该类型的通用设计单元采取了哪些可靠性设计
措施，是如何实施的，其总结出了哪些可靠性设计
准则。
2.2基于框架法的可靠性设计知识表达
在产品的设计组织基础上，需要将可靠性设计
知识融于其中，本文将采用框架法来进行可靠性设
计的知识表达。
框架表示法表达的是一种经验性的知识，当知
识比较复杂时，往往需要通过诸框架之间的横向或
纵向联系形成一种框架系统[5]。从这一点出发，运
用框架法来表达复杂的经验性的可靠性设计知识是合理的。通过框架法，能够建立可靠性设计知识与产品族间的联系，理清各类可靠性设计知识与产品的关系，也为后面数据库的设计起到指导作用。图2所示围绕产品族展开的知识体系。图中围绕产品族建立的框架内容如下：
基于框架法的表达不仅能够为可靠性设计中与产品相关的所有知识建立框架体系，表达知识内容，还能够建立各知识层面与产品的相互联系和交互。
3可靠性设计知识库总体结构
基于上述工作，接下来将对知识库系统的结构进行设计。本文的PRIDE（PCB Reliability Intelli?
gent Design Expert，PRIDE）知识库系统采用成熟的B/S3层架构。B/S模式的3层结构是一种严格的分层定义，它首先将应用系统复杂的开发工作进行划分相对简单的模块，然后在每一层中只实现系统相应层的功能设计，层间的交互由相邻层对应的功能模块进行调用，信息传递只由接口进行传送[6]。
本设计中，该种结构将把全部的业务逻辑放在应用服务器上。将应用系统集成于分布式系统之上，能极大地提高系统的可扩展性和可维护性。
在这种结构下，使用者于用户界面录入信息，业务逻辑层接收指令，进行处理并访问数据库调取相关数据，最后返回结果显示在用户界面上。知识库系统的总体结构如图3所示。
1)用户界面层
用户界面层是信息系统的用户接口部分。用户界面面向系统的最终用户，能与其进行信息的交
图2围绕产品族的框架系统
Family>:ID
Reliability Guidelines:String
Info:String
Condition:String
Reliability Guidelines:String
Design Unit:String
Mode:string
Failure Correction Case:String
Case:String
Design Case:String
Reliability Guidelines:String
··10
·可靠性设计、试验与评价·周璇等：板级电子产品可靠性设计知识库研究互。通过用户界面，系统管理人员能操作管理系统，也可使用界面进行数据处理，如输入数据、输出结果。它并不拥有知识处理的逻辑，或只拥有部分不涉及核心的简单处理逻辑。知识库的用户界面在浏览器中显示，可以在联网的任何一台计算机中进行访问，并且实现了客户端的零部署。
2)业务逻辑层
业务逻辑层是知识库应用处理的主体，包括了系统中核心的和易变的应用逻辑（如产品分类及关系处理，产品实例及其属性处理，故障相关知识处理，应力条件处理，用户及权限管理等），它的功能是从用户界面层接收输入，通过数据库访问组件存取数据，将处理后的结果返回到界面层。
3)数据访问层
数据访问层负责处理与数据库管理系统（DBMS ）之间的交互，该层将对知识库物理数据库的访问封装为接口，避免对业务逻辑对数据库进行直接访问。
由于业务逻辑与用户界面相分离，独立出应用服务器。具体说3层结构具有如下的优越性：
（1）用户界面的改变同业务逻辑的改变互相隔离，互不影响，便于系统的修改和维护，大大增强了系统的灵活性。
（2）系统把关键性的业务逻辑放在应用服务器上进行集中管理，而不需要放在每台客户机上。对授权后方可访问的产品或故障数据的访问也可通过应用服务器来进行，而不是由客户机直接进行存取，增强了系统的安全性。
（3）客户机可共享应用服务器提供的数据和功能等技术资源，有利于提高系统的性能和开发效率。
4知识库系统原型开发
在板级电子产品可靠性设计组织的指导下进行知识库系统的数据库设计。4.1数据库需求分析
本项目的具体要求是：（1）一个产品族对应多个通用可靠性设计准则；对应多个故障模式；对应多个产品实例；对应一个产品族。
（2）产品实例对应多个产品使用条件；对应多个可靠性设计方案。
（3）产品使用条件对应多种应力载荷；对应多种专用可靠性设计准则；对应多个故障案例等。4.2概念设计
从数据库需求分析可知，本系统主要是围绕产品、故障以及应力这3部分展开应用的，因此系统至少应包含：产品族、产品实例、故障模式、应力等实体。图4所示数据库初步E-R 图。
4.3逻辑结构设计
有基本E-R 图，即可展开关系模式的设计。设计基本关系模型式主要就是从E-R 图出发，将其直接转换为关系模式。转换规则为：
（1）将每个实体都转换为一个关系模式。实体的属性就是关系的属性，实体的主键就是关系的主键。
（2）将每个联系也转换为一个关系模式，该关
图3系统的结构
用户界面层（BROWSER ）
业务逻辑层
数据库
数据库访问层
…
用户权限管理
应力条件处理
故障相关知识处理
产品
族分类及关系
产品实例及其属性处理
图4数据库初步E-R 图
通用可靠性设计准则
专业信息
产品准则
产品类型信息
故障模式与故障原因
故障原因字典
产品族
故障模式专用可靠性设计准则
应力与使用
条件
产品实例与使用条件
故障案例故障分析
故障纠正措施
故障原因与纠正措施
产品实例信息产品实例与可靠性设计
方案可靠性设计
方案
应力类型信息
产品使用条件
使用条件准则
·
·11
可靠性工
程2012年3月第1期
系模式的属性由与该联系相连的各个实体的主键及该联系的属性组成，该联系的主键分3种情况：①若联系是1：1的，则每个实体的主键即是该联系的候选健。②若联系是1：n 的，则此联系的主键是n 端实体的主键。③若联系是m ：n 的，则此联系的主键是各个实体的主键的并。
根据以上原则，以E-R 图为基础，使用Pow?erDesigner 软件工具进一步设计数据库的逻辑结构。
最终确定的数据库有：产品族、产品实例、产品类型、专业信息、故障模式、通用可靠性设计准则、故障案例、失效机理模型、故障分析、故障纠正措施、故障原因字典、工艺、产品使用条件、专用可靠性设计准则、应力类型、产品准则关系、故障模式与故障原因关系、故障原因与纠正措施关系、使用条件准则关系、产品实例与使用条件关系和产品实例与使用条件关系应力。
4.4知识库系统的组件结构
板级可靠性设计知识库开发为多层结构，分为“数据实体层”、“数据访问层”、“业务逻辑层”、“用户界面层”、“接口层”、“数据应用层”、“公共方法层”。各层之间的调用关系如图5所示，通过Web 页面可直接访问业务逻辑层、实体层以及公共方法层。业务逻辑层可访问数据访问层、实体层以及公共方法层。数据访问层可调用数据应用层、实体层、公共方法层以及接口层。实体层可调用公共方
法层以及接口层。
4.5知识库系统界面设计
基于以上的工作，开发了知识库系统。本系统用户分5类，分别是安全管理员，系统管理员，审计管理员，基础数据管理员以及普通用户。每类用户的职能各有不同，通过不同的需要，可以适时更换用户身份进行知识库的更新、维护等工作。为适用不同用户类型的需求，系统设计了5类用户界面。
以基础数据管理员用户界面为例，如图6所示。左栏显示的是产品树列表，右边显示的是选中产品的产品族信息，包括产品族名称、产品类型、所属专业以及主要功能。选中产品族实例，界面上半
图5各层组件之间的调用关系
图6可靠性设计知识库系统界面
·
·12
·可靠性设计、试验与评价·周璇等：板级电子产品可靠性设计知识库研究部分显示了产品实例的具体信息。界面下半部分的左侧，通过按钮选择可以查看使用条件以及可靠性设计方案等相关信息。界面下半部分的右侧则可以查看故障案例信息、专用可靠性设计准则以及应力信息。
以普通用户身份登录系统是系统最常用的应用模式，可查看通用可靠性设计准则。前文中整理归纳的可靠性设计准则均可整理录入其中，以便设计所需。
5结论
本文通过分析板级电子产品含可靠性的设计
流程，系统总结板级电子产品可靠性设计知识，构建可靠性设计知识库，开发板级电子产品可靠性设计知识库系统原型，尝试将KBE 技术用于可靠性设计，为KBE 技术在板级电子产品可靠性设计中的深入应用奠定基础。
参考文献
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系统[J].农业机械学报2007，38（5）:19-22.
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[3]代荣，何玉林，杨显刚，等.摩托车智能设计中知识库系统的研究与实现[J].计算机应用研究，2009，26（1）:199-201.[4]任羿，曾声奎，王子寅，等.面向产品综合设计的故障知识本体研究[J].宇航学报，2010，31(2):615-620.
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[6]
李书杰，李志刚.B ／S 三层体系结构模式[J].河北理工学院学报，2002（B05）：30-35.
经过10余年对主动和被动无线射频识别（RFID ）标签在各机构中进行的各种试验，美国防系统已
于2010年4月开始进入推行RFID 的第2阶段。该阶段的目标是通过提供端对端解决方案，进一步增
强国防供应链的可视性，进而降低出错风险、提升安全和保密性，并通过降低库存和节省人力来进一步降低国防供应链的运营成本。在该阶段中，国防部将加大RFID 数据与国防部现有的企业资源规划
系统（ERP ）以及其他现行系统之间的融合，在保证国防部洞悉后勤业务流程的同时，进一步明确可以进一步挖潜的领域。
过去10年间，美国防口针对RFID 开展了一系列的试验。比如，国防部下属的国防后勤局（DLA ）通
过将被动RFID 标签粘着在后勤部门供应的物资上，在26个物资分发点上对这些物资的收发情况作了跟踪。结果显示，使用RFID 有助于提高劳动效率和减低分发差错。美空军通过自动识别技术（AIT ）对其所辖的12000件物资（其中包括核武器部件）的RFID 标签加强了管理，结果发现，使用RFID 可以
使仓管人员减少60%。美海军陆战队利用RFID 标签来跟踪海运集装箱的运输情况，以便为到岸的集装箱事前准备好位置。国防部运输司令部采用主动RFID 和卫星技术对运输途中物资实行可视跟踪，
由于信号能探测到集装箱上的标签，从而提高了到货的准确率，降低了物资失窃量。
美国防部决定进入实施RFID 的第2阶段，除了各试验项目提供的经验支撑以及初尝试验的甜头
之外，还离不开以下因素的影响：RFID 技术不断进步，使得主动和被动RFID 标签的价格大大降低；RFID 读卡技术日益成熟，能够在各种恶劣环境下读取RFID 数据；RFID 领域的技术标准日益开放，使得各类RFID 产品的互通性日益增强，为RFID 在全球跨供应链推广创造了条件。另外，联邦军费预算的
不断下降也是促使美国防部加快推进RFID 技术的因素。
（中国航空工业发展研究中心张宝珍）
美国加紧推行无限射频识别技术（RFID）
·
·13
可靠性工程2012年3月第1期
电动执行机构的运动可靠性涉及力学、多体动
力学、机构学、电动机和反馈控制等多学科综合问
题，在产品的研制过程中如何对其进行可靠性量化
是一个难点。在现今的电动执行机构可靠性设计
过程中，主要是根据以往型号或者经验给出可靠性
量化指标进行设计，完成方案设计后制造物理样机
进行可靠性试验进行验证。如果物理样机没能通
过可靠性试验将浪费大量的人力、物力和时间。在
本文中，提出了一种新型的在虚拟样机中进行可靠
性虚拟仿真的方法，可以在方案设计之初给出可靠
性量化指标，对设计人员给予帮助，解决了工程实
际中的困难。
1可靠性仿真评价技术流程
可靠性仿真评价技术在电动执行机构可靠性
设计分析中的应用过程如图1所示。
先使用三维实体建模软件SolidWorks建立电动
执行机构实体模型，再将实体模型导入动力学仿真
软件adams中，进行干涉检查、动力学性能分析，找出关键件、薄弱环节。在以上基础上完成了确定性仿真，将数据模型导入可靠性分析软件运用阶矩法、蒙特卡罗等可靠性算法，将参数随机化，完成可靠性仿真并得到运动可靠度、关键件静强度可靠度、参数灵敏度和参数重要度结果，根据计算结果分析产品薄弱环节、重要参数及敏感参数，并给出改进建议[1]。
2工程实例分析
2.1电动执行机构介绍
某型号电动执行机构示意图如图2所示。
电动执行机构由一级齿轮、同轴齿轮、二级齿轮、丝杠、螺母、轴承、拨叉、舵轴、板齿、电位计齿轮
电动执行机构可靠性仿真评价技术及应用
邓华，张建国
（北京航空航天大学可靠性与工程系统工程学院，北京100191）
摘要：电动执行机构运动形式复杂，其运动可靠性涉及力学、多体动力学、机构学、电动机和反馈控制等多学科问题，传统的设计方法难于在产品的研制过程中对其进行可靠性指标的量化。将虚拟样机技术应用到某型号电动执行机构的可靠性设计分析中，根据刚体动力学理论，建立adams仿真模型，并在此基础上考虑设计变量的随机性，采用蒙特卡罗、阶矩法等可靠度算法，实现可靠性量化设计分析，解决了电动机构可靠性量化设计分析的工程实际难题。
关键词：虚拟样机;动力学;可靠性分析
收稿日期：2010-10-26；修订日期：2010-11-10
作者简介：邓华(1985-)，男，硕士研究生，研究方向：机械物理可靠性。E-mail：denghua_@https://www.doczj.com/doc/7d1867442.html,
张建国(1966-)。男，教授，博导，研究方向：机械物理可靠性。图1虚拟样机技术进行可靠性分析流程
·可靠性设计、试验与评价·
设计参数灵敏度
分析
·可靠性设计、试验与评价·邓华等：电动执行机构可靠性仿真评价技术及应用组成。
电动执行机构工作原理：由控制电路输入指令经校正网络、PWM 调制及功率放大，驱动伺服电机转动，带动减速器，输出舵偏角。同时位置反馈电位器输出电压信号，该信号与输入指令相比较，从而形成位置闭环回路，输出与输入指令成比例的舵偏角。如图3所示。
2.2运动学可靠性仿真
首先，将在三维实体建模软件SolidWorks 中建立的电动执行机构模型导入ADAMS 中如图2所示。并建立包括几何参数、材料属性、约束关系等。由于电动执行机构属于典型的机电控一体化装置，还必须在adams 建立相应的控制回路[2]。其控制框图如图4所示。
在完成电动执行机构仿真模型后，选取一组频率为0.5Hz ，峰值分别为5V 、6V 、7V 、8V 、9V 、10V 的方波电压作为模型的输入，并与电动执行机构样机实验做对比如图5所示。
图中实线为试验数据，虚线为仿真数据，仿真误差在10%左右，仿真结果是真实可信的。其他几
组数据误差也在可接受范围内，不再一一展示。
机械产品进行可靠性设计分析时，根据其规定的设计功能，建立相对应的状态函数g ()X 。状态函数可用表示n 个代表基本随机因素的随机变量X 1,X 2,X 3,?,X n 的函数表示。
机械产品或产品的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态应为该功能的极限状态。
机械产品在任意随机时刻是否能够完成其规定功能，在数学上可用状态函数的取值是否大于0来决定。
在此例中我们选取功能函数g ()x 为
g (x )=sim ()a ,b ,c ,d ,e ,f ,g -v
式中：a 和b 为超前滞后环节系数、c 为放大系数、d
为一阶积分环节系数、e 为电源电压、f 为放大系数、g 为反馈系数、v 为设计角速度、sim ()a ,b ,c ,d ,e ,f ,g 为舵轴的最大转动角速度，其数值由adams 软件求解得出。随机变量的统计特征如表1所示。
根据概率论的基本原理，当已知基本随机变量
的随机分布密度函数时，机械产品可靠度可归结为计算在Ωr ={X |g (X )>0}可靠域上的矩阵函数积分，即产品可靠度R ()t
表达式为
图2某型号电动执行机构示意图
图3电动执行工作原理示意图
图4电动执行机构控制框图
图55v0.5Hz 方波信号下响应与试验对比
表1随机变量的统计特征
变量a b c d e f g
名称
超前滞后环节系数超前滞后环节系数放大系数
一阶积分环节电源电压力矩系数反馈系数
均值66.7151.52.27333270.50.34
标准差0.6671.5150.02273.330.270.0050.0034
分布类型指数分布指数分布指数分布指数分布指数分布正态分布指数分布
-
舵偏角
k f
arctan
s ?è???
÷
JL C m C e s 2+JR C m C e s +1·
·15
可靠性工程2012年3月第1期
R ()t =1-
∫Ωf ={X |g (X )<0}
I []g ()X f ()X d X
当g ()X <0时，示性函数I []g ()X =1；当g ()X ≥0时，
I []g ()X =0。式中：f ()X 为机械产品几何尺寸、载荷、材料物理特性、环境因素等全部基本随机变量的联合分布密度函数[3]。
下面我们使用3种不同的可靠度计算方法来求解可靠度R (t )。
（1）阶矩法是机械结构可靠度研究初期提出的一种方法，其基本思想是首先将非线性状态函数在随机变量的均值点处，作泰勒级数的展开并保留至一次项，假设随机变量相互独立，近似计算状态函数的平均值和标准差，从而求出可靠度。
（2）简单蒙特也叫随机模拟法，当系统中各个单元的可靠性特征量已知，但系统的可靠性过于复杂，难以建立可靠性预计的精确数学模型或模型太复杂而不便应用则可用随机模拟法近似计算出系统可靠性的预计值。随着模拟次数的增多，其预计精度也逐渐增高。由于需要大量反复的计算，一般均用计算机来完成。
（3）自适应重要度抽样在简单蒙特卡罗仿真的基础上，随着仿真的次数增加，将获得更多的关于失效域的知识，在此基础上通过不断更新所构造的重要抽样密度函数，使抽样中心逐渐趋近验算点，从而形成蒙特卡罗自适应重要度抽样[4]。3种方法计算结果如表2所示。
通过表2比较分析可以看出，3种算法的误差
范围小于5%，这是由于内部迭代算法的不同而导致的中间结果不同，结果是真实可信的。
极限状态方程的系统失效概率，是由所有随机变量的分别类型、分布参数以及极限状态函数具体形式共同决定的，这些影响因素对于失效概率的重要度有很大差异，为此我们采用差分法求出各参数对可靠度的重要度结果[5]，如图6所示。
通过图6参数重要度分析结果，发现超前滞后环节系数a 对可靠度影响最大。
在根据工程实际情况，将超前滞后环节系数a
加大为76.7，重复以上过程可发现，可靠度指标明显变大达到0.99946，达到提高可靠度指标的作用。
在后续的设计修改中对不同系数要给予不同的关注度，保障可靠度指标的要求。并通过观察参数重要度，可以针对特定的设计目标，找出应该对哪些参数进行调整和综合权衡，从而设计出较高可靠度指标的产品，达到增加产品的可靠度的目的。
3结论
综上所述，可以得出以下结论：
(1)运用现代的虚拟样机设计方法与传统方法相比，可以在初样阶段没有电动执行机构实物样机的情况下，完成各输入信号下的频率响应、运动仿真实验，观察各部件的相互运动情况，考核电动执行机构的性能指标。
(2)使用虚拟样机模型可以快速的发现电动执行机构设计阶段的薄弱环节，对于系统不断改进，节约大量的制造、实验、时间、人力等成本。
(3)可快速得到电动执行机构各参数的重要度、灵敏度，明确各个参数对于性能、可靠度的贡献，为电动执行机构的设计改进提供依据。
(4)可快速量化可靠度指标，得到电动执行机构的可靠度数值，为设计评价提供依据。
参考文献
[1]王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及在ADAMS 上的实践
[M].陕西西安:西北工业大学出版社，2002.
[2]范成建，熊光明，周明飞.虚拟样机软件MSC ADAMS 应用与提高
[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3]张建国，苏多，刘英卫,等.机械产品可靠性分析与优化[M].北
京：电子工业出版社，2008.[4]
赵广燕，张建国.改进的重要度抽样法在机构可靠性中的应用[J].北京航空航天大学学报，2003，29(8):696-699.
[5]覃洪桥.基于灵敏度分析的稳健可靠性优化模型以及Matlab
实现[J].机械设计与研究，2001，18(1):45-46.
表2运动可靠度计算结果
可靠性算法可靠度
阶矩法0.99687
简单蒙特卡罗0.99452
自适应重要度抽样0.992
23
重要度
（a ）
（g ）
（f ）（e ）（d ）（c ）
（b ）图6参数重要度结果
各个参数
·
·16
可靠性工程2012年3月第1期
考虑备件约束的多部件系统可用度计算模型
王乃超，马麟，郭霖瀚，肖波平
（北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京
100191）
摘要：传统的可用度计算模型中假定系统内部件的连贯方式为串联，这种假设与实际装备中部件的连贯方式有较大出入，并由此带来了诸多应用方面的不便。为解决此问题，研究考虑备件约束的多部件系统可用度建模方法，建立了并联系统和k /n 系统的可用度计算模型，给出系统可用度的计算思路，最后，给出了应用示例。
关键词：可用度；连贯方式；备件
收稿日期：2011-08-05；修订日期：2011-09-05
作者简介：王乃超（1978），男，讲师，博士，研究方向：装备综合保障。E-mail ：tian_jia_zhuang@https://www.doczj.com/doc/7d1867442.html,
马
麟（1974），男，高级工程师，博士，研究方向：装备综
合保障。
郭霖瀚（1979），男，高级工程师，博士，研究方向：装备综
合保障。
肖波平（1968），男，高级工程师，研究方向：装备综合保
障。
可用度建模与分析一直是装备系统效能领域的重要研究方向，而保障资源、保障组织、维修策略、装备任务、装备的设计结构等一直是可用度解析建模与分析中重点考虑的要素。在相关研究中，有些偏重于考虑保障资源、保障组织和维修策略，如Sherbrooke [1，2]、Muckstadt [3]、Slay [4]、Alfredsson [5]、Hillestad [6]、Axsater [7]、Graves [8],Wang [9]，Wong [10]；有些在可用度建模中侧重考虑装备任务，如文献[11]、文
献[12]。上述文献在可用度建模时普遍假设系统中部件的连贯方式为串联。也有部分文章对k /n 系统的可用度进行了分析，如文献[13]、文献[14]，这些研究在建模时侧重考虑保障系统的维修能力，但是大多没有考虑保障资源（如备件）对系统可用度的影响。事实上，假定系统中部件的连贯方式为串联往往与实际情况不符，而部件的连贯方式又是影响可用度大小的重要因素。
鉴于相关文献在计算可用度时较少考虑系统中部件的连贯方式，而系统中部件的非串联形式又在工程型号中被广泛应用，因此非常有必要对非串联结构系统的可用度进行分析。
1基础理论
定义使用可用度公式形式如下：
A o =MTBF MTBF +MDT
（1）式中：A o 表示使用可用度；MTBF 表示平均故障间隔时间；MDT 表示平均不可用时间，本文中定义MDT 的计算公式如下：
MDT =MTTR +MWT
（2）
式中:MTTR 是平均修复时间；MWT 是平均等待时间。
一般情况下，平均等待时间MWT 的内涵比较丰富、计算方法也比较复杂，而本文中仅考虑备件短缺导致的等待时间，即等待时间仅包括等待备件的时间。
基于上述分析，使用可用度计算公式为[15]
A =MTBF MTBF +MTTR +MWT
=
1
1/A i +1/A s -1
（3）
式中:A i =MTBF MTBF +MTTR 表示固有可用度；A s =MTBF MTBF +MWT
表示供应可用度，它仅与平均故障间隔时间和平均等待备件时间相关。
固有可用度A i 可以根据MTBF 和MTTR 计算得到；而供应可用度A s 中的MWT 与备件延期交货量以及备件需求率有关。根据Little 公式可知在稳态情况下下式成立：
MWT =EBO /d
（4）
·测试性、维修性、保障性·
式中：d 表示备件需求率；EBO 表示备件延期交货的数量。
EBO 的计算公式如下：
EBO =
∑i =s +1
∞
()i -s P ()
i （5）
式中：s 表示备件库存量；
P ()i 表示备件需求量为i 的概率。
如果系统中部件的故障间隔时间服从指数分布，那么在工作时间内的备件需求量服从泊松分布为
EBO =
∑j =s +1
∞
()
j -s ()
dT j
j !
e -dT
（6）
式中：T 对于可修复产品表示周转时间，对于不修复产品表示订货时间。
2计算模型
运用基础理论中的公式进行可用度计算时，需要根据系统中部件的连贯方式对相应公式进行修正出对应各种不同情况的可用度计算模型。本文将分别给出串联系统、k /n 系统（包含并联系统）的可用度计算模型。2.1串联系统
由不同类型部件组成的串联系统见图1。
图1中部件L 1、L 2、…、Ln 组成串联系统。如果系统中各部件相互独立，那么串联系统的可用度可以用下式表示：
A t =∏k =1n
A k
（7）
式中：A t 表示串联系统的可用度；A k 表示第k 个部件的可用度；
n 表示系统中部件的种类数。串联系统中第k ()1 k n 个部件的可用度A k
可以根据基础理论中的可用度计算公式得到，但是考虑到串联系统的特点，仍需要对公式中的一些参数进行修正。这是因为，串联系统中任一部件故障都将造成系统故障停机，而其它非故障部件在系统停机时间不会产生备件需求，由此可见，考虑备件因素后系统中各部件的备件需求将不再独立。计算系统中各部件的可用度时需要反映部件实际的
备件需求，而修正结果就是排除了系统中部件在非工作时间的备件需求。
因为各部件备件需求量的均值与其各自的工
作时间和备件需求率成正比，所以可以通过修正各部件备件需求率的方法反映部件之间的影响。修正方法如下：
d ?=A t ?d
（8）
式中：d ?表示串联系统中各部件修正后的备件需求率；A t 表示串联系统的可用度；d 表示各部件修正前的备件需求率。
串联系统的可用度计算方法如下：①按照基础理论中所述公式（1）～式（7）计算A t ；②依据公式（8）计算修正后的备件需求率d ?；③将d ?带入公式（1）～式（7）重新计算修正后的可用度A ?t ；④计算A ?t 与A t 之间的差值，
如果误差在可接受范围内，则计算过程结束，A ?t 即为所求；相反则返回步骤②，并将A ?t 带入式（8）；⑤重复上述过程，直到得出满足要求的A ?t 。2.2k /n 系统
由同种类型部件组成k /n 系统见图2。如果图
2中k /n 系统的k ≡1，那么k /n 系统就变成并联模型。
假定k /n 系统中各部件相互独立，那么只有当k /n 系统中可用部件数目小于k 时系统才不可用，因此k /n 系统的可用度可以用下式表示：
A k n =∑j =k
n
C j
n ?()A j
()
1-A n -j
（9）
式中：A k n 表示k /n 系统的可用度；A 是单个部件的可用度；
n 是k /n 系统中的部件数量。k /n 系统中单个部件的可用度A 可以根据基础
理论中的可用度计算公式得到，但是考虑到k /n 系统的特点仍需要对公式中的一些参数进行修正。
与串联系统不同，只要k /n 系统中能够正常工作的部件数量不少于k ，系统就能正常工作，因此系统工作期间的备件需求率是随时变化的。k /n 系统的备件需求与系统中正常工作部件的数量相关，且
L 1
Ln
L 2
…
图1串联系统图2k /n 系统
L …
L
L k /n
n
12可靠性工程2012年3月第1期
··18