第四章1(42) 可靠性试验设计与分析

可靠性设计与分析报告1. 引言可靠性是一个系统是否可以在适定的时间内、在适定的条件下，按照既定的功能要求，以期望的性能运行的能力。

在设计与开发软件、硬件以及其他复杂系统时，可靠性设计是至关重要的一环。

可靠性分析则是评估系统的可靠性，识别潜在的故障点并提出相应的改进方案。

本报告将重点讨论可靠性设计与分析的一些重要概念和方法，并对一个实际的系统进行分析，提出可能的优化建议。

2. 可靠性设计的原则在进行可靠性设计时，需要考虑以下几个原则：2.1. 冗余设计冗余设计是通过增加系统中的备用部件来提高系统的可靠性。

常见的冗余设计包括备份服务器、硬盘阵列、双机热备等。

冗余设计可以在一个组件发生故障时，自动切换到备用组件，从而避免系统的停机损失。

2.2. 容错设计容错设计是通过在系统中加入错误处理机制，在出现错误时可以尽量保证系统的正常工作。

容错设计可以包括错误检测、错误恢复、错误传递等。

例如，在软件开发中，可以使用异常处理来处理可能出现的错误情况，从而避免程序崩溃。

2.3. 系统监测系统监测是通过对系统运行时的状态进行实时监测，及时发现并处理可能的故障。

监测可以包括对硬件设备的状态监测、对软件运行的监测等。

通过系统监测，可以及时采取相应的措施，防止故障进一步扩大。

3. 可靠性分析方法可靠性分析是评估系统可靠性的一项重要工作。

以下将简要介绍一些常用的可靠性分析方法：3.1. 故障模式与影响分析（FMEA）故障模式与影响分析是一种通过分析系统的故障模式和故障后果，评估系统可靠性的方法。

通过对系统中各个组件的故障模式及其对系统的影响进行分析，可以确定系统的关键故障点，并提出相应的改进措施。

3.2. 可靠性指标分析可靠性指标分析是通过对系统的各项指标进行分析，评估系统的可靠性水平。

常见的可靠性指标包括平均无故障时间（MTTF）、平均修复时间（MTTR）、故障率等。

通过对这些指标进行分析，可以判断系统是否满足要求，以及提出相应的改进措施。

可靠性试验方案1. 引言可靠性试验是用于评估产品或系统在实际使用环境下的可靠性性能的一种手段。

通过可靠性试验，可以检测产品或系统在长时间运行中的故障率、寿命、可用性等指标，并为改进产品或系统的可靠性提供参考依据。

本文档旨在提供一个可靠性试验方案的模板，以供参考。

2. 试验目的本次可靠性试验的目的是评估产品或系统在预定条件下的可靠性性能，包括但不限于以下方面：•测试产品或系统在工作负荷下的故障率；•测试产品或系统在长时间使用过程中是否存在逐渐增加的故障率；•测试产品或系统在突发负荷下的故障应对能力；•测试产品或系统的寿命。

3. 试验计划3.1 试验样本选择一批代表性样本，以确保试验结果能够有效推广到整体产品或系统。

3.2 试验环境确定试验所需的环境条件并加以控制，包括但不限于以下方面：•温度：设定试验环境温度，确保符合产品或系统的使用环境要求；•湿度：设定试验环境湿度，确保符合产品或系统的使用环境要求；•压力：设定试验环境压力，确保符合产品或系统的使用环境要求。

3.3 试验方法根据试验目的和产品或系统的特点，选择合适的试验方法，并确保试验过程可重复。

3.4 试验时间确定试验的时间安排，包括但不限于以下方面：•持续时间：确定试验的总持续时间；•间隔时间：确定每次试验之间的间隔时间，以确保试验结果能够有效分析。

4. 数据收集与分析4.1 数据收集在试验过程中，记录并存储与试验目的相关的数据，包括但不限于以下方面：•故障事件：记录产品或系统在试验过程中出现的故障事件及其相关信息；•寿命数据：记录产品或系统在试验过程中的寿命数据；•其他关键指标：根据试验目的，记录与指标相关的数据。

4.2 数据分析对收集到的数据进行分析，以评估产品或系统的可靠性性能，包括但不限于以下方面：•故障率分析：计算故障率并绘制故障率曲线，用于评估产品或系统在不同时间阶段的可靠性表现；•寿命分析：对寿命数据进行统计和分析，确定产品或系统的寿命分布特征；•可用性分析：根据试验过程中的数据，计算产品或系统的可用性指标；•其他分析：根据试验目的，进行其他合适的数据分析。

一、实验背景随着科技的快速发展，产品可靠性已经成为衡量产品品质的重要指标之一。

为了提高我国产品的竞争力，培养具有可靠性分析能力的人才，本实验实训旨在通过对某型号电子产品的可靠性进行分析，使学生掌握可靠性分析的基本方法，提高学生的实践操作能力。

二、实验目的1. 理解可靠性分析的基本概念和原理；2. 掌握可靠性分析的方法和步骤；3. 培养学生运用可靠性分析工具进行实际问题的解决能力；4. 提高学生的团队合作和沟通能力。

三、实验内容1. 产品介绍本次实验实训选取的电子产品为某型号手机，该手机广泛应用于日常通信、娱乐、办公等领域。

手机由多个模块组成，包括主板、摄像头、电池、屏幕等。

2. 可靠性分析步骤（1）确定可靠性指标根据产品特点，本次实验实训选取以下可靠性指标：- 平均无故障时间（MTBF）：衡量产品在规定时间内正常工作的能力；- 平均故障间隔时间（MTTF）：衡量产品在发生故障后恢复正常工作的能力；- 故障率（FR）：衡量产品在规定时间内发生故障的概率。

（2）数据收集通过查阅产品技术资料、维修记录、市场反馈等信息，收集以下数据：- 产品生产批次、数量；- 产品故障发生时间、故障原因、故障类型；- 产品维修情况、维修周期。

（3）可靠性分析- 数据处理：对收集到的数据进行整理、筛选、统计，建立故障数据库；- 可靠性模型建立：根据故障数据库，采用适当的可靠性模型（如指数分布、威布尔分布等）进行建模；- 可靠性计算：根据模型计算产品的MTBF、MTTF、FR等指标；- 可靠性分析结果评价：对计算结果进行分析，评估产品的可靠性水平。

3. 实验实训过程（1）小组讨论将学生分成若干小组，讨论实验实训方案，明确各小组成员的分工。

（2）数据收集各小组成员根据分工，查阅相关资料，收集产品数据。

（3）数据处理与分析对收集到的数据进行整理、筛选、统计，建立故障数据库，采用适当的可靠性模型进行建模，计算产品的可靠性指标。

（4）实验实训报告撰写各小组成员共同撰写实验实训报告，总结实验实训过程、分析结果及结论。

可靠性试验报告一、背景介绍可靠性试验是产品研发和生产过程中非常重要的一环，旨在评估产品在正常使用条件下的可靠性能。

本报告将对xxx产品的可靠性试验进行详细描述和分析。

二、试验目标本次可靠性试验的目标是验证xxx产品在设计寿命内的可靠性，并评估其在不同环境条件下的性能表现。

具体试验内容包括：1. 长时间运行试验：通过模拟产品在正常使用过程中的长时间运行情况，测量产品在连续工作状态下的可靠性。

2. 环境适应性试验：在不同温度、湿度和震动等环境条件下，观察产品的性能和可靠性变化情况。

3. 耐久性试验：通过多次反复操作和负荷测试，检验产品在长时间使用中的稳定性和可靠性。

三、试验方法与步骤1. 长时间运行试验：a) 将xxx产品放置在恒定的工作状态下，持续运行至少1000小时。

b) 每隔一段时间，记录产品的运行状态和工作参数，并进行必要的维护和保养。

c) 通过监测产品的故障率和运行稳定性，评估其可靠性表现。

2. 环境适应性试验：a) 在指定的温度、湿度和震动条件下，将产品暴露一段时间。

b) 在暴露后，对产品进行详细检查，记录任何性能变化或故障情况。

c) 基于试验结果，评估产品在不同环境条件下的适应性和可靠性。

3. 耐久性试验：a) 设定一系列的负荷和操作条件，模拟产品长时间使用的情况。

b) 进行多次循环操作，记录产品的性能变化和故障情况。

c) 根据试验结果，评估产品在长时间使用中的稳定性和可靠性。

四、试验结果与分析经过长时间运行试验，xxx产品在1000小时的连续工作下表现出良好的可靠性，未发生任何故障。

故障率为零，表明产品在正常使用条件下具有优异的性能。

在环境适应性试验中，产品在不同温度、湿度和震动条件下表现出较好的适应性。

在极端条件下，产品的性能仍保持稳定，并未出现明显的性能下降或故障。

耐久性试验结果显示，经过多次循环操作，xxx产品的性能基本稳定。

虽然在长时间使用过程中产生了一些微小的性能变化，但并未对产品的整体可靠性产生明显影响。

第四章（43）可靠性试验分析与设计三、图估计法参数统计推断方法大致可分两类，数值分析法和图分析法。

图分析法是使用各种座标纸进行分析，这种方法使用方便，直观易懂，容易掌握。

它可以起到数值分析起不到的作用。

将多种观测的试验数据按照某种理论分布画在在相应的概率纸上，设法拟合一条直线，只要读取这条直线的斜率和截距，就能掌握有关规定分布特征的参数方面的信息。

各种分布函数在直角坐标系中是曲线，经坐标变换后，在新坐标下是直线，利用新坐标的变换尺度制成的专用纸，称为概率纸。

这种直接在概率纸上求得参数估计值的方法，称为图估法。

1. 分布类型的检验图估法的优点是可用肉眼判断直线的拟合程度，但在使用初期，有时对与直线拟合的程度似乎信心不足。

此外即使有一些使用图估的经验，在画的点与直线有比较大的偏移时，也需要有一定的根据来评价拟合程度的好坏。

这种情况下，统计检验法是有用的，如果选择一个合适的置信系数，则可以作出客观的符合常识的判断。

下面介绍几种常用的检验方法。

（1）.拟合优度检验当不知道产品的寿命分布类型时，首先按子样的试验数据作出分布检验，然后再作参数估计。

分布检验的过程：试验数据――统计推断――产品的寿命分布。

推断依据，要进行拟合优度检验。

拟合优度检验指的是，观察值分布与先验的或拟合观察值的理论分布之间的符合程度的度量。

从总体中抽取一个子样，所得经验分布与总体或多或少存在差异，差异可能来自：a). 假设分布不正确，不是总体分布，偏差较大；b) .假设分布与总体符合，但子样的随机性引起了偏差，但这个偏差比a）要小得多。

对上述情况需要确定一个偏差的界限。

若子样偏差小于此界限，就认为二者符合。

若子样本算出的偏差大于界限值，即不能认为经验分布与总体偏差符合。

基于这个思想，设样本偏差为d，另外假设偏差为D(是随机变量)，可以研究这个D的分布，再由D分布计算选择一个界限为da，则判别式：() P D da a?a为置信水平，可取0.05,0.1a=等。

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：()()nii XX 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111112211ˆˆ1ˆ1()nni i i i nnn i i i ii i i n ni i i i Y mX BNX 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ˆq，希望ˆq 在真值q 附近徘徊。

若ˆ()E q q =，则ˆq 为q 的无偏估计。

如平均寿命的估计为ˆit nq=å，是否为无偏估计？Q 1[]ˆ()[]ni ii i t E t E E nnnq qq =====å邋\ ˆq为q 的无偏估计 2、最好无偏估计定义若ˆk q 的方差比其它无偏估计量的方差都小，即ˆ()min ()k k D D q q =，则ˆkq 为最好无偏估计。

3、线性估计定义若估计量ˆq是子样的一个线性函数，即1ˆni i i a q ==C å，则称ˆq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 msC -形式的寿命分布函数，其,m s 的最好线性无偏估计为：1ˆ(,,)rj i D n r j X m==åˆ(,,)j C n r j X s=å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 。

WERC IRE可靠性要求及可靠性设计分析与试验屠庆慈北京航空航天大学可靠性工程研究所内容提要前言可靠性要求可靠性设计与分析可靠性试验WERCIRE小结第一部分内容提要可靠性可靠性工程可靠性工作的目标前言WERCIRE前言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。

可靠性的概率度量称为可靠度。

前言可靠性工程为确定和达到产品的可靠性要求所进行的一系列技术和管理活动。

前言确保新研和改型的产品达到规定的可靠性要求，保持和提高现役产品的可靠性水平，以满足产品完好性和任务成功性要求、降低对保障资源的要求、减少寿命周期费用。

可靠性工作的目标可靠性要求的类别定性可靠性要求定量可靠性要求可靠性工作项目要求可靠性要求WERCIRE第二部分内容提要可靠性要求——可靠性要求的类别定性要求定量要求工作项目要求可靠性要求——定性可靠性要求1 成熟设计2 简化设计3 热设计4 降额设计5 余度设计6 元器件的选择与控制7 环境防护设计8 软件可靠性设计等可靠性定性要求是为获得可靠的产品，对产品设计、工艺、软件等方面提出的非量化要求。

可靠性要求——定量可靠性要求几个基本概念可靠性指标确定的依据确定可靠性指标时应明确的若干重要问题确定可靠性要求的原则主要依据:1.GJB450A 《装备可靠性工作通用要求》2.GJB1909A 《装备可靠性维修性保障性要求论证》可靠性要求——定量可靠性要求(1)可靠性参数与指标(2)基本可靠性与任务可靠性(3)可靠性指标几个基本概念可靠性要求——定量可靠性要求可靠性参数与指标•可靠性参数描述系统可靠性的度量。

它直接与战备完好、任务成功、维修人力和保障资源有关。

•可靠性指标可靠性参数要求的量值。

可靠性要求——定量可靠性要求基本可靠性与任务可靠性z基本可靠性产品在规定的条件下，规定的时间内，无故障工作的能力。

基本可靠性反映产品对维修资源的要求。

z任务可靠性产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。

可靠性试验一、环境应力筛选环境应力筛选是一种在产品研制阶段进行的可靠性试验，旨在通过模拟产品在实际使用过程中可能遇到的各种环境因素，如温度、湿度、压力等，来检测产品在各种环境条件下的性能表现。

1.目的：发现和排除由于环境因素引起的产品故障，提高产品的可靠性和稳定性。

2.方法：将产品暴露在模拟实际使用环境条件的环境应力下，如温度循环、高度模拟、机械振动等。

3.合格判据：产品在经过环境应力筛选后，应无故障运行，各项性能指标均符合要求。

4.筛选流程：制定筛选方案→选择应力类型和应力等级→实施筛选试验→故障分析和改进→重新进行筛选试验。

二、可靠性增长可靠性增长是通过不断改进和优化产品设计、材料、工艺等环节，以提高产品在规定条件下的无故障工作时间。

1.原则：基于产品的设计和制造流程，找出并消除故障模式，提高产品的可靠性。

2.方法：采用各种可靠性增长技术，如FMEA（失效模式与影响分析）、FRACAS（故障报告、分析和纠正措施系统）等。

3.合格判据：产品的可靠性增长应达到预期的目标，即在规定的使用条件下，产品的故障率达到可接受的水平。

4.实施流程：明确可靠性增长目标→分析故障模式→制定改进措施→实施改进→验证改进效果。

5.增长策略和案例：采用优化设计方案、改进材料质量、提高加工精度、完善装配工艺等策略，以实现产品的可靠性增长。

例如，通过对某型号发动机的可靠性增长研究，发现其故障主要集中在轴承磨损和齿轮啮合不良等问题上，通过改进轴承材质和齿轮设计，显著提高了发动机的可靠性。

三、可靠性验收可靠性验收是在产品研制阶段或生产阶段进行的可靠性评估试验，旨在验证产品是否满足规定的可靠性指标。

1.目的：验证产品是否达到预期的可靠性水平，及时发现并解决潜在的问题，确保产品的质量和性能。

2.方法：根据产品的特点和实际使用情况，选择适当的可靠性验收试验方法，如定时截尾试验、序贯截尾试验等。

3.合格判据：产品的可靠性指标应达到规定的标准，如MTBF（平均无故障时间）等。

第四章(45) 可靠性试验设计与分析§4．4可靠性增长试验（Reliability Growth Test）一、概述可靠性增长：通过改正产品设计和制造中的缺陷，不断提高产品可靠性的过程。

产品试制阶段，由于设计缺陷与工艺上的不成熟，其可靠性一定会远低于预计的标准，通过试验发现故障，通过机理分析找出故障源，通过再设计与工艺的更改，以达到消除故障的目的，保证研制期间的可靠性达到预期的指标。

（再）设计试制产品试验故障纠正可靠性增长是不断反复设计、试验、故障、纠正这样一个循环过程。

是为达到可靠性增长目的而执行可靠性秩序中所采用的一种试验方法。

可靠性增长的三个主要因素：1).通过分析和试验找出产品的潜在故障源。

2).将存在问题（返馈），采取纠正措施更改设计。

3).对改进后的产品重新进行试验。

图4.23 可靠性增长过程二、可靠性增长试验目的：通过试验诱导出设计不良或工艺不成熟而引起的潜在故障，通过机理分析找出问题，在设计与工艺上加以纠正，从而达到可靠性增长目的。

可靠性增长试验耗费的资源和时间比较多，试验总时间通常为预期的MTBF目标值的5~25倍，所以也并不是所有产品都适宜于安排可靠性增长试验。

其试验大纲按照试验、分析、纠正(Test, Analysis And Fix test简称TAAF)这一过程来制定，为此要选定一个可靠性增长的模型，以便确定试验计划时所需考虑的因素。

1、可靠性增长模型目前在可修产品的增长试验中，普遍使用的杜安(Duane)模型。

有时为了使杜安模型的适合性和最终评估具有较坚实的统计学依据，可用AMSAA模型作为补充。

杜安模型是用于飞机发动机和液压机械装置等复杂可修产品的增长试验的。

模型未涉及随机现象，是确定性模型，即工程模型，而不是数理统计模型。

其基本假设：只要不断进行可靠性试验，系统可靠性增长（用MTBF的提高表示）与累积试验时间在双对数纸上成线性关系，直线的斜率是可靠性增长率的一个度量。

可靠性试验设计与分析2第四章(42)可靠性试验设计与分析§4.3可靠性测定试验的参数估计可靠性测定试验是为确定可靠性特性而进行的试验,如测定寿命分布及参数,安全余量,环境适应性及耐久性等.在寿命分布已知情况下，就可以求出产品的可靠度、故障概率及各种可靠性特征量，但要确定产品的寿命分布则需要大量试验。

产品寿命分布参数不仅随产品的类型的不同而不同，甚至随着产品的批次的不同而有所变动。

由于在实际中允许的试验次数是有限的，也就是只取局部（样本）的参数来估计产品的可靠性。

将样本的有限个数据经数理统计推断，得出产品的寿命特征参数的估计值。

用样本观测值估计总体参数值的过程称为参数估计。

§4.3.1分布参数的点估计点估计是用样本观测值对未知参数给出接近真值的一个估计数值。

用于估计总体参数的统计量是样本的函数，称为点估计量，用样本观测值对点估计量计算的结果叫估计值。

当产品的寿命分布类型已知，而分布参数未知时，可根据子样寿命数据t1,,tn对寿命分布中的参数进行估计的方法称为分布参数的点估计。

不同的点估计方法给出的点估计值不同，不同样本的观察值得到的点估计也不同。

点估计是一个随机变量，它本身也有数学期望值和标准差。

估计方法有很多，如矩法，极大似然法，图估法，最小二乘法，最好线性无偏估计等方法。

一、矩法以子样的均值、方差作为总体期望值、方差的估计。

如抽取n个样本进行寿命试验，其寿命分布为t1,,tn，子样的均值作为总体分布的数学期望E(T)的估计，子样的方差S作为总体方差D(T)的估计，因此总体参数的估计值：22itS22(ti)22例：假设一产品的寿命分布服从正态分布N(,)，现随机抽取4台做寿命试验，得到寿命数据为1502h,1453h,1369h,1650h,求正态分布的待估参数。

解：(1502h1253h1369h1650h)/41493hS(15021493)(12531493) (41047)22222二、极大似然估计（MLE——Ma某imumLikelihoodEtimation）极大似然估计法是一种重要的参数估计方法。