第6章 可靠性设计方法

第六章可靠性设计方法

6.1 概述

可靠性问题是一种综合性的系统工程问题，是与产品设计、制造、装配、调试、运输、储存、使用、维修等各个方面紧密相关的。设计只是其中的一个环节，但是，设计却是保证产品可靠性的最重要的环节，它为产品的可靠性奠定了先天性的基础。因为产品的可靠性取决于其零部件（元器件）的结构形式与尺寸（型号与规格）、选用的材料及制造工艺、检验标准、维修的方便性以及各种安全保护措施等，而这些都是在设计中决定。设计决定了产品的可靠性水平，即产品的固有可靠度。产品的制造和使用固然也对其可靠性有极其重要的影响，但毕竟制造是按设计进行，制造和使用的主要任务是保证产品可靠性指标的实现。

国外有关研究机构在对某些电子仪表发生故障的原因进行分析之后作出统计，统计结果见表6.1。从表中可以看出：电子仪表整机发生故障，有40%是由于设计上的缺陷造成的，30%是由于元器件质量不佳造成的，而这些质量不佳的元器件的选用是由设计人员在设计阶段决定的。因此，这两项都直接与设计有关，它们占了造成仪表故障原因的70%。此外在设计时如能考虑到便于维修和维护保养，也能降低由于操作和维护上的原因而造成整机发生故障。由此可见，可靠性设计是十分重要的。

系统可靠性分析技术是在对电子产品研究的基础上发展起来的，其中的许多技术不但适用于电子产品，也同样适用于非电子产品。

一、可靠性设计经验

（1）选择设计方案时尽量不采用还不成熟的新系统和零件，尽量采用已有经验并已标准化的零部件和成熟的技术。

（2）结构简化，零件数削减。如日本横河记录仪表10年中无件数削减30%，大大提高了可靠性。

（3）考虑功能零件的可接近性，采用模块结构等以利于可维修性。

（4）设置故障监测和诊断装置。

（5）保证零件部设计裕度（安全系数/降额）。

（6）必要时采用功能并联、冗余技术。如日本的液压挖掘机等，采用双泵、双发动机的冗余设计。

（7）考虑零件的互换性。

（8）失效安全设计（Failure Safe），系统某一部分即使发生故障，但使其限制在一定范围内，不致影响整个系统的功能。

（9）安全寿命设计（Safe Life），保证使用中不发生破坏而充分安全的设计。例如对一些重要的安全性零件如汽车刹车，转向机构等要保证在极限条件下不能发生变形、破坏。

（10）防误操作设计（Fool proof）

（11）加强连接部分的设计分析，例如选定合理的连接、止推方式。考虑防振，防冲击，对连接条件的确认。

（12）可靠性确认试验，在没有现成数据和可用的经验时，这是唯一的手段。尤其机械零部件的可靠性预测精度还很低。主要通过试验确认。

二、可靠性设计辅助措施

为了使设计时能充分地预测和预防故障，把更多的失效经验设计到产品中，因而必须邦助设计人员掌握充分的故障情报资料和设计依据。采取以下措施：

（1）可靠性检查表，从可靠性观点出发，列出设计中应考虑的重点。设计时逐项检查。考虑预防的对策。

（2）推行FMEA，FTA方法。FMEA（失效模式影响分析）和FTA（故障树分析）是可靠性分析中的重要手段。FMEA是从零部故障模式入手分析，评定它对整机或系统发生故障的影响程度，以此确定关键的零件和故障模式。FTA则是从整机或系统故障开始，逐步分析到基本零件的失效原因。这两种方法在国外被看作是设计图纸一样重要，作为设计的技术标准资料，它收集总结了该种产品所有可能预料到的故障模式和原因。设计者可以较直观地看到设计中存在的问题。

（3）故障事例集。把过去技术上的失败和改进的事例作成手册，供设计者随进参考。通常用简图表示，将故障和改进作对比。对故障的原因、情况附有简单说明。这手册是各公司积累的技术财富，视同设计规范同等重要。

（4）数据库。广泛有效地收集设计、制造中的失败和改进经验，试验和实际用的数据形成检索系统和数据库，使设计者能超越本单位充分利用别人实践过的经验。如电子产品已形成世界性可靠性信息交换网。

（5）设计、试验规范的不断充实、改善。从使用实际得来的故障教训要反馈到设计、试验方法的改进中，要将这些改进效果作为产品设计规范（包括材料选定，结构形式，许用应力，安全系数值）和试验标准的改进依据，使它们成为设计技术的一部分。随着可靠性工作开展。必须加强设计、试验规范的研究，命名如试验规范的制定要以实地使用条件分析为基础，要调查出场的回收品和试验室加速试验件作对比，计算强化系数。通过失效分析反推，验证试验条件是否合适，从而不断改进试验方

法和标准。因而这些规范都是公司的财富，对外不轻易泄密。如日本小松10年中试验标准增加三倍，丰田的试验标准有1500项之多。也可见各公司对试验的重视程度。

三、加强失效物理技术研究

失效物理是研究故障的原因，材料劣化的机制，缺陷的检测和消除，寿命预测和强化寿命机理，以及应力分析等技术。对于机械来说，主要研究它的常见失效模式，如蠕变，冲击振动，疲劳、断裂、磨损、润滑、腐蚀等。近年来，失效物理技术日举国受到各国重视。例如，由美国政府财政授助的机械故障研究小组（MFWG）的影响及大，它有四个技术咨询委员会：（1）诊断、检测；（2）故障；（3）设计；（4）现有技术的应用推广。研究的对象有系统为燃气轮机，叶片、轴、轴承、齿轮、接头、键槽、转动件、活塞等。该小组自60年成立之后，每年召开1～2次的技术讨论会，至今已有三十余届，许多失效预防和检测技术已投入实用。另外，国外企业都十分重视产品的失效分析工作，千方百计回收失效的零件和残骸加以分析。目的是找出失效原因，作出合更换改进决策，避免内类事故再发生。因而除各大企业配备有完善的失效分析设施外，还设有公共的失效分析中心。公司和保险机构的技术部门都承担分析的任务。

总之，为确保产品可靠，少出故障，必须加强故障的事前（设计），事中（运行的故障诊断）和事后（失效分析）的分析研究工作。

6.2 电子产品可靠性设计分析方法

电子产品的可靠性设计分析工作首先是电子元器件的选择与使用，正确有效的开展此项工作是实现高可靠性水平系统设计的基础。在选用元器件时，元器件的降额设计是实现低成本高可靠性设计的一项重要措施。另外，对元器件和电路的容差分析也是实现可靠和健壮的电路设计的必要工作。

电子产品的可靠性设计分析工作还应考虑到环境条件的影响。耐环境设计技术是其重要的手段。对电子产品来说，针对热环境的热设计热分析工作和针对电磁环境的电磁兼容性设计工作显得尤为重要。

6.2.1 电子元器件的选用

电子元器件是电子、电气系统的基础部件，是能够完成预定功能且不能再分割的电路基本单元。元器件一般都有若干质量等级，目前我国电子元器件质量等级分一类、二类、三类。一类为军品，二类为工业品，三类为民品。每一类又可分为几个不同的级别。质量等级不同，器件的可靠性水平也不同；相同质量等级的不同类型的元器件，其质量要求有也所不同。对元器件的质量等级选择不当会造成系统可靠性水平不符合要求。为了保证系统可靠性，必须对元器件的选择进行控制。

元器件的选用及控制准则如下：

1) 选用的元器件必须满足相应产品的性能、结构、环境适应性和失效率水平等方面的要求。

2) 部门及单位制订电子元器件优选手册。其原则是优先采用符合国军标、国标和专业标准，并有可靠性指标的元器件。

3) 优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、供货渠道可靠的标准元器件，杜绝使用已淘汰的元器件。

4) 当必须使用进口元器件时，优先采用经美国军方认证通过的列入QPL目录中的元器件或美国宇航局（NASA）、欧洲空间局（ESTEC）等权威机构认证通过的元器件优选手册中的元器件。当选用价格较低但可靠性比军品略低的工业品时，应选用按先进工业标准生产、质量稳定、货源有保证并有可靠性指标的元器件。

5) 压缩所选用的元器件品种、规格和生产厂家，以利于元器件的质量控制。元器件生产厂家应是通过ISO9000认证的。

6) 必须按有关标准并根据产品具体情况对各类元器件进行筛选和老炼，尽可能剔除具有早期失效的元器件。

6.2.2 降额设计

所谓降额设计是指在设计时有意识地降低元器件在工作时所承受的热、电、机械等各种应力，已达到改善元器件可靠性的目的。降额设计是提高产品可靠性的极为有效而又简便易行的措施。因此，在电子产品设计中被广泛采用。

电子元器件的失效率与它所承受的环境应力和工作应力有关。环境应力包括温度、湿度、压力、辐射以及周围的化学物质等。不论元器件是否处于工作状态，它所承受的环境应力是客观存在的。而工作应力只有当元器件处于工作状态时长会出现，它们包括电压、电流、频率、元器件自身产生的热量、机械负荷等。

对不同的元器件，降额的方法不一样；电阻器的降额方法是降低其功率比，电容器是降低其工作电压，半导体器件是把工作功耗限制在额定功耗之下，而数字集成电路是通过周围环境和电负荷来降额等等。

选择哪种应力降额最为恰当？降额多少才算合理？这些是电子元器件降额技术的关键问题。

一般来说，电子元器件的降额系数可以用电压降额系数、电流降额系数和功率降额系数来表示。

对半导体器件而言，通常将工作电压限制在额定值的60%左右，工作电流限制在额定值的75%左右。这样限制的结果，不仅对未知的瞬时峰值提供了裕度，而且也能保证功耗在额定值的50%以下，从而得到合理的可靠性。

对电容器则不一样，影响电容器失效率的主要是施加于电容器上的工作电压。因此，降额设计通常将工作电压限制在额定电压的50%以下

对电阻器通常是将其工作损耗限制在额定功率的50%以下。

降额设计对提高元器件的可靠性有很大的帮助，一般来说，降额度越大，元器件的寿命越长。但是，由于采用降额后有可能导致重量、体积和成本的增加，因此要全面合理地确定降额程度。

6.2.3 容差分析

在实际工作中，有时会碰到这种情况，产品在长期工作中，它的特性参数会出现漂移，当参数漂移超出允许范围时，就不能完成规定的功能，这时的失效称之为漂移失效。

为了防治漂移性失效，使产品在整个寿命期内和规定的环境条件下处于正常状态，除了选用质量较好的元器件外，还应在电路设计上采用可靠性技术——容差电路设计，它从电路和系统设计角度出发，采取适应参数漂移的措施，允许所用元器件的参数在一定范围内变化，而仍能保证性能指标达到规定的要求。

对电子产品进行容差分析即可以直接进行试验，也可以先建立产品的数学模型，在进行理论计算分析，容差分析方法包括最坏情况试验法、最坏情况分析法、蒙特卡洛法、伴随网络法和阶矩法，其中出最坏情况试验法外，其余都是理论计算分析法。下面将简单介绍各种分析方法。

一、最坏情况试验法

使电路处于环境、大气压、电源电压、电网频率、元器件参数、信号源幅度和频率等主要因素的上下限值的条件下，通过试验测试电路性能实际参数偏差。这种方不需要建立电路的数学模型，但必须在实际电路上才能进行试验，试验的结果作为测试数据。一般在电路可靠性要求高，成本不严格限制时采用此分析方法。

二、最坏情况分析法

根据所建立的电路数学模型，在电路组成部分参数最坏组合情况下，分析电路性能参数偏差的一种非概率统计方法。它是按元器件性能参数可能出现的极限值来设计电路的。如果在最坏的情况下求出的参数都落在允许范围内，则表示可以确保所设计的电路具有足够的容差和漂移可靠性。

由于具体算法的差别，最坏情况分析法又分为线性展开法和直接代入法。线性展开法适用于分析精度要求较低的电路，直接代入法适用于分析精度要求较高的电路。总的来说，最坏情况分析法简便、直观、是一种非常保守而又万无一失的设计方法，因此常用于一些重要的线路或部件设计中。其缺点是将在很大程度上提高对元器件的要求增加费用。

三、蒙特卡洛法

蒙特卡洛法是一种计算机模拟法。它的理论基础是概率论的大数定律。用蒙特卡洛法进行模拟的程序是：首先按每个元件的分布，随机地抽取一个随机数，组成一个随机数组，然后代入特性方程中，算出特性值，再将它与给定值进行比较，判断是否落在给定值范围内，若是，则记为成功，否则失败。然后再抽取并运算，一般要在数百次以上，最后统计成功的概率，如果成功的概率超过要求值，说明元件选择得当，否则重新选择元件再进行计算，直到满足要求为止。

蒙特卡洛法运用于电路十分复杂的情况。如果能给出符合元件实测数据的元件分布，并能准确地定义要求的特性值，即使形式很复杂，采用蒙特卡洛法进行计算也并不困难，而且这种方法最后能给出特性值的分布，是其它方法所不及的。

四、伴随网络法

伴随网络法是通过求原电路网络及其伴随网络的支路电压、电流获得电路输出响应对支路元件的灵敏度及偏差来进行容差分析的方法。这种方法要建立支路的电流、电压方程和伴随网络的阻抗矩阵和导纳矩阵，以此构成电路的数学模型。电路各组成部分参数取值为额定值偏差，通过求解方程得到的分析结果为电路输出参数偏差。伴随网络法只适用于线性、时恒电路，能分析较复杂的此类电路，但计算复杂，可以采用计算机辅助分析。

五、阶矩法

阶矩法是根据电路组成部分的参数值的均值和方差来分析电路性能参数偏差的一种概率统计法。该法根据电路组成部分的均值和方差，求出电路性能参数的均值和方差，分析电路性能参数容许偏差出现概率。这种方法要建立电路组成部分的参数和电路输出参数之间的数学模型，根据数学模型推导出电路组成部分的参数均值和电路输出参数均值之间的关系，以及电路组成部分的参数方差和电路输出参数方差之间的关系，并据此进行计算。阶矩法适用于线性电路或非线性电路，但要求电路组成部分的参数的随机漂移是在标称值附近不大范围内，而且假设电路性能参数近似为正态分布，因此在使用中受到一定的限制。

以上几种容差分析方法的适用范围有所不同，其中最坏情况试验法适用于所有电路，最坏情况分析法和蒙特卡洛法适用于所有模拟电路，而伴随网络法和阶矩法适用于线性模拟电路。由于最坏情况试验法成本高，实现起来复杂，所以除非有特殊要求，一般不采用这种方法。因此，在进行容差分析时首先选择最坏情况分析法和蒙特卡洛法。目前，以已有专门的工具软件支持最坏情况分析法和蒙特卡洛法。

6.2.4 热设计技术

电子设备的温度来自两个方面：一是电子设备本身工作时，由电能转换成热能使

元器件发热而造成温升；二是电子设备工作的周围环境温度通过传导、辐射、对流等方式传给电子设备。此外，电子设备中机械部件在运动时摩擦也会产生温升。电子元器件的寿命和失效率与温度是密切相关的。因此，如何把电子设备内的热量散发出去，成为电子设备可靠性设计中的一个重要问题。

对于电子设备的温度或温升进行有效控制，以维持设备在允许的温度范围内，使其正常地、可靠地进行工作的设计内容，称为热设计。

热设计的目的就是要减小或限制电子元器件及整机的温升，通过对系统热交换过程的分析和热场的计算或测量，从热源、热流、散热等方面对电子产品进行热控制。以达到减少参数漂移，保持电器性能稳定，提高产品可靠性。因此，对电子设备进行热设计的要求为：①通过热设计在满足性能要求下尽可能减少仪器内部的热量；

②通过热设计法减少热阻，以利发热元件的散热；③通过热设计能保证设备和元器件在较低的温度条件下工作，以达到减少参数漂移，保持电器性能的稳定，提高产品可靠性。

电子设备一方面由于本身固有的规律要发出热量而使温度升高，另一方面，受到材料和元器件耐热性的限制又不允许温升超过一定的范围，设计人员分析两者之间的关系，以保证电子设备正常工作，通常处理这种关系的热设计方法有：

①提高元件、材料的允许工作温度；

②减少设备的发热量；为达到此目的应尽量采用小功率的能源和小功率的执行元件。如用晶体管代替真空管，选用小功率变压器、微型电机和微功耗器件等。在电路设计中尽量减少发热元件的数量；

③用冷却的方法改变环境温度并加快散热速度。

6.2.5 电磁兼容设计

电磁兼容性是指系统、子系统、设备在共同的电磁环境中能协调地完成各自功能的共存状态。即设备不会由于处于同一电磁环境中的其它设备的电磁干扰而导致性能降低或故障，也不会由于自身的电磁干扰处于同一电磁环境中的其它设备产生不允许的性能降低或故障。电磁兼容性是电子产品一项重要指标，它包含系统间和系统内的电磁兼容两个方面。

按照电磁兼容性的要求，处在电磁环境中的设备既有一定的抗电磁干扰的能力，同时也不能产生超过允许的电磁干扰。因此，电磁兼容设计的基本原则是：①分析并找出系统所有的人为干扰源和自然干扰源；②尽可能消除或抑制干扰源；③采用屏蔽、滤波等手段从各种传播途径上抑制干扰耦合④采用接地和搭接技术。

在对电磁干扰源进行控制的基础上，主要的抗电磁干扰的措施有：接地、搭接、屏蔽、滤波。

6.2.6 耐环境设计技术

一、环境条件及其对产品可靠性的影响

环境条件是指产品贮存、运输和使用过程中可能遇到的所有外界影响因素。环境条件极大地影响着产品的可靠性，设计人员必须首先研究各种环境的特性，分析环境对产品可靠性的各种影响，以便进行产品的耐环境设计。

常见的环境因素及其分类如表6.2，各种环境因素对产品可靠性的影响是不同的，既可能是功能故障，也可能是永久性的损坏，主要环境因素所产生的影响及其典型的故障模式如表6.2所示。

二、环境防护原则

1. 热环境防护基本原则

●保证热控制系统具有良好的冷却功能，使电子设备在规定的热环境中正常工作。

●保证热控制系统具有良好的可靠性，在规定的工作期限内温控系统应比其所防护的电子设备可靠性高。特别是对于强迫冷却系统和蒸发冷却系统，应视情采用储备方案。

●保证热控制系统具有良好的适应性。

●保证热控制系统具有良好的维修性。温控系统应便于测试、维修和更换，设备中的关键元器件应具备较好的可达性。

2. 力学环境防护的基本原则

●提高设备的耐振和抗冲击能力，控制振源，减小振动。如进行运动部件的静平衡和动平衡试验，达到最大限度的平衡。

●隔离振源，改善工作环境。当设备本身是振源时，通过积极隔振，减小传到支撑结构上的振动力。当设备本身不是振动源时，可以通过消极隔振，减小从支撑结构上传来的振动力的影响。

●避免共振，减小系统响应。如对电子设备进行刚性化安装，提高系统的刚度和质量，改变系统的干扰频率，提高设备抗振性。

3. 电磁防护的基本原则

●分析系统所处的电磁环境，找出周围可能存在的人为干扰源和天然干扰源。

●抑制干扰源，尽量去掉对系统工作作用不大的潜在干扰源，适当地选择工作模式、天线及脉冲形状。

●抑制干扰耦合，如缩短干扰耦合路径，避免布线和结构件的天线效应等。

●采用搭接和接地技术。如减少设备间的电位差,防止静电荷累积，防止雷电冲击等。

三、耐环境设计措施[3]

1. 振动与冲击防护措施

●消除相关振源

●提高结构刚度，防止低频激振

●采用隔离措施，防止高频激振

●采用去耦措施，优化固有频率

●采用阻尼减振技术

2. 防潮措施

●采用防水材料等保护涂层，并采用圆形边缘，以使保护涂层均匀

●采用排水和空气循环系统，防止潮气聚集

●采用干燥装置吸收湿气

●采用密封垫等密封器件

●改变材料的吸水性能和亲水性能

●用高强度和绝缘性能好的材料填充绝缘材料、线圈等中间的空隙、小孔、毛

细管等

3. 防盐雾措施

●采用非金属材料等耐盐雾材料（如塑料）

●在接触处采用相同的材料

●进行密封，采用干燥剂

●元部件采用相应防护措施（涂三防漆）

4. 防沙尘措施

●采用空气过滤器，规定允许通过的灰尘颗粒大小

●密封设计

●对设备表面进行耐磨耐蚀涂层处理。

6.3 机械产品可靠性设计分析方法

6.3.1 概述

一、机械产品可靠性的特点

1. 机械产品的可靠性与电子产品相比具有以下特点：

①机械产品的失效主要是耗损型失效（如疲劳、老化、磨损、腐蚀、强度退化等），而电子产品的失效主要是偶然因素造成的。

②耗损型失效的失效率随时间增长，所以机械产品的失效率随时间的变化一般不是恒定值。

③机械产品的失效模式很多，甚至同一零件有多种重要的失效模式。机械产品的失效模式一般可以划分为以下几种类型：

●损坏型失效模式：如断裂、变形过大、塑性变形、裂纹等

●退化型失效模式：如老化、腐蚀、磨损等

●松脱型失效模式：如松动、脱焊等

●失调型失效模式：如间隙不当、行程不当、压力不当等

●堵塞或渗漏型失效模式：如堵塞、漏油、漏气等

●功能型失效模式：如性能不稳定、性能下降、功能不正常等4.

④机械产品的组成零件多是非标准的，其失效统计值很分散，造成失效数据的统计困难。

⑤机械产品的不同失效模式之间往往是相关的，在进行可靠性分析时需要考虑

失效模式相关性。

2. 机械可靠性设计的特点

机械可靠性设计与以往的传统的机械设计方法不同，机械可靠性设计具有以下基本特点：

①以应力和强度为随机变量作为出发点

认识到零部件所首的应力和材料的强度均非定值，而是随机变量，具有离散性质，数学上必须用分布函数来描述，这是由于载荷、强度、结构尺寸、工况等都具有变动性和统计本质

②应用概率和统计方法进行分析

③能定量地回答产品的失效概率和可靠度

首先承认所设计的产品存在一定的失效概率，但不能超过技术文件规定的允许值。并能定量地给出所设计产品的失效率和可靠度。

④有多种可靠性指标供选择

传统的机械设计方法仅有一种可靠性评价指标是安全系数；而机械可靠性设计则要求根据不同产品的具体情况选择不同的、最适宜的可靠性指标，如失效率、可靠度、平均无故障工作时间（MTBF）维修度、有效度等。开始设计阶段就应当选定可靠性指标以及评价方法等。

⑤强调设计对产品可靠性的主导作用

强调产品的可靠性从根本上来说，是由设计决定，设计决定了产品固有的可靠性。如果设计不当，则不论制造工艺有多好，管理水平有多高，产品都是不可靠的。在设计中赋予零件以足够的固有可靠性，该零件就会本质上可靠。

⑥必须考虑环境因素

高温、低温、冲击、振动、潮湿、盐雾、腐蚀、沙尘、磨损等环境条件对应力有很大影响，进而对可靠性有很大影响。研究表明，应力分布的尾部比强度分布的尾部对可靠度的影响要大得多，因此，对环境的质量控制比对强度的质量控制会带来大得多的效益。

⑦必须考虑维修性

以有效度为可靠性指标的产品，如对于工程机械等，不论产品设计得固有可靠性有多好，都必须考虑维修性，因为它与使用和环境等一同影响产品的使用可靠性。否则不可能使产品维持高的有效度。因此，从设计一开始，就必须将固有可靠性和使用可靠性联系起来作为整体考虑。

⑧从整体的、系统的观点出发

从整体的、系统的、人机工程的观点出发考虑设计问题，并更重视产品在全寿命周期内总费用而不只是购置费用。

⑨承认在设计期间及其以后都需要可靠性增长

产品的最初设计、研制、试验期间，产品的可靠性会经常得到改善，这种改善是由于一些因素的变化，例如，在发生故障后，分析其原因就提供了改善可靠性的信息，并且在设计、研制过程中随经验的积累也会改进设计、制造工艺、提高产品的可靠性。因此，如果在产品设计、研制、试验、制造的初始阶段，定期地对产品的可靠性进行评估，将会发现可靠性特征量会逐步提高，可靠性得到了改善，这种现象称为“可靠性增长”。GB3187-82关于可靠性增长的定义是：“随着产品的设计、研制、生产各阶段工作的逐步进行，产品的可靠性特征量逐步提高的过程”。当可靠性水平接近于设计的固有可靠性时，可靠性增长将趋于饱和。可靠性增长的这些这些预测和报告给出了达到可靠性目标的进程。

二、机械可靠性设计的主要内容

①研究产品的故障物理和故障模型

②确定产品的可靠性指标及其等级

③合理分配产品的可靠性指标

④以规定的可靠性指标为依据对零件进行可靠性设计

三、机械可靠性设计的方法与步骤

由于现代的复杂昂贵的零件和系统要求高可靠度，所以必须保证把规定的目标可靠度设计到零件中去，从而设计到系统中去。所以，机械可靠性设计方法包括以下步骤：

(1)提出设计任务，规定详细指标包括技术、性能及可靠性指标。

(2)确定有关的设计变量和参数。这些变量应该是对设计结果有影响的，相互独立的，且在试验前后和进行期间都能够度量的。

(3)进行失效模式影响及致命度分析（FMECA）。

(4)确定零件的失效模式的独立性。若一种失效模式的性质受到另一种失效模式的影响，则受影响的失效模式下的应力于强度应加以修正，使计算出来的每种失效模式的可靠度相互独立。

(5)确定失效模式的判据。机械零件可能的失效模式很多，如：材料屈服、断裂、疲劳、过度变形、压杆失稳、腐蚀、磨损、蠕变、噪声过大、振幅过大等。常用的判据有：最大正应力、最大剪应力、最大变形能、最大应变能、最大应变、最大变形、疲劳下的变形能、疲劳下的最大总应变、最大许用腐蚀量、最大许用磨损量、最大许用振幅、最大许用蠕变等。

(6)确定应力函数及每种失效模式下的应力分布

(7)确定强度计算公式及每种失效模式下的强度分布

(8)确定每种致命的失效模式下与应力分布和强度分布相关的可靠度

(9)确定同时考虑所有失效模式的零件的整体可靠度

(10)确定零件可靠度的置信度。可靠度是对于零件而言的，置信度是对于样本试验结果而言的。

(11)按照上述步骤求出系统中所有关键零部件的可靠度

(12)对系统进行故障树分析（FTA）

(13)计算子系统和整个系统的可靠度

(14)如果必要，可以对整个设计的内容进行优化。

6.3.2 静强度概率设计法

一、应力和强度的随机分布

从可靠性的角度考虑，“应力”是指引起失效的负荷。它不仅包括外力在微元面积上产生的内力与微元面积比值，而且包括各种环境因素。而强度则是指抵抗失效的能力。由于影响应力和强度的因素具有随机性，所以应力和强度具有分散性。在传统设计中往往使用安全系数来考虑这种分散特性的影响。由于对不同分散特性(分布类型和参数)没有区分，所以这种考虑是粗糙的，如为了安全，安全系数往往取值很大，得部不到很好的设计。机械可靠性设计理论根据应力和强度实际存在的分散特性，应用概率论和数理统计的方法，分析计算机械产品得可靠度。

机械结构常见的应力分布和强度概率分布类型有:

正态分布：一般机械零件的静强度、材料性能、尺寸偏差等基本上可归纳为正态分布。它是机械结构中最常见的一种分布。

对数正态分布：结构的疲劳强度常呈现这种分布。

威布尔分布：由于它有三个参数（即形状、位置、尺寸参数），特别是由于有形状参数，对于连续型随机变量，它是一种适应性最好的一种分布。但由于该分布有三个参数，它应用起来较复杂，从而使它在一些统计推断和可靠性统计的使用中受到限制。

另外，应该看到：随着机械运转或者存放时间的增加，由于疲劳、磨损或老化变质等因素的影响，应力与强度分布的位置也随着变化。例如图5.1表现了这种变化

对结构可靠性变化的影响。

在图6.1中可以看出，在时间t=0时，全部结构强

度大于应力，结构在完全可靠地工作，而当时间变化

到t1时刻，由于强度分布的下降，部分结构强度小于

应力，不能可靠地工作。机械结构的这种变化在设计

时应予以足够的重视。

二、确定应力和强度随机分布的方法

由于应力和强度具有随机性，所以在应用干涉理论进行可靠性分析时需要先确定应力和强度的随机分布。

1. 应力分布的确定

用FMECA确定需要进行可靠度计算的重要失效模式，如静强度断裂、屈服、失稳、疲劳、磨损、腐蚀等；

针对不同的失效模式确定相应的失效判据；

针对不同的失效判据，应用材料力学、弹塑性理论、有限元分析、断裂力学和实验应力分析等方面的知识计算其应力。

要根据实际受力情况，用修正系数对计算的名义应力进行适当的修正，得到相应应力分量的最大值，常用的应力系数有：应力集中系数、载荷系数、表面处理应力系数、热处理应力系数等。

确定应力方程中每个参数和系数的分布，通过概率运算、矩阵或蒙特卡罗法得到相应的应力分布。

2. 强度分布的确定

建立与失效应力判据相对应的强度判据。常用的强度判据如上所述；

确定名义强度

用适当的修正系数修正名义强度。零件的强度与试件的强度差别需用修正系数进行修正，通常考虑的修正系数有尺寸系数、表面质量系数、应力集中系数等。 确定方程中所有参数和系数的分布，通过概率运算、矩阵或蒙特卡罗法得到相应的强度分布。

三、干涉理论及可靠度计算

根据传统的设计方法，安全系数为“平

均强度/平均载荷”，或者“最小强度/最大

载荷”。若取安全系数C＝x S/x L，图6.2(a)、

(b)、(c)和(d)中具有相同的x S和x L数值，故

具有相同的安全系数，但其可靠性却具有

很大的差异。图(a)和(b)最大应力小于最小

强度，应力和强度分布曲线无干涉区，因

此R a=R b=1；图(c)和(d)最大应力大于最小

强度，应力和强度分布曲线有干涉区（图

中阴影部分），因此R d

看出产生差异的根本原因是应力和强度分

布的离散程度不同。由于在工程实践中任

何机械结构的应力和强度的离散都是客观

存在的。在这种前提下应该如何选择安全系

数？[1]p118

图6.2中的阴影部分称为应力强度干涉

区。为了便于分析，将干涉区放大如图6.3

所示。

假设应力为x L ，则当强度x s 大于应力时，

结构是安全可靠的，所以强度大于应力情况

的概率即结构的可靠性为：R ＝P(x S >x L )

令给应力x L 在一个区间[x L －dx/2，x L ＋

dx/2]内取值，根据概率论理论，面积A 1表示

应力在这个区间的概率，即P{x L －dx/2

强度大于X L 的概率，以图中的面积A 2表示，为：

P{ X s >X L }=

∞2

(x s )dx ＝

A 2

因为{ x L －dx/2< X L L dx/2} 与{ X s >X L }为两个独立实验，且要结构不发生破坏，这两个事件都要发生。按概率乘法定理，两独立事件同时发生的概率等于两事件单独发生概率的乘机，则区间{x L －dx/2< X L

dR ＝f 1(x L )dx 2(x s )dx

对于整个应力分布的可靠度R 为

R ＝∫∞f2(xs)dx[∫∞f1(xl)dx]dx

当已知应力和强度的概率密度函数时,根据上式即可求得可靠度.

5.3.3 疲劳强度可靠性设计

机械产品或结构在静载荷作用下会发生静强度失效，而在交变载荷作用下往往发生疲劳失效。疲劳过程就是由于载荷的重复作用导致零件内部的损伤累积过程。其发生破坏的最大应力水平低于极限静强度，且往往低于材料的屈服极限。因此，疲劳破坏和静强度破坏不同，它是结构在低于结构强度的交变应力的反复作用下，发生裂纹和扩展，最后突然断裂。其主要特征为：

● 无论结构由脆性材料还是由塑性材料构成，疲劳断裂都表现为无显著塑性变形的脆性断裂。

● 由于外力传递、几何突变、温度差别、材料缺陷等因素使结构产生局部高应力或高应变，疲劳破坏常常发生在这些区域。因此，局部的设计和工艺措施可显著提高结构的抗疲劳性能。

● 疲劳破坏是一个累计损伤过程，又可分为裂纹形成、裂纹扩展和迅速断裂三个阶段。

对承受交变载荷的多数机械结构来说，机械静强度可靠性设计不能反映它们的实际载荷情况，因此对这些机械零件必须进行疲劳强度可靠性设计。

疲劳设计的安全准则经历了以下演变过程：

●无限寿命设计，要求设计应力低于疲劳极限，这是最早的疲劳安全设计准则；

●安全寿命设计，要求零件或结构在规定使用期限内不能产生任何疲劳裂纹；

●破损安全设计，要求裂纹被检测出之前，裂纹不会导致整个结构破坏。这要求裂纹要及时被检测出来，并发展速度较慢。

●损伤容限设计，此方法首先假设结构中预先存在裂纹，再用断裂力学的方法计算分析这些裂纹的扩展规律。此种方法使用于裂纹扩展速率较慢，且具有高韧性的材料。

疲劳可靠性设计与分析主要包括两个方面的内容，一是在规定的寿命条件下，对结构进行满足可靠性要求的强度设计，二是在给定载荷和结构条件下，进行可靠寿命的预测。

一、基本概念

1. 交变应力

疲劳载荷的形式很多，但一般可分为确定的和随机的两种。前者是一种按一定规律变化且重复的载荷，其加载规律可用数学公式表达，它又可以分为稳定变应力和不稳定变应力（如图6.4所示）；而随机载荷只能进行统计描述。

表示稳定循环载荷特征的参数r定义为：

r＝(S m－S a )/ (S m＋S a)

式中：S m——循环应力的应力幅值

S a——循环应力的平均应力

当r＝1时，为恒定静载荷；r＝0时，为脉动载荷；r＝－1时，为对称循环载荷。

2. 载荷谱

将实测的载荷（应力）-时间历程经统计后得出载荷的大小与其出现频次的关系。表示随机载荷的大小与其出现频次关系的图形、数字、表格、矩阵等称为载荷谱。

为了使产品设计和疲劳强度试验研究建立在反映实际使用时的载荷工况的基础上，就要采集该产品在各种典型使用工况下的载荷-时间历程，经统计分析和处理后

编制工作载荷谱，根据工作载荷谱编制模拟试验用的加载谱，对所设计的产品或零件按加载谱加载，进行疲劳寿命试验来验证设计。因此，载荷谱是产品与零件疲劳试验的依据，也是产品可靠性设计的载荷依据。

载荷谱常用的一种图形表达式如图6.5所示的累积频数曲线。工作载荷谱的载荷幅值是连续变化的，可用一阶梯形曲线来近

似它。这一梯形曲线就是程序载荷谱。在疲

劳试验中利用程序载荷谱加载就更容易实

现。由图6.5可见，程序载荷谱的程序块容量

越小，块数越多，就越接近工作载荷谱，就

越接近连续变化的载荷-时间历程，但计算工

作量太大。实际工程中经常都采用8级程序载荷谱。

3. S-N 及P-S-N 疲劳曲线

为测试某零件的平均寿命，将许多试样在不同应力水平的载荷下进行试验直至失效。其结果可画在坐标纸上，以应力为纵坐标，相应的循环次数为横坐标。所得的疲劳曲线简称为S-N 曲线。如图6.6所示

在一定的循环特征r 下，材料可承受无限次应力循环而不

发生破坏，此时的最大应力称为在这一循环特征r 下的“持久疲劳极限”，通常r=－1时的持久疲劳极限最小，

因此习惯上讲材料的持久疲劳极限指r=－1时的最大应

力。

S-N 曲线可以给出以下三种疲劳强度数据：①给定

寿命下的疲劳极限；②给定应力水平下的疲劳寿命；③持久疲劳极限。

S-N 曲线一般是按试验数据的平均值绘制的，即S-N 曲线为破坏概率为50%的疲劳曲线。由于疲劳数据的分散性较大，若要设计高可靠性的抗疲劳结构，则需要根据已确定的可靠性指标，绘制相应的破坏概率的疲劳曲线。因此，在疲劳强度的可靠性设计中，把S-N 曲线扩展成一个分布带，如图6.7所示。

P-S-N 曲线与S-N 曲线相比，它给出了对应寿命下的疲劳强度的随机特性分布和对应疲劳强度下的疲劳寿命的分散特性。P-S-N 曲线可以提供以下三种疲劳强度分布数据：①给定寿命下的疲劳强度的分布数据；②给定应力水平下的疲劳寿命的分布数据；③持久疲劳极限的分散特性。

[3]p210图10.8 [3]p211图10.10

二、 稳定循环变应力下规定寿命的疲劳强度可靠性设计

疲劳强度可靠性设计的理论基础是应力-强度干涉理论。稳定循环变应力下的疲劳可靠性设计比较简单，是其它载荷情况下疲劳可靠性分析的基础。其它载荷情况下，可以根据一定的规则把其向稳定循环变应力转换。

如果仅考虑应力幅S m 和平均应力S a 的分散特性，载荷循环特征值r 为常数时，在疲劳极限图的等r 线上，可以给出复合疲劳应力的分布f(s f )和相应的复合疲劳强度的分布f(S f )，构成了一维应力-强度干涉模型。此时，疲劳可靠性的计算与前面所述的静强度干涉模型相同。

从图6.8中可以看出，在恒定r 值下的复合疲劳强度

S f ＝(S m 2＋S a 2)1/2

其均值： S f ＝(S m 2＋S a 2)1/2

标准差：

复合疲劳应力： s f ＝(s m 2＋s a 2)1/2

其均值： s f ＝(s m 2＋s a 2)1/2

标准差：

可靠度系数：

β=

可靠度：R ＝Φ(β)

5.3.4 磨损和腐蚀的概率计算

磨损和腐蚀是机械产品的主要失效模式之一。磨损和腐蚀的概率计算是在常规磨损和腐蚀的即基础之上，考虑参数的分散特性进行的，其可靠度计算的基本原理同样是干涉理论。

一、磨损量与时间的关系

在组成摩擦副的两个对偶件之间，由于接触和相对运动而造成其表面材料不断损失的过程称为磨损。有磨损所造成的摩擦副表面材料质量的损失量称为磨损量。

磨损量是时间的函数。磨损量随时间的变化率称为磨损速度。显然影响磨损的因素很多，但大量的试验结果表明，磨损量和磨损速度随时间变化具有如图6.9所示规律。

为使摩擦副正常工作，必须保证使其通过磨合期而保持在稳定磨损期工作。由于稳定磨损期内磨损速度恒定，所以磨损量等于磨损速度与进入稳定磨损阶段的磨损时间的乘积。而稳定磨损阶段的磨损速度与载荷、摩擦表面正压力、摩擦表面相对滑动速度、表面材料特性及加工处理润滑情况等有关。

磨损速度和磨损量具有分散特性，其分散特性的分布参数可参阅[5]p283。

二、给定寿命下的耐磨可靠度计算

1.耐磨可靠度的定义

在给定的工作时间t内，摩擦副表面磨损总量W

Σ小于等于其允许的最大磨损量WΣmax的概率，即摩擦副在给定寿命t下的耐磨可靠度为：

R＝P(WΣ(t)≤WΣmax)

2.耐磨可靠度的计算方法

由于总磨损量W

Σ(t)可看成正态随机变量，则耐磨可靠度由下式可求得

R＝P(WΣ(t)≤WΣmax)＝Φ{[WΣmax–(μW1+μu t)]/ (σW12+σu2t2)1/2}

式中：μ

W1、σ

W1

——磨合期初始磨损量的均值和方差；

μu、σu ——稳定磨损期磨损速度的均值和方差；

t ——给定工作时间

3.给定耐磨可靠度时可靠寿命的计算

此问题可根据连续方程解决。由连续方程得：

β＝[WΣmax–(μW1+μu t)]/ (σW12+σu2t2)1/2

上式唯一的未知数是工作时间，方程符合工程意义的解就是可靠寿命的值。

5.3.5 机构功能可靠性

机械可靠性一般可分为结构可靠性和机构可靠性。结构可靠性主要考虑机械

结构的强度以及由于载荷的影响使之疲劳、磨损、断裂等引起的失效；机构可靠性则主要考虑的不是强度问题引起的失效，而是考虑机构在动作过程由于运动学问题而引起的故障。

机械可靠性设计可分为定性可靠性设计和定量可靠性设计。所谓定性可靠性设计就是在进行故障模式影响及危害性分析的基础上，有针对性地应用成功的设计经验使所设计的产品达到可靠的目的。所谓定量可靠性设计就是充分掌握所设计零件的强度分布和应力分布以及各种设计参数的随机性基础上，通过建立隐式极限状态函数或显式极限状态函数的关系设计出满足规定可靠性要求的产品。

机械可靠性设计方法是常用的方法，是目前开展机械可靠性设计的一种最直接有效的方法，无论结构可靠性设计还是机构可靠性设计都是大量采用的常用方法。可靠性定量设计虽然可以按照可靠性指标设计出满足要求的恰如其分的零件，但由于材料的强度分布和载荷分布的具体数据目前还很缺乏，加之其中要考虑的因素很多，从而限制其推广应用，一般在关键或重要的零部件的设计时采用。

机械可靠性设计由于产品的不同和构成的差异，可以采用的可靠性设计方法有：

1.预防故障设计

机械产品一般属于串联系统.要提高整机可靠性,首先应从零部件的严格选择和控制做起。例如，优先选用标准件和通用件；选用经过使用分析验证的可靠的零部件；严格按标准的选择及对外购件的控制；充分运用故障分析的成果，采用成熟的经验或经分析试验验证后的方案。

2.简化设计

在满足预定功能的情况下，机械设计应力求简单、零部件的数量应尽可能减少，越简单越可靠是可靠性设计的一个基本原则，是减少故障提高可靠性的最有效方法。但不能因为减少零件而使其它零件执行超常功能或在高应力的条件下工作。否则，简化设计将达不到提高可靠性的目的。

3.降额设计和安全裕度设计

降额设计是使零部件的使用应力低于其额定应力的一种设计方法。降额设计可以通过降低零件承受的应力或提高零件的强度的办法来实现。工程经验证明，大多数机械零件在低于额定承载应力条件下工作时，其故障率较低，可靠性较高。为了找到最佳降额值，需做大量的试验研究。当机械零部件的载荷应力以及承受这些应力的具体零部件的强度在某一范围内呈不确定分布时，可以采用提高平均强度（如通过大加安全系数实现）、降低平均应力，减少应力变化（如通过对使用条件的限制实现）和减少强度变化（如合理选择工艺方法，严格控制整个加工过程，或通过检验或试验剔除不合格的零件）等方法来提高可靠性。对于涉及安全的重要零部件，还可以采用极限设计方法，以保证其在最恶劣的极限状态下也不会发生故障。

硬件系统的可靠性设计

硬件系统的可靠性设计

目录 1 可靠性概念 (4) 1.1 失效率 (4) 1.2 可靠度 (5) 1.3 不可靠度 (6) 1.4 平均无故障时间 (6) 1.5 可靠性指标间的关系 (6) 2 可靠性模型 (7) 2.1 串联系统 (7) 2.2 并联系统 (9) 2.3 混合系统 (11) 2.4 提高可靠性的方法 (12) 3 可靠性设计方法 (12) 3.1 元器件 (12) 3.2 降额设计 (13) 3.3 冗余设计 (14) 3.4 电磁兼容设计 (15) 3.5 故障自动检测与诊断 (15) 3.6 软件可靠性技术 (15) 3.7 失效保险技术 (15) 3.8 热设计 (16) 3.9 EMC设计 (16) 3.10 可靠性指标分配原则 (17) 4 常用器件的可靠性及选择 (19) 4.1 元器件失效特性 (19) 4.2 元器件失效机理 (21) 4.3 元器件选择 (23) 4.4 电阻 (23) 4.5 电容 (26) 4.6 二极管 (30) 4.7 光耦合器 (31) 4.8 集成电路 (32) 5 电路设计 (38) 5.1 电流倒灌 (38) 5.2 热插拔设计 (40) 5.3 过流保护 (41) 5.4 反射波干扰 (42) 5.5 电源干扰 (49) 5.6 静电干扰 (51) 5.7 上电复位 (52) 5.8 时钟信号的驱动 (53) 5.9 时钟信号的匹配方法 (55) 6 PCB设计 (60)

6.1 布线 (60) 6.2 去耦电容 (62) 7 系统可靠性测试 (62) 7.1 环境适应性测试 (62) 7.2 EMC测试 (63) 7.3 其它测试 (63) 8 参考资料 (64) 9 附录 (64)

可靠性设计的主要内容

可靠性设计的主要内容 1、研究产品的故障物理和故障模型 搜集、分析与掌握该类产品在使用过程中零件材料的老化、损伤和故障失效等（均为受许多复杂随机因素影响的随机过程）的有关数据及材料的初始性能（强度、冲击韧性等）对其平均值的偏离数据，揭示影响老化、损伤这一复杂物理化学过程最本质的因素，追寻故障的真正原因。研究以时间函数形式表达的材料老化、损伤的规律，从而较确切的估计产品在使用条件下的状态和寿命。用统计分析的方法使故障（失效）机理模型化，建立计算用的可靠度模型或故障模型，为可靠性设计奠定物理数学基础，故障模型的建立，往往以可靠性试验结果为依据。 2、确定产品的可靠性指标及其等级 选取何种可靠性指标取决于产品的类型、设计要求以及习惯和方便性等。而产品可靠性指标的等级或量值，则应依据设计要求或已有的试验，使用和修理的统计数据、设计经验、产品的重要程度、技术发展趋势及市场需求等来确定。例如，对于汽车，可选用可靠度、首次故障里程、平局故障间隔里程等作为可靠性指标，对于工程机械则常采用有效度。 3、合理分配产品的可靠性指标值

将确定的产品可靠性指标的量值合理分配给零部件，以确定每个零部件的可靠性指标值，后者与该零部件的功能、重要性、复杂程度、体积、重量、设计要求与经验、已有的可靠性数据及费用等有关，这些构成对可靠性指标值的约束条件。采用优化设计方法将产品（系统、设备）的可靠性指标值分配给各个零部件，以求得最大经济效益下的各零部件可靠性指标值最合理的匹配。 4、以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠性设计 即把规定的可靠性指标值直接设计到零件中去，使它们能够保证可靠性指标值的实现。

通用的可靠性设计分析方法

通用的可靠性设计分析方法 1.识别任务剖面、寿命剖面和环境剖面 在明确产品的可靠性定性定量要求以前，首先要识别产品的任务剖面、寿命剖面和环境剖面。 （1）任务剖面“剖面”一词是英语profile的直译，其含义是对所发生的事件、过程、状态、功能及所处环境的描述。显然，事件、状态、功能及所处环境都与时间有关，因此，这种描述事实上是一种时序的描述。 任务剖面的定义为：产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。它包括任务成功或致命故障的判断准则。 对于完成一种或多种任务的产品，均应制定一种或多种任务剖面。任务剖面一般应包括：1）产品的工作状态； 2）维修方案； 3）产品工作的时间与程序； 4）产品所处环境（外加有诱发的）时间与程序。 任务剖面在产品指标论证时就应提出，它是设计人员能设计出满足使用要求的产品的最基本的信息。任务剖面必须建立在有效的数据的基础上。 图1表示了一个典型的任务剖面。 （2）寿命剖面寿命剖面的定义为：产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。寿命剖面包括任务剖面。 寿命剖面说明产品在整个寿命期经历的事件，如：装卸、运输、储存、检修、维修、任务剖面等以及每个事件的持续时间、顺序、环境和工作方式。 寿命剖面同样是建立产品技术要求不可缺少的信息。 图2表示了寿命剖面所经历的事件。

（3）环境剖面环境剖面是任务剖面的一个组成部分。它是对产品的使用或生存有影响的环境特性，如温度、湿度、压力、盐雾、辐射、砂尘以及振动冲击、噪声、电磁干扰等及其强度的时序说明。 产品的工作时间与程序所对应的环境时间与程序不尽相同。环境剖面也是寿命剖面和任务剖面的一个组成部分。 2.明确可靠性定性定量要求 明确产品的可靠性要求是新产品开发过程中首先要做的一件事。产品的可靠性要求是进行可靠性设计分析的最重要的依据。 可靠性要求可以分为两大类：第一类是定性要求，即用一种非量化的形式来设计、分析以评估和保证产品的可靠性；第二类是定量要求，即规定产品的可靠性指标和相应的验证方法。 可靠性定性要求通常以要求开展的一系列定性设计分析工作项目表达。常用的可靠性定性设计工作项目见表1。

现代设计方法(第四章 可靠性设计)

简述可靠性设计传统设计方法的区别。 答：传统设计是将设计变量视为确定性单值变量，并通过确定性函数进行运算。 而可靠性设计则将设计变量视为随机变量，并运用随机方法对设计变量进行描述和运算。 1.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。 可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。是对产品可靠性的概率度量。 可靠度是对产品可靠性的概率度量。 2）可靠性工程领域主要包括以下三方面的内容： 1.可靠性设计。它包括了设计方案的分析、对比与评价，必要时也包括可靠性试验、生产制造中的质量控制设计及使用维修规程的设计等。 2.可靠性分析。它主要是指失效分析，也包括必要的可靠性试验和故障分析。这方面的工作为可靠性设计提供依据，也为重大事故提供科学的责任分析报告。 3.可靠性数学。这是数理统计方法在开展可靠性工作中发展起来的一个数学分支。 。可靠性设计具有以下特点： 1.传统设计方法是将安全系数作为衡量安全与否的指标，但安全系数的大小并没有同可靠度直接挂钩，这就有很大盲目性。可靠性设计与之不同，它强调在设计阶段就把可靠度直接引进到零件中去，即由设计直接决定固有的可靠度。 2.传统设计是把设计变量视为确定性的单值变量并通 过确定性的函数进行运算，而可靠性设计则把设计变量视为随机变量并运用随机方法对设计变量进行描述和 运算。 3.在可靠性设计中，由于应力S和强度R都是随机变量，所以判断一个零件是否安全可靠，就以强度R大于应力S的概率大小来表示，这就是可靠度指标。 4.传统设计与可靠性设计都是以零件的安全或失效作 为研究内容，因此，两者间又有着密切的联系。可靠性设计是传统设计的延伸与发展。在某种意义上，也可以认为可靠性设计只是在传统设计的方法上把设计变量 视为随机变量，并通过随机变量运算法则进行运算而已。 。平均寿命（无故障工作时间）：指一批产品从投入运行到发生失效（或故障）的平均工作时间。 对不可修复的产品而言，T是指从开始使用到发生失效的平均时间，用MTTF表示； 对可修复的产品而言，是指产品相邻两次故障间工作时间的平均值，用MTBF表示； 平均寿命的几何意义是：可靠度曲线与时间轴所夹的面积。 6.正态分布曲线的特点是什么？什么是标准正态分布？ ：正态分布曲线f(x)具有连续性，对称性，其曲线与横坐标轴间围成的总面积恒等于 1.在均值μ和离均值的距离为标准差的某一指定倍数z。之间，分布有确定的百分数，均值或数学期望μ表征随机变量分布的集中趋势，决定正态分布曲线位置；标准差σ，他表征随机变量分布的离散程度，决定正态分布曲线的形状。定义μ=0,σ=1，即N(0,1)为标准正态分布。 7.系统可靠性的大小主要取决于：(1)组成系统的零部件的可靠性 (2)零部件的组合方式。 1.什么是3σ法则？已知手册上给出的16Mn的抗拉强度为1100~1400MPa，试利用3σ法则确定该材料抗拉强度的均值和标准差。 在进行可靠性计算时，引用手册上的数据，可以认为它们服从正态分布，手册上所给数据范围覆盖了该随机变量的+-3σ，即6倍的标准差，称这一原则为3σ法则。均值=（1100+1400）/2=1250MPa 标准差=（1400-1100）/6=50Mpa。从正态分布知，对应+-3σ范围的可靠度已为0.9973. 2. 简述强度—应力干涉理论中“强度”和“应力” 的含义，试举例说明之。 答：强度一应力干涉理论中“强度”和“应力”具有 广义的含义：“应力”表示导致失效的任何因素；而 “强度”表示阻止失效发生的任何因素。“强度” 和“应力”是一对矛盾的两个方面，它们具有相同的 量纲；例如，在解决杆、梁或轴的尺寸的可靠性设计 中，“强度”就是指材料的强度，“应力”就是指零件 危险断面上的应力，但在解决压杆稳定性的可靠性设 计中，“强度”则指的是判断压杆是否失稳的“临界 压力”，而“应力”则指压杆所受的工作压力。 3.说明常规设计方法中采用平均安全数的局限性。 答：平均安全系数未同零件的失效率联系起来，有很 大的盲目性。 从强度一应力干涉图可以看出 1）即使安全系数大于 1，仍然会有一定的失效概率。2）当零件强度和工作 应力的均值不变（即对应的平均安全系数不变），但 零件强度或工作应力的离散程度变大或变小时，其干 涉部分也必然随之变大或变小，失效率亦会增大或减 少。 1.所谓系统，是为完成某一功能而由若干零部件相互 有机地组合起来的综合体。系统的可靠度取决于两个 因素：一是组成系统的零部件的可靠度；二是零部件 的组合方式。 3.串联系统：若系统中诸零件的失效相互独立，但当 系统中任一个零件发生故障都会导致整个系统失效 时，则这种零件的组合形式称为串联模型。 3.串联系统的可靠度：串联系统的可靠度Rs低于组 成零件的可靠度Ri。因此，要提高串联系统的可靠 度，最有效的措施是减少组成系统的零件数目。 4.并联系统：有冗余系统和表决系统。冗余系统又可 分为工作冗余系统和非工作冗余系统。 5.工作冗余系统：在该系统中，所有零件都同时参加 工作，而且任何一个零件都能单独支持整个系统正常 工作。即在该系统中，只要不是全部零件失效，系统 就可以正常工作。 6.非工作冗余系统：在该系统中，只有某一个零件处 于工作状态，其它零件则处于非工作状态。只有当工 作的零件出现故障后，非工作的零件才立即转入工作 状态。 。非工作冗余系统的可靠度高于工作冗余系统，这是 因为工作冗余系统的零件虽然都处于不满负荷状态 下，但它们总是在工作，必然会磨损或老化。非工作 冗余系统虽不存在这个问题，却存在一个转换开关的 可靠度问题。 。r/n表决系统:在n个零件组成的并联系统中，n个 零件都参加工作，但其中要有r个以上的零件正常工 作，系统才能正常工作。它是属于一种广义的工作冗 余系统。当r=1时，就是工作冗余系统，当r=n时， 就是串联系统。 。复杂系统的可靠性预测方法：等效功能图法、布尔 真值表法； 。故障树分析的步骤：1，在充分熟悉系统的基础上， 建立故障树；2，进行定性分析，识别系统的薄弱环 节；3，进行定量分析，对系统的可靠性作出评价。 。故障树：是一种倒立的树状逻辑因果关系图，它是 用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种 事件之间因果关系的图。 。故障树的定性分析是寻找故障树的全部最小割集或 最小路集。其目的是为了找出引了系统故障的全部可 能的起因，并定性的识别系统的薄弱环节。 。最小割集：如果将割集中任意去掉一个基本事件后就不再 是割集。 。最小路集：路集也是一些基本事件的集合，当该集合所有 的基本事件同时不发生时，则顶事件必然不发生。如果将路 集中任意去掉一个基本事件后就不再是路集的话，则称此路 集为最小路集。 。最小割集代表系统的一种失效模式；一个最小路集代表系 统的一个正常模式。 。故障树的全部最小割集即是顶事件发生的全部可能原因， 构成了系统的故障谱。因此，在产品设计中要努力降低最小 割集发生的可能性，这就是产品的薄弱环节。反过来说，为 保证系统正常工作，必须至少保证一个最小路集存在。 。故障树的定量分析就是根据基本事件的概率求出顶事件发 生的概率，从而对系统的可靠性作出评价。 。可靠度分配按分配原则的不同，有等同分配法、加权分配 法和动态规划最优分配法； 。等同分配法：它按照系统中各单元（子系统或零部件）的 可靠度均相等的原则进行分配。其计算简单，缺点是没有考 虑各子系统现有的可靠度水平、重要性等因素。 。加权分配法：它是把各子系统在整个系统中的重要度以及 各子系统的复杂度作为权重来分配可靠度的。 。最优分配法：采用动态规划最优分配法，可以把系统的成 本、重量、体积或研制周期等因素为最小作为目标函数，而 把可靠度不小于某一给定值作为约束条件进行可靠度分配； 也可以把系统可靠度尽可能大作为目标函数，而将成本等因 素视为约束条件进行可靠度分配。这要根据具体问题来确定。 特点：机电产品的可靠性指标不仅取决于零部件的可靠度， 而且还将受制造成本、研制周期、重量、体积等因素的制约。 因此，要全面考虑这些因素的影响，必须采用优化方法分配 可靠度。 。一是可靠性设计的有效性取决于所采用的统计参数是否准 确可靠；二是应用明确规定产品失效的形式和判据。 。试简述强度和应力均为正态分布时，强度和应力干涉的三 种典型情况下手失效率情况。 1.强度的均值大于应力的均值，这时的干涉概率，即不可靠 度F小于50%。当强度的均值减去应力的均值为一定值时， 概率F的大小，随强度和应力的标准增大而增大。常规设计 的安全系数大于1时属于这种情况。这种情况下，还可能出 现失效。 2.强度的均值等于应力的均值，此时，失效率F为50% 3.强度的均值小于应力的均值，此时安全系数小于1，失效 概率大于50%，零件仍具有一定的可靠度。

系统可靠性设计与分析

可靠性设计与分析作业 学号：071130123 姓名：向正平一、指数分布的概率密度函数、分布函数、可靠度函数曲线 （1）程序语言 t=(0:0.01:20); Array m=[0.3,0.6,0.9]; linecolor=['r','b','y']; for i=1:length(m); f=m(i)*exp(-m(i)*t); F=1-exp(-m(i)*t); R=exp(-m(i)*t); color=linecolor(i); subplot(3,1,1); title('指数函数概率密度函数曲线'); plot(t,f,color); hold on subplot(3,1,2); title('指数函数分布函数函数曲线'); plot(t,F,color); hold on subplot(3,1,3); title('指数指数分布可靠度函数曲线 plot(t,R,color); hold on end （3）指数分布的分析 在可靠性理论中，指数分布是最基本、最常用的分布，适合于失效率为常数 的情况。指数分布不但在电子元器件偶然失效期普遍使用，而且在复杂系统和整 机方面以及机械技术的可靠性领域也得到使用。 有图像可以看出失效率函数密度f(t)随着时间的增加不断下降，而失效率随 着时间的增加在不断的上升，可靠度也在随着时间的增加不断地下降，从图线的 颜色可以看出，随着m的增加失效率密度函数下降越快，而可靠度的随m的增加 而不断的增加，则失效率随m的增加减小越快。 在工程运用中，如果某零件符合指数分布，那么可以适当增加m的值，使零 件的可靠度会提升，增加可靠性。 二、正态分布的概率密度函数、分布函数、可靠性函数、失效率函数曲线 （1）程序语言 t=-10:0.01:10; m=[3,6,9]; n=[1,2,3]; linecolor=['r','b','y'];

可靠性设计的基本概念与方法

4．6 可靠性设计的基本概念与方法 一、结构可靠性设计概念 1．可靠性含义 可靠性是指一个产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力；而一个工业产品(包括像飞机这样的航空飞行器产品)由于内部元件中固有的不确定因素以及产品构成的复杂程度使得对所执行规定功能的完成情况及其产品的失效时间(寿命)往往具有很大的随机性，因此，可靠性的度量就具有明显的随机特征。一个产品在规定条件下和规定时间内规定功能的概率就称为该产品的可靠度。作为飞机结构的可靠性问题，从定义上讲可以理解为：“结构在规定的使用载荷／环境作用下及规定的时间内，为防止各种失效或有碍正常工作功能的损伤，应保持其必要的强刚度、抗疲劳断裂以及耐久性能力。”可靠度则应是这种能力的概率度量，当然具体的内容是相当广泛的。例如，结构元件或结构系统的静强度可靠性是指结构元件或结构系统的强度大于工作应力的概率，结构安全寿命的可靠性是指结构的裂纹形成寿命小于使用寿命的概率；结构的损伤容限可靠性则一方面指结构剩余强度大于工作应力的概率，另一方面指结构在规定的未修使用期间内，裂纹扩展小于裂纹容限的概率．可靠性的概率度量除可靠度外，还可有其他的度量方法或指标，如结构的失效概率F(c)，指结构在‘时刻之前破坏的概率；失效率^(()．指在‘时刻以前未发生破坏的条件下，在‘时刻的条件破坏概率密度；平均无故障时间MTTF(MeanTimeToFailure)，指从开始使用到发生故障的工作时间的期望值。除此而外，还有可靠性指标、可靠寿命、中位寿命，对可修复结构还有维修度与有效度等许多可靠性度量方法。 2．.结构可靠性设计的基本过程与特点 设计一个具有规定可靠性水平的结构产品，其内容是相当丰富的，应当贯穿于产品的预研、分析、设计、制造、装配试验、使用和管理等整个过程和各个方面。从研究及学科划分上可大致分为三个方面。 (1)可靠性数学。主要研究可靠性的定量描述方法。概率论、数理统计，随机过程等是它的重要基础。 (2)可靠性物理。研究元件、系统失效的机理，物理成固和物理模型。不同研究对象的失效机理不同，因此不同学科领域内可靠性物理研究的方法和理论基础也不同． (3)可靠性工程。它包含了产品的可靠性分析、预测与评估、可靠性设计、可靠性管理、可靠性生产、可靠性维修、可靠性试验、可靠性数据的收集处理和交换等．从产品的设计到产品退役的整个过程中，每一步骤都可包含于可靠性工程之中。 由此我们可以看出，结构可靠性设计仅是可靠性工程的其中一个环节，当然也是重要的环节，从内容上讲，它包括了结构可靠性分析、结构可靠性设计和结构可靠性试验三大部分。结构可靠性分析的过程大致分为三个阶段。 一是搜集与结构有关的随机变量的观测或试验资料，并对这些资料用概率统计的方法进行分析，确定其分布概率及有关统计量，以作为可靠度和失效概率计算的依据。

硬件系统可靠性设计规范

硬件系统可靠性设计规范 一、概论 可靠性的定义：产品或系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力 可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分,它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。设备可靠性设计规范的一个核心思想是监控过程，而不是监控结果。 二、可靠性设计方法 1、元器件：构成系统的基本部件，作为设计与使用者，主要是保证所选用的元器件的质量或可靠性指标满足设计的要求 2、降额设计：使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值，从而达到降低基本故障率，保证系统可靠性的目的。幅度的大小可分为一、二、三级降额，一级降额（(实际承受应力)/(器件额定应力) < 50%的降额），建议使用二级降额设计方法，一级降额<70% 3、冗余设计：也称为容错技术或故障掩盖技术，它是通过增加完成同一功能的并联或备用单元（包括硬件单元或软件单元）数目来提高系统可靠性的一种设计方法，实现方法主要包括：硬件冗余；软件冗余；信息冗余；时间冗余等 4、电磁兼容设计：系统在电磁环境中运行的适应性，即在电磁环境下能保持完成规定功能的能力。电磁兼容性设计的目的是使系统既不受外部电磁干扰的影响，也不对其它电子设备产生电磁干扰。硬件措施主要有滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、接地技术等；软件措施主要有数字滤波、软件冗余、程序运行监视及故障自动恢复技术等 5、故障自动检测及诊断 6、软件可靠性设计：为了提高软件的可靠性，应尽量将软件规范化、标准化、模块化 7、失效保险技术 8、热设计 9、EMC设计：电磁兼容（EMC）包括电磁干扰（EMI）和电磁敏感度（EMS）两个方面 三、可靠性设计准则

北京航空航天大学系统可靠性设计分析期末试卷a

1．判断题（共20分，每题2分，答错倒扣1分） (1)（）系统可靠性与维修性决定了系统的可用性和可信性。 (2)（）为简化故障树，可将逻辑门之间的中间事件省略。 (3)（）在系统寿命周期的各阶段中，可靠性指标是不变的。 (4)（）如果规定的系统故障率指标是每单位时间0.16，考虑分配余量，可以按每单位时间0.2 进行可靠性分配。 (5)（）MTBF和MFHBF都是基本可靠性参数。 (6)（）电子元器件的质量等级愈高，并不一定表示其可靠性愈高。 (7)（）事件树的后果事件指由于初因事件及其后续事件的发生或不发生所导致的不良结果。 (8)（）对于大多数武器装备，其寿命周期费用中的使用保障费用要比研制和生产费用高。 (9)（）所有产品的故障率随时间的变化规律，都要经过浴盆曲线的早期故障阶段、偶然故障 阶段和耗损故障阶段。 (10)（）各种产品的可靠度函数曲线随时间的增加都呈下降趋势。 2．填空题（共20分，每空2分） (1)MFHBF的中文含义为。 (2)平均故障前时间MTTF与可靠度R(t)之间的关系式是。 (3)与电子、电器设备构成的系统相比，机械产品可靠性特点一是寿命不服从分 布，二是零部件程度低。 (4)在系统所处的特定条件下，出现的未预期到的通路称为。 (5)最坏情况容差分析法中，当网络函数在工作点附近可微且变化较小、容差分析精度要求不 高、设计参数变化范围较小时，可采用；当网络函数在工作点可微且变化较大，或容差分析精度要求较高，或设计参数变化范围较大时，可采用。 (6)一般地，二维危害性矩阵图的横坐标为严酷度类别，纵坐标根据情况可选下列三项之一： 、 或。

3．简要描述故障树“三早”简化技术的内容。（10分）

可靠性和维修性设计

可靠性和维修性设计 Prepared on 22 November 2020

第六章可靠性和维修性设计 可靠性和维修性是产品的固有属性，它们由设计所决定。 “产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的。” 第一节可靠性设计 一、可靠性设计的内容或程序 1.可靠性设计：“赋予产品可靠性为目的进行的设计”或 “用最少的费用设计出所要求的可靠性， 并使其得以保持的一系列程序” 2.可靠性设计的两种情况 ◇根据给定的可靠性目标值进行设计 如对可靠性有特殊要求的新产品的设计开发， 要求在设计阶段能定量地预测和评估产品的可靠性。 典型的设计程序如下图所示。 ◇在原型基础上的改进设计 保留设计部分：根据原型产品使用数据和经验反馈， 针对薄弱环节应用可靠性设计方法加以改进提高， 达到可靠性增长的目的。 功能扩充部分：应重点进行可靠性的分析和预测， 以保证达到要求的可靠性指标。

二、可靠性设计方法 1.概率设计方法 应力-强度干涉模型 和FMECA 三、可靠性设计准则 1.简单化和标准化：减少零部件发生失效的概率。 ◇减少零部件的规格和数量 ◇简化结构 ◇采用成熟或标准化的零部件或元器件 2.零部件或元器件的选择和控制 ◇供应商的控制 ◇使用有良好使用纪录或试验数据的零部件或元器件 ◇零部件或元器件的进厂检验 ◇储存环境控制 2.冗余设计：工作储备或非工作储备系统 如重要系统的备用电源、汽车的备用轮胎及两个前灯等。 ◇在较低层次而非较高层次上使用硬件冗余 ◇采用冗余技术时，应注意避免诸冗余硬件的共因失效 如诸冗余硬件共用一个电源或同一通信通道。 ◇采用的元器件可靠性不高时，应优先考虑应用冗余技术 ◇构成冗余所必需的差错比较检测器、切换装置或开关应是高可靠性的3.降额设计：使零部件或元器件的工作应力小于额定应力或 提高零部件或元器件承载能力的安全裕度， 以降低零部件或元器件的失效概率。 4.失效安全设计：当系统的一部分发生失效时， 依靠系统的自身结构而确保系统安全的设计。 如压力表的防暴塞等。

可靠性设计的一些内容

可靠性设计的一些内容 一、可靠性评价分析技术的应用 由于设计阶段对产品的可靠性将起到奠基作用，故在设计过程中，应不断对产品的可靠性进行定性和定量的评价分析）以便及时了解产品的可靠性指标是否有了保证，所采取的各种可靠性设计措施是否有效，有效程度如何，设计中是否还存在薄弱环节和潜在缺陷，产品在今后使用中可能会发生什么样的故障，以及故障一旦发生时，其影响和危害程度如何等等。弄清以上问题将有助于及时发现缺陷，及时改进设计，防止“带病”投产，保证预定的可靠性指标得到满足。 下面介绍几种主要的评价分析技术的应用： 1 ．可靠性预计与分配 可靠性预计是在设计阶段，根据设计中所选用的电路程式、元器件、可靠性结构模型、工作环境、工作应力以及过去积累的统计数据，推测产品可能达到的可靠性水平。预计的目的不是在于了解在什么时候将发生什么样的失效，而是在于从设计开始就采取措施以防止失效的发生，并用定量的方法评价可靠性设计的效果。 可靠性分配是将可靠性指标或预计所能达到的目标值加以分解，用科学的方法，合理分配给分系统、设备、部件直至各元器件和每一个连接点、焊接点，以保证可靠性既定目标得以实现。通过分配，不仅可以层层落实设计指标，还可发现设计的薄弱环节和尚能挖掘的潜力。可靠性预计的方法一般有相似设备法、相似电路法。有源

器件法、元器件计数法及元器件应力分析法等，它们分别适用于不同的设计阶段：当产品处于方论证阶段时，可用相似设备法、相似电路法、有源器件法等快速预计法进行可行性预计，以评价设计方案的可行性；当产品处于旱期的详细设计阶段时，可用元器件计数法进行初步设计预计，以了解元器件的初步选择是否恰当，并为可靠性分配打下预计的基础，而当产品处于详细设计阶段的中期和后期，可用元器件应力分析法进行详细的设计预计，以便及时发现设计的薄弱环节或潜在能力，及时改进设计，以期达到优化设计 的目的。 下面就三种预计方法作一些简略的介绍： （1）有源器件法 所谓有源器件法，即按设备为完成规定功能所需的串联有源器件的数目预计设备失效的方法。预计公式为 λs = N* K (11.1) 式中：λs --设备的预计失效率； N--串联有源器件的数目； K ---各种设备中每个有源器件的失效率。 (2) 元器件计数法 所谓元器件计数法就是根据组成设备的各类元器件的通用失效率及其使用数量，来预计设备失效率的方法 。（3）元器件应力分析法预计 元器件应力分析法预计是考虑了温度、电应力、环境条件、元器件选

硬件可靠性及提高

硬件可靠性及提高 一般来说，系统总是由多个子系统组成，而子系统又是由更小的子系统组成，直到细分到电阻器、电容器、电感、晶体管、集成电路、机械零件等小元件的复杂组合，其中任何一个元件发生故障都会成为系统出现故障的原因。因此，硬件可靠性设计在保证元器件可靠性的基础上，既要考虑单一控制单元的可靠性设计，更要考虑整个控制系统的可靠性设计。 1．影响硬件可靠性的因素 (1)元件失效。元件失效有三种：一是元件本身的缺陷，如硅裂、漏气等；二是加工过程、环境条件的变化加速了元件、组件的失效；三是工艺问题，如焊接不牢、筛选不严等。 (2)设计不当。在计算机控制系统中，许多元器件发生的故障并不是元件本身的问题，而是系统设计不合理或元器件使用不当所造成。 在设计过程中，如何正确使用各种型号的元器件或集成电路，是提高硬件可靠性不可忽视的重要因素。 （1)电气性能：元器件的电气性能是指元器件所能承受的电压、电流、电容、功率等的能力，在使用时要注意元器件的电气性能，不能超限使用。（2)环境条件：计算机控制系统的工作环境有时相当恶劣，由于环境因素的影响，不少系统的实验室试验情况虽然良好，但安装到现场并长期运行就频出故障。其原因是多方面的，包括温度、干扰、电源、现场空气等对硬件的影响。因此，设计系统时，应考虑环境条件对硬件参数的影响，元件设备须经老化试验处理。 （3)组装工艺：在硬件设计中，组装工艺直接影响硬件系统的可靠性。由于工艺原因引起的故障很难定位排除，一个焊点的虚焊或似接非接很可能导致整个系统在工作过程中不时地出现工作不正常现象。另外，设计印制电路板时应考虑元器件的布局、引线的走向、引线的分类排序等。

管理信息系统第六章-系统设计

第六章系统设计 6.1 概述 一、系统设计的原则 系统性 灵活性 可靠性 经济性 二、系统设计的主要内容 1、系统总体结构设计 系统总体结构设计包括两方面的内容： 系统网络设计是在此基础上作进一步的详细设计，设计出计算机网络的拓扑结构和计算机资源配置图。系统化分为若干个子系统的工作，在系统分析阶段已经基本完成，但不够详细。 系统模块化结构设计工作是在系统分析阶段对子系统划分的基础上，再进一步地换分，将它逐层的分解成多个大小是党、功能单一、具有一定独立性的模块，以便程序设计工作的进行。 2、代码设计 代码设计就是通过设计合适的代码形式，使其作为数据的一个组成部分，用以代表客观存在的实体、实物和属性，以保证它的唯一性便于计算机处理。 3、数据库（文件）设计 根据系统分析得到的数据关系集和数据字典，再结合系统处理流程图，就可以确定出数据文件的结构和进行数据库设计。 4 、输入/ 输出设计 输入/输出设计主要是对以纪录为单位的各种输入输出报表格式的描述，另外，对人机对话各式的设计和输入输出装置的考虑也在这一步完成。 5 、处理流程设计

处理流程设计是通过系统处理流程图的形式，将系统对数据处理过程和数据在系统存储介质间的转换情况详细地描述出来。在设计中，它要与系统模块化结构设计结合起来，以模块化结构设计为参考。一般来说，每一个功能模块都应设计一个处理流程。 6、程序流程设计 程序流程设计是根据模块的功能和系统处理流程的要求，设计出程序模框图，为程序员进行程序设计提供依据。在这一步中，也可以使用判定表或者程序结构模块突来代替程序框图。 7 、系统设计文档 系统设计文档包括三部分内容： 系统标准化设计：是指各类数据编码要符合标准化要求，对数据库（文件）命名、功能模块命名也要标准化。另外，为了保证系统安全可靠运行，还要对数据进行保密设计，对系统进行可靠性设计。 描述系统设计结果：是指系统设计说明书，程序设计说明书，系统测试说明书以及各种图表等，要将他们汇集成册，交有关人员和部门审核批准。 拟定系统实施方案：是在系统设计结果得到有关人员和部门认可之后，拟定系统实施计划，详细地确定出实施阶段的工作内容、时间和具体要求。 三、系统设计的步骤 1、系统总体设计，其中包括： 系统总体布局方案的确定 软件系统总体结构设计 数据存储的总体设计 计算机和网络系统方案的选择 2、详细设计，其中包括： 代码设计 数据库设计

可靠性设计心得

可靠性设计学习心得 随着科学技术的发展，对产品的要求不断提高，不仅要具有好的性能，更要具有高的可靠性水平。采用可靠性设计弥补了常规设计的不足，使得设计方案更加贴近生产实际。所谓可靠性是指“产品在规定时间内，在规定的使用条件下，完成规定功能的能力或性质”。可靠性的概率度量称为可靠度。可靠性工程的诞生已近半个世纪的历史, 以电子产品可靠性设计为先导的可靠性工程迄今发展得比较成熟, 已形成一门独立的学科。相比之下, 机械产品的可靠性设计与研究则起步较晚。所谓机械可靠性，是指机械产品在规定的使用条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。由于工程材料特性的离散性以及测量、加工、制造和安装误差等因素的影响，使机械产品的系统参数具有固有的不确定性，因此考虑这种固有随机性的可靠性设计技术至关重要。据有关方面统计，产品设计对产品质量的贡献率可达70%～80%，可见设计决定了产品的固有质量特性(如：功能、性能、寿命、安全性和可靠性等)，赋予了产品“先天优劣”的本质特性。上世纪60年代, 对机械可靠性问题引起了广泛的重视并开始对其进行了系统研究。虽然国内外都投入了研究力量, 取得了一定的进展，但终因机械产品可靠性涉及的领域太多、可靠性研究的范围大、基础性数据缺乏等原因，机械可靠性设计在工程实际中应用得并不广泛。本文简要介绍了可靠性技术在机械领域中的应用，主要介绍了一些在机械产品设计中应用的较为成熟的可靠性技术和可靠性设计方法，并且结合当今可靠性工程学科的发展，指出了可靠性技术在机械领域中的发展和趋势。 常规设计中，经验性的成分较多，如基于安全系数的设计。 常规设计可通过下式体现： S E l F f lim ][...),,,(σσμσ=≤= 计算中，F 、l 、E 、μ、slim 等各物理量均视为确定性变量，安全系数则是一个经验性很强的系数。 上式给出的结论是：若s≤[s]则安全；反之则不安全。 应该说，上述观点不够严谨。首先，设计中的许多物理量明是随机变量；基

嵌入式系统最小系统硬件设计

引言 嵌入式系统是以应用为中心，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。本文主要研究了基于S3C2410的嵌入式最小系统，围绕其设计出相应的存储器、总电源电路、复位电路等一系列电路模块。 嵌入式最小系统 嵌入式最小系统即是在尽可能减少上层应用的情况下，能够使系统运行的最小化模块配置。以ARM内核嵌入式微处理器为中心，具有完全相配接的Flash电路、SDRAM电路、JTAG电路、电源电路、晶振电路、复位信号电路和系统总线扩展等，保证嵌入式微处理器正常运行的系统，可称为嵌入式最小系统。对于一个典型的嵌入式最小系统，以ARM处理器为例，其构成模块及其各部分功能如图1所示，其中ARM微处理器、FLASH和SDRAM模块是嵌入式最小系统的核心部分。

微处理器——采用了S3C2410A ； 电源模块——本电源运用5V 的直流电源通过两个三端稳压器转换成我们所设计的最小系统所需要的两个电压，分别是3.3V 和1.8V ，3.3V 的给VDDMOP ，VDDIO,VDDADC 等供电，而1.8V 的给VDDi 和RTC 供电。 时钟模块（晶振）——通常经ARM 内部锁相环进行相应的倍频，以提供系统各模块运行所需的时钟频率输入。32.768kHz 给RTC 和Reset 模块，产生计数时钟，10MHz 作为主时钟源； Flash 存储模块——存放嵌入式操作系统、用户应用程序或者其他在系统掉电后需要保存的用户数据等； SDRAM 模块——为系统运行提供动态存储空间，是系统代码运行的主要区域； 复位模块——实现对系统的复位； 1.8V 电源LDD 稳压 SDARM 32MB (use JTAG 接口 REST 电路256字 节E2PROM E2PROM UART 串口功能扩展 32768Hz 晶振RTC 时钟源 S3C2410A-20 (ARM920T) (16KB I-Cache,16KB D-Cache) SDARM 32MB (use NOR FLASH 2MB (use

可靠性试验分析及设计

ji 第四章(44) 可靠性试验与设计 四、最小二乘法 用图估法在概率纸上描出[],()i i t F t 点后,凭目视作分布检验判别所作的回归直线往往因人而异，因此最好再通过数值计算求出精确的分布检验结论和求出数学拟合的回归直线。通常用相关系数作分布检验，用最小二乘法求回归直线。 相关系数由下式求得： ()() n i i X X Y Y γ--= ∑ 其中X,Y 是回归直线的横坐标和纵坐标，它随分布的不同而不同。下表是不同分布的 坐标转换 只有相关系数γ 大于临界值0γ时，才能判定所假设的分布成立。0γ临界系数可查相应的临界相关系数表，如给定显著水平0.05α=，n=10,可查表得00.576γ=。若计算的0γγ，则假设的分布成 立。 如果回归的线性方程为 Y mX B =- 则由最小二乘法得到系数为

1 1 111 221 1??1?1 ()n n i i i i n n n i i i i i i i n n i i i i Y m X B N X Y X Y N m X X N =======-+=-=-∑∑∑∑∑∑∑ 代入上表中的不同的分布，就可以得到相应分布的参数估计值。 五、最好线性无偏估计与简单线性无偏估计 1、无偏估计 不同子样有不同的参数估计值?q ，希望?q 在真值q 附近徘徊。若?()E q q =，则?q 为q 的无偏估计。如平均寿命的估计为?i t n q =? ，是否为无偏估计？ Q 1 [] ?()[]n i i i i t E t E E n n n q q q === = =? 邋 \ ?q 为q 的无偏估计 2、最好无偏估计定义 若?k q 的方差比其它无偏估计量的方差都小，即?()min ()k k D D q q =，则?k q 为最好无偏估计。 3、线性估计定义 若估计量?q 是子样的一个线性函数，即1 ?n i i i a q ==C ? ，则称?q 为线性估计。 4、最好线性无偏估计 当子样数25n ￡时，通过变换具有()F m s C -形式的寿命分布函数，其,m s 的最好线性无偏估计为： 1 ?(,,)r j i D n r j X m ==? ?(,,)j C n r j X s =? 其中(,,),(,,)D n r j C n r j 分别为,m s 的无偏估计，有了,,n r j 后，可有专门表格查无偏系数(,,),(,,)D n r j C n r j 。

第六章-机电一体化系统的现代设计方法

第六章：机电一体化系统的现代设计方法 一、教学建议 ●通过文字教材了解机电一体化系统的现代设计方法； ●流媒体课件中介绍了各种常用的机电一体化系统的现代设计方法； ●科学技术的发展和对产品要求的不断提高，使得设计新理论、新方法、新技术不断涌现。建议同学们在学习本知识点的过程中，应结合生产实际，熟悉各种现代设计方法。 ●在学习的过程中，如果有学习的心得和体会，请在课程论坛上和大家分享；如果有什么疑惑，也可以在课程论坛寻找帮助。 二、教学要求：了解机电一体化系统的现代设计方法 1．可靠性设计 可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。通常用“概率”表示“能力”来实现可靠性指标的量化。可靠性评价的指标体系主要包括五个方面：可靠性、维修性、有效性、耐久性和安全性。 （1）机电一体化系统的可靠性设计 现代机械系统可靠性设计包括缩短传动链，减少元件数；必要时增设备用元件或系统；简化结构；增加过载保护装置、自动停机装置；设置监控系统；合理规定维修期。 （2）控制系统可靠性设计 控制系统可靠性设计包括： ●采用自动控制使产品具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能； ●通过元器件的合理选择提高可靠性； ●对功率接口采用降额设计提高可靠性； ●采用监视定时器提高可靠性； ●采取抗干扰措施提高可靠性。 （3）软件的可靠性技术 软件的可靠性技术，大致包含利用软件提高系统可靠性和提高软件可靠性两方面的内容。 2．优化设计 优化设计可明确定量优化的目标，科学地建立优化数学模型，在计算机上完成寻优，这样就能从本质上提高设计水平，缩短设计周期，有利于产品的更新和提高市场竞争能力。机电一体化系统优化设计需要以数学规划为核心，以计算机为工具，向着多变量、多目标、高效率和高精度的方向发展，使之成为机电产品的开发、创新的强有力的现代设计手段。 优化设计的一般步骤为：建立数学模型、选择合适的优化算法及程序、通过计算机进行优化设计，得出最优化设计方案、对优化得出的方案进行评价决策。 3．反求设计 反求设计是以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种专业人员的设计经验、知识和创新思维，对已有的产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理、零部件的设计参数、材

可靠性设计方法

可靠性设计 第一节 概述 ①可靠性是与故障相对应的的一个概念。可靠性研究开始于美国，起源于军用电子设备，二战后，陆续成立了很多可靠性研究的机构。 ②为什么展开可靠性研究：可靠性差带来的危害。航空航天、军用器械、民用电子产品，IT 产品。 ③最初来源于航空、航天等高科技领域的可靠性设计开始向兵器、船舶、电子、机械、汽车、信息技术等行业渗透。我国加入WTO 后，在市场竞争日益激烈的情况下，国内民用企业将从价格、服务这种低层次竞争走向产品质量和可靠性的竞争，从而对质量和可靠性专业人才的需求将不断增加。因此，一些高校开设了可靠性系统工程专业（如北航）或开设了可靠性设计课程。一些大的企业开始使用大型可靠性设计软件进行辅助设计（如可靠性系统软件CARMES 2.0（可靠性维修性综合分析软件R elex ）等）。真正将可靠性设计理论应用于生产实际。形成了一些产品的设计准则及可靠性设计标准，如HB7251-95《直升机可靠性设计准则》、HB7232-95《军用飞机可靠性设计准则》、GJB2635-96《军用飞机腐蚀防护设计和控制要求》。 ④可靠性带来的效益。如运输包装，提高使用寿命，提高使用可靠度。 第二节 定义及度量指标 1. 可靠性（5-1） 2. 可靠度（5-2）：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率 设有N 台设备，在规定的条件下和规定的时间内，工作t 时刻，有n(t)个失效，其可靠度的估计值为() ()N n t R t N - -= lim ()()N R t R t - →∞ =即为该产品的可靠度。 失效概率（5-3）为()1()F t R t =- 3) 失效概率密度函数 ()/n t N t ?? N 为试件的总数，()n t ?表示在[,]t t t +?时间内失效的件数。 随着N 的增大和t ?的减小，失效概率密度的图形变成光滑曲线。其和失效概率的关系为

企业网络安全风险分析及可靠性设计与实现研究

企业网络安全风险分析及可靠性设计 与实现研究 摘 要：现今，伴随信息、通信技术的完善，网络攻击技术的革新，网络安全问题日益显现。网络安全的管控，可以从侧面反映网络的安全状态，确保企业的网络安全。网络的安全性，关系企业的长远发展问题，同时也会间接影响社会的发展，作为企业的管理者我们应确保企业网络的安全，进而提高企业的经济效益。因此，本文就从网络安全风险分析、网络可靠性设计、企业网络安全的实现几方面进行一定的探讨，期望可以为企业的正常运行提供一定的帮助。 关键词：企业；网络风险分析；可靠性设计与实现现今，伴随信息、通信技术的完善，计算机网络中信息与数据的汇聚，都给人们的生活带来了极大的便捷性。经由网络系统，不仅提高了企业信息保存、传输的速度；提高了市场的反映速度；还带动了企业业务的新发展。企业内部中的网络信息，在现实运用中都实现了资源共享[1]。但是，在资源共享的前提下，就存在企业内部机密的安全性问题，尤其是现今的网络安全问题频发，我们更应提高对于企业的网络安全问题的关注度。因此，本文就对企业网络安全进行一定的探讨，期望可以对企业的正常运行提供有效帮助。 1网络安全风险分析 1.1安全威胁的分类 网络安全威胁，具体就是指潜在的、会对企业资产形成损失的安全问题。导致安全威胁的因素诸多，具体分类为：恶意攻击；系统软件问题；自然灾害；人为因素等[2]。

1.2网络系统安全影响因素[3] 1.2.1缺乏完善的管理体系 完善的网络管理体系，不单需要投入大量的网络设备，同时也要求有技术的支持。网络安全建设，其主要因素还应建立规范的网络安全管理机制。在任何企业，为了有效的保证网络的安全性，都应注重管理与技术的结合。在企业中，应注重员工的安全教育，同时管理者应依据现实状况，不断的完善企业的管理制度。 1.2.2缺乏网络安全知识 企业中的员工，其安全防范意识欠缺，对于网络安全知识认识较少，常会因个人信息的丢失，导致公司机密文件的泄漏。企业的网络安全，关系到企业的长远发展策略，因此公司应增强员工的安全知识教育，从根本上确保公司的网络安全。首先，企业员工在获取资源时，应该警惕病毒的侵入，防患于未然。其次，企业员工应该对于网络程序的安全性，有自己的初步判断能力，同时安装防病毒软件，并定时进行更新。第三，企业员工中对于文件的管理，应该注重文件的安全问题，应由员工自己管理文件，并设置权限。 1.2.3网络拥塞 网络拥塞，具体讲就是指当用户对网络资源的需求量，超过了网络固有容量的时候，出现的一种网络过载的状况[4]。企业员工的访问时间；交换机与路由器的端口传输速率等，都是造成网络拥塞的原因。当企业中出现网络拥塞的情况，就会出现数据不能进行转发，进而影响正常的网络运转工作，因此，企业在网络管理中，应依据这一情况制定合理的规划。 1.2.4系统漏洞的问题 现今，多数企业都是应用TCP/IP