可靠性设计概论

可靠性概论（一）一，可靠性工程与管理的重要意义与发展历史实践教育我们，可靠性，是产品质量的重要指标，必须给予高度重视。

它的定义是：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。

也就是说，它是用时间尺度来描述的质量，是一个产品到了用户手里，随着时间的推移，能否稳定保持原有功能的问题。

可靠性高，意味着寿命长。

故障少、维修费用低；可靠性低，意味着寿命短、故障多、维修费用高；可靠性差，轻则影响工作，重则造成起火爆炸、机毁人亡等灾难性事故。

对于许多产品，我们不能只关心它的技术性能，而且要关心它的可靠性。

在某些情况下，用户宁可适当降低性能方面的指标，而要求有较高的可靠性。

可靠性概念的产生，可以追溯到1939年。

当时美国航空委员会提出飞机事故率的概念和要求，这是最早的可靠性指标。

1944年，纳粹德国试制V-2火箭袭击伦敦，有80枚火箭还没有起飞就在起飞台上爆炸。

经过研究，人们提出了火箭可靠度是所有元器件可靠度的乘积的结论，这是最早的系统可靠性概念。

第二次世界大战中，美国由于飞行事故损失飞机21000架，比被击落的还要多1. 5倍。

1949年美国海军电子设备有70％失效，每一个使用中的电子管，要有9个新电子管作为备件。

1955年美国国防预算30％用于维修和使用，以后又增加到70％，成为不堪忍受的负担。

正是在这种背景下，美国在可靠性工程与管理的理论与应用方面投入了大量的人力物力，1950年，成立了国防部电子设备可靠性工作组，以后改组为国防部电子设备可靠性顾问团（AGREE）。

这个组织进行了深入的调查研究，提出了著名的AGREE报告棗美国可靠性工作的指导纲领。

以后又相继成立了元器件可靠性管理委员会。

失效数据中心（FARADA）、政府与工业界数据交换网(GIDEP ）等组织，研究元器件失效规律，定期发布可靠性数据，为研制与管理决策提供依据。

经过长期研究，制订了一系列通用军用标准，有力地指导了可靠性工程与管理实践。

可靠性分析报告品质是设计出来而不是制造出来,广义的品质除了外观、不良率外、还需兼长期使用下的可靠性,因此,在开发新产品前之可靠性预估及开发的实验推断相互印证是很重要的,本篇即针对可靠性分析的一般术语,如何事前预估,事后实验推断以及如何做加速试验及寿命试验做个说明.1. 概论:(1) 何谓可靠性(Reliability)?可靠性系指某种零件或成品在规定条件下,且于指定时间内,能依要求发挥功能的概率,即时间t 时的可靠性R(t)=(例) 假设开始时有100件物品参与试验,500小时后剩80件,则500小时后的可靠性R(t=500)为80/100=0.8简单地说,可靠性可看为残存率.(2) 何谓瞬间故障率(Hazard Rate ，Failure Rate),时间t 时每小时之故障数瞬间故障率h （t ）=时间t 时之残存数上例中，若500小时后剩80件，若当时每小时故障数为两件，则第500小时之瞬间故障为2/80=2.5%换句话说,瞬间故障率系指时间t 时,尚未发生故障的物件,其单位时间内发生故障之概率.时间t 时残存数 开始时试验总数(3)浴缸曲线(Bath Tub Curve)瞬间故障率h(t)h(t)=常数=恒定故障率时期耗竭期Period periodA．早期故障期：a.设计上的失误（线路稳定度Marginal design）b.零件上的失误（Component selection & reliability）c.制造上的失误（Burn-in testing）d.使用上失误。

一般产品之Burn-in 即要消除早期故障（Infant Mortality）使客户接到手时已经是恒定故障率h（t）=B、恒定故障率期：此时故障为random,为真正有效使用此段时期越长越好。

C、耗竭故障期；零件已开始耗竭，故障率急剧增加，此时维护重置成本为高。

（4）平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）当故障率几乎为恒定时（若0.002/小时）,此时进行10000小时约有0.002/小时*10000小时=20个故障,即平均500小时会发生一次故障,故MTBF 为500小时,为0.002/小时的倒数,即MTBF=1/λ.λ可看成频率(Frequency),MTBF即代表周期(Period)(5)、可靠性R（t）之数学表示根据实验及统计推行，要恒定故障期，R（t=）随着时间的增加而呈指数递减(Exponentially decreasing)当t=0时，因尚无任何故障，故R（t=0）=1t=∞以数学表示，R（t）即R（t）=e-λt其中λ即为恒定故障期之瞬间故障率t （6）、恒定故障期时MTBF与R（t）的关系，由前，R（t）=e-λt λ=1/MTBF故R（t）=e-t/MFBF当t=MTBF时，R（t）=e-MTBF/MFBF=e-1 ≒0.37即在恒定故障期时,试验至t=MTBF时,其可靠性(即残存比率)为37%,即约有63%故障.2新产品(MTBF Time Between Failure)之事前预估(1) 系统可靠性与组件可靠性之关系一般系统可靠性之计算时有下列假设:A 、 每个组件有独立之λi ，即甲组件故障不影响乙组件。

设计概论知识点笔记总结一、设计概念1. 设计的定义- 设计是指对事物的规划和构思，以达到某种目的或满足某种需求的活动。

- 设计是对生活中各种物质和非物质事物的外形结构、功能、品质进行规划和设计，所用的思维方式和手段。

2. 设计的特点- 对象性：设计的目标是对具体物体进行设计。

- 转换性：将抽象的理念和概念转化为具体的事物。

- 目的性：设计的行为必须有一个明确的目标。

- 前瞻性：设计必须具有未来的意义。

3. 设计的基本要素- 内容：设计的具体对象和任务。

- 方法：开发出用于描述和实现任务的技能和技术。

- 手段：设计所必须的实体资源和材料。

- 关系：与设计相关的人、事、物之间相互影响和制约的关系。

二、设计原理1. 设计的基本原理- 经济性原则：在满足产品功能要求的前提下，设计应该尽可能节约资源。

- 可行性原则：设计应该在技术经济条件允许的范围内开展和实施。

- 适用性原则：产品的设计应符合人体工程学原理，使产品使用起来更加舒适方便。

- 美学原则：产品的设计应当追求美学效果，体现艺术特点和审美要求。

- 安全性原则：产品的设计应当保障用户的生命安全和财产安全。

- 可靠性原则：产品的设计应该具有良好的可靠性，能够长期稳定地运行。

- 符合需求原则：产品的设计应该满足用户实际的使用需求。

2. 设计的实用原则- 空间原理：在产品设计中要合理利用和组织空间。

- 结构原理：产品设计中要尽量简化结构，以降低成本，提高可靠性。

- 功能原理：产品设计中要明确产品的使用功能，确保产品功能完善和相互协调。

三、设计过程1. 设计流程- 明确设计目标：确定设计任务和目标，并且建立设计标准。

- 调研：调查市场、用户、材料和技术等相关信息和条件。

- 概念设计：根据需求和调研结果，进行构思和方案选择。

- 方案设计：根据概念设计进行详细的设计，包括结构设计、材料选择、外形设计等。

- 模型制造：制作设计模型进行检验和修改。

- 试制：进行试制和测试，确保产品性能和品质。

可靠性概论（一）1. 可靠性概述1 .1可靠性基本概念1 . 1. 1可靠性工程学的诞生产品可靠性是什么？简单地说产品可靠性就是产品不易丧失工作能力的性质。

研究产品可靠性的工程学科称为可靠性工程学。

产品的可靠性本应随产品复杂性的增加而早受重视，但事实上直到第二次世界大战后，它对现代科学技术发起来势凶猛的挑战，才迫使人们耗费大量的财力和物力来研究它，解决它，从而对科学技术的发展起到了巨大的促进作用。

与此同时，一门独立的边缘科学可靠性工程学诞生了。

形成可靠性工程学这一学科的原因归纳起来有如下四个方面：1. 产品的性能优异化和结构复杂化之间的矛盾导致可靠性问题日益突出；2. 产品使用场所的广泛性与严酷性从而对产品的可靠性提出了更高的要求；3. 产品可靠程度与国家及社会安全之间的关系日益密切；4. 可靠性工程学的内部因素有力的推动了可靠性工程学的发展。

1 . 1 . 2可靠性基本概念产品可靠性的定义：产品可靠性是指产品在规定的条件下，在规定的时间内完成规定功能的能力。

“产品”，在过程控制系统行业中，可以是一台整机，如差压变送器，可以是一个装置甚至一个系统，如控制柜、DCS系统，也可以是一台部件以至一个元器件，如放大器，电阻。

总之，可大可小，视所研究问题的范围而定。

随着可靠性工程学的发展，人、语言、方法、程序的软件也可作为产品。

“规定的条件”有着广泛的内容，一般分为：1. 环境条件环境条件是指能影响产品性能的环境特性。

单一环境参数可分为四类：气候环境：主要包括温度、湿度、大气压力、气压变化、周围介质的相对移动、降水、辐射等；生物和化学环境：包括生物作用物质、化学作用物质、机械作用微粒；机械环境：包括冲击在内的非稳态振动、稳态振动、自由跌落、碰撞、摇摆和倾斜、稳态力；电和电磁环境：包括电场、磁场、传输导线的干扰。

2. 动力条件动力条件是指能影响产品性能的动力特性。

一般分为：电源，主要参数为电源电压和频率、电流等；流体源（包括气源和液体源），主要参数为压力、流量等。

设计概论设计批评的知识点设计批评是对设计作品进行评论和评价的一种专业活动，它不仅可以帮助设计师提升自身的设计水平，还能为其他人提供一个客观、准确的视觉感受。

在设计概论中，设计批评是一个重要的知识点，以下将对其相关内容进行论述。

一、设计批评的定义和目的设计批评是对设计作品进行综合分析、评价和评论的过程。

其目的是通过发表意见和建议，向设计师提供一种改善设计的方向，以提升设计作品的质量和实用性。

设计批评旨在促进设计领域的发展，推动设计作品的创新进程。

二、设计批评的要素设计批评主要包括以下几个要素：1. 外观表现：批评者应针对设计作品的外观特点进行观察和描述，如色彩搭配、形状造型等。

同时，还应该对作品的整体感受进行概括，如给人的印象、情感表达等。

2. 创新性与独特性：设计批评需要评估作品的创新性和独特性。

这包括设计师在作品中的新颖构思、独特的设计理念等方面的突破。

批评者可以根据个人的经验和知识来进行评估和判断。

3. 功能与实用性：设计作品的功能和实用性是其重要的评价标准之一。

设计批评需要关注作品所承载的功能是否合理，并对其实用性进行评估。

批评者需要理解作品的使用场景、使用对象和使用方式，从而提供有价值的评价意见。

4. 材料与工艺：设计作品所采用的材料和工艺对作品的质量和品质有着重要的影响。

设计批评应对材料的选择、使用和工艺处理进行评估，并提供改进建议。

是否符合环保要求、材料是否与设计主题相符等都是评审的重点。

5. 文化和艺术内涵：设计作品的文化和艺术内涵是设计批评的一个重要维度。

批评者需要从多个角度对作品所蕴含的文化元素和艺术价值进行分析和评价，提供对设计作品更深层次的认识和理解。

三、设计批评的方法和技巧设计批评需要运用一定的方法和技巧，以提高评价的准确性和可靠性。

以下是几种常用的设计批评方法和技巧：1. 描述法：通过详细描述设计作品的特点、构造和外观表现，以客观地介绍作品的各个方面。

这种方法可以帮助读者更好地理解作品，并提供评价的依据。

可靠性工程师考试主要科目概览可靠性工程师考试涉及的考试科目通常涵盖了可靠性工程领域的多个方面，以确保考生具备全面的可靠性工程知识和技能。

根据中国质量协会（简称中质协）举办的CRE考试认证的相关资料，考试科目可以大致归纳为以下几个主要方面：一、可靠性基础理论●可靠性概论：包括可靠性工程的重要性、发展概况、基本概念、故障及失效的基本概念、产品可靠性度量参数、可靠性要求确定、产品故障率浴盆曲线等。

●可靠性数学基础：涉及概率论基础知识、可靠性常用的离散型分布（如二项分布、泊松分布）和连续型分布（如正态分布、指数分布、对数正态分布、威布尔分布）、可靠性参数的点估计和区间估计等。

二、可靠性设计与分析●可靠性建模：熟悉可靠性建模方法，包括各种可靠性模型的构建和应用。

●可靠性预计与分配：掌握常用可靠性预计和分配方法，确保产品在设计阶段就具备预期的可靠性水平。

●失效模式与影响分析：包括潜在失效模式影响及危害性分析（FMEA）、失效树分析（FTA）等，用于识别产品设计和制造过程中的潜在失效模式及其影响。

●可靠性设计准则：熟悉各种可靠性设计准则，如降额设计、热设计、耐环境设计等，以提高产品的可靠性。

三、可靠性试验与评价●可靠性试验基本概念：了解不同类型的可靠性试验，包括环境应力筛选试验（ESS）、可靠性增长试验（TAAF）、寿命试验和加速寿命试验（ALT）等。

●可靠性鉴定与验收试验：掌握可靠性鉴定试验和验收试验的方法和流程，确保产品满足规定的可靠性要求。

四、软件可靠性与人-机可靠性●软件可靠性：包括软件可靠性的基本概念、失效原因、设计方法及验证等。

●人-机可靠性：涉及人-机可靠性基本概念、人为差错概念及人-机可靠性设计基本方法等。

五、数据收集、处理与应用●数据类型与收集：熟悉数据类型、来源及收集方法。

●数据处理与评估：掌握数据的处理与评估技术，以支持可靠性分析和决策。

●数据管理及应用：了解数据管理的基本原则和应用场景。

一、可靠性理论基础1.可靠度：如果有N个LED产品从开始工作到t时刻的失效数为n(t)，当N足够大时，产品在t时刻的可靠度可近似表示为：随时间的不断增长，将不断下降。

它是介于1与0之间的数，即。

2.累积失效概率：表示发光二极管在规定条件下工作到t这段时间内的失效概率，用F(t)表示，又称为失效分布函数。

如果N个LED产品从开始工作到t时刻的失效数为n(t)，则当N足够大时，产品在该时刻的累积失效概率可近似表示为：3.失效分布密度：表示规定条件下工作的发光二极管在t时刻的失效概率。

失效分布函数的导函数称为失效分布密度，其表达式如下：•早期失效期；•偶然失效期(或稳定使用期) ；•耗损失效期。

二、寿命老化：LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象。

器件老化程度与外加恒流源的大小有关，可描述为：B t为t时间后的亮度，B0为初始亮度。

通常把亮度降到B t=0.5B0所经历的时间t称为二极管的寿命。

1. 平均寿命如果已知总体的失效分布密度f（t），则可得到总体平均寿命的表达式如下：2. 可靠寿命可靠寿命T R是指一批LED产品的可靠度下降到r时，所经历的工作时间。

T R可由R（T R）=r求解，假如该产品的失效分布属指数分布规律，则：即可求得T R如下:3. 中位寿命中位寿命T0.5指产品的可靠度R(t)降为50%时的可靠寿命，即：对于指数分布情况，可得：二、LED寿命测试方法LED寿命加速试验的目的概括起来有：•在较短时间内用较少的LED估计高可靠LED的可靠性水平•运用外推的方法快速预测LED在正常条件下的可靠度；•在较短时间内提供试验结果，检验工艺；•在较短时间内暴露LED的失效类型及形式，便于对失效机理进行研究，找出失效原因；•淘汰早期失效产品，测定元LED的极限使用条件1. 温度加速寿命测试法由于通常LED寿命达到10万小时左右，因此要测得其常温下的寿命时间太长，因此采用加速寿命的方法。

教师教案（2012—2013学年第2学期）课程名称：机电产品可靠性设计授课学时：32授课班级：2010级任课教师：朱顺鹏教师职称：讲师教师所在学院：机械电子工程学院电子科技大学教务处第一章可靠性设计概论4学时一、教学内容及要求教学内容共4学时可靠性基本概念2学时(1)可靠性的内涵(2)可靠性工程发展现状(3)可靠性特征量可靠性数学基础2学时(1)数理统计基本概念(2)可靠性常用概率分布(3)随机变量均值与方差的近似计算教学要求(1)了解可靠性学科发展历程(2)掌握可靠性学科研究的内容(3)了解我国可靠性研究的发展现状(4)了解可靠性设计工作的重要意义及面临的主要挑战(5)掌握可靠性的定义(6)掌握可靠度、不可靠度、失效率的定义(7)掌握常用的概率分布（正态分布、指数分布、威布尔分布、对数正态分布）在可靠性设计工作中的应用(8)掌握随机变量均值与方差的近似计算方法二、教学重点、难点教学重点可靠性的定义可靠性特征量定义及相互关系常用概率分布的统计特征量教学难点失效率的定义威布尔分布的相关概念及应用三、教学设计列举航空航天产品（如卫星天线、卫星指向机构、太阳翼展开机构）、民用产品（如汽车）、制造装备（如数控机床）的实例，突出开展可靠性工作的重要意义。

随机变量及数理统计的知识系学生在先修课程中所学内容的复习，可以简要介绍，并要求学生查阅以前的书籍。

正态分布是学生熟知的内容，在教学过程中着重讲解其实际应用；指数分布、对数正态分布和威布尔分布是学生先修课程中没有学习过的，应详细讲解。

威布尔分布是难点内容，应重点介绍其发展历史，统计特征，以及威布尔分布在机械可靠性中的特殊作用，列举工程实例。

随机变量函数的均值与方差计算是后续机械产品可靠性设计需要用到的基本方法，讲解三种常用的方法原理即可，公式可以查表。

四、作业通过课程网站发布。

五、参考资料1. 盛骤, 谢式千, 潘承毅. 概率论与数理统计(第四版), 高等教育出版社,20102. 刘惟信. 机械可靠性设计. 北京:清华大学出版社, 2000六、教学后记第二章系统可靠性设计8学时一、教学内容及要求教学内容共8学时系统可靠性框图2学时串联系统；并联系统；混联系统；表决系统；旁联系统可靠性分配2学时可靠性分配的目的和原则可靠性分配方法（等分配法、再分配法、比例分配法、AGREE法）可靠性预计1学时可靠性预计的目的可靠性预计的方法（应力分析法、元器件计数法、相似产品法、上下限法）故障模式、影响及危害性分析FMECA 1学时FMECA的定义及分类FMECA的一般过程风险优先数和危害性矩阵故障树分析FTA 2学时故障树的各种符号故障树建树步骤常用故障树分析方法介绍教学要求(1)了解系统可靠性设计的任务；(2)掌握系统可靠性建模方法；(3)了解可靠性分配与预计的目的；(4)掌握可靠性分配与预计的常用方法。