03可靠性工程-可靠性模型

可靠性工程专题——可靠性模型现代航天企业制造信息化技术学习内容1.可靠性模型有关术语及定义2.基本可靠性模型－任务可靠性模型3.建立系统任务可靠性模型的程序4.系统功能分析5.典型的可靠性模型6.不可修系统可靠性模型系统、单元——产品系统由相互作用和相互依赖的若干单元结合成的具有特定功能的有机整体。“系统”、“单元”相对概念可以是按产品层次划分：零部件、组件、设备、分系统、系统、装备中任何相对的两层“系统”包含“单元”，其层次高于“单元”产品可以指任何层次。模型原理图反映了系统及其组成单元之间的物理上的连接与组合关系功能框图、功能流程图反映了系统及其组成单元之间的功能关系系统的原理图、功能框图和功能流程图是建立系统可靠性模型的基础可靠性模型描述了系统及其组成单元之间的故障逻辑关系多种可靠性建模方法:可靠性框图网络可靠性模型故障树模型事件树模型马尔可夫模型Petri网模型GO图模型可靠性框图模型可靠性框图为预计或估算产品的可靠性所建立的可靠性方框图和数学模型。方框：产品或功能逻辑关系：功能布局连线：系统功能流程的方向无向的连线意味着是双向的。节点（节点可以在需要时才加以标注）输入节点：系统功能流程的起点输出节点：系统功能流程的终点中间节点图例可靠性模型示例2高频放大3混频6检波5中频放大7低频放大9电源4振荡348图3-2收音机可靠性框图8放音1天线57921106可靠性框图（收音机）图3-35行程开关可靠性框图12431234（a）提前闭合故障模式(b)不能闭合故障模式可靠性数学模型tnitniisniiieetRtR111)()(基本可靠性模型基本可靠性模型用以估计产品及其组成单元发生故障所引起的维修及保障要求的可靠性模型。度量使用费用全串联模型储备单元越多，系统的基本可靠性（无故障持续时间和概率）越低任务可靠性模型任务可靠性模型用以估计产品在执行任务过程中完成规定功能的概率（在规定任务剖面中完成规定任务功能的能力），描述完成任务过程中产品各单元的预定作用，用以度量工作有效性的一种可靠性模型。系统中储备单元越多，则其任务可靠性越高。注意事项模型描述的是各单元之间的可靠性逻辑关系基本可靠性模型－任务可靠性模型在进行设计时，根据要求同时建立基本可靠性及任务可靠性模型的目的在于，需要在人力、物力、费用和任务之间进行权衡。设计者的责任就是要在不同的设计方案中利用基本可靠性及任务可靠性模型进行权衡，在一定的条件下得到最合理的设计方案。为正确地建立系统的任务可靠性模型，必须对系统的构成、原理、功能、接口等各方面有深入的理解。F18基本可靠性模型图3-4F/A-18基本可靠性框图发动机1发动机2燃油系统应急燃油系统液压泵1液压泵2液压飞控系统备用手动系统通用液压系统右发电机左发电机电力分配网应急电力系统环境控制系统塔康系统惯性导航武器控制系统备用罗盘大气数据系统固定增稳机体起落架雷达超高频通信甚高频通信武器自检F18任务可靠性模型图3-5F/A-18任务可靠性框图发动机1发动机2燃油系统应急燃油系统液压泵1液压泵2液压飞控系统备用手动系统通用液压系统右发电机左发电机电力分配网应急电力系统环境控制系统塔康系统惯性导航武器控制系统备用罗盘大气数据系统固定增稳机体起落架雷达超高频通信甚高频通信武器可靠性逻辑关系双开关系统原理图K1K2双开关系统可靠性框图K1K2K1K2(a)电路导通(b)电路断开建立系统任务可靠性模型的程序建模步骤1、规定产品定义（1）确定任务和功能功能分析（2）确定工作模式（3）规定性能参数及范围故障定义（4）确定物理界限与功能接口（5）确定故障判据（6）确定寿命剖面及任务剖面时间及环境条件分析2.建立可靠性框图（7）明确建模任务并确定限制条件（8）建立系统可靠性框图3.确定数学模型（9）确定未列入模型的单元（10）系统可靠性数学模型系统功能分析对系统的构成、原理、功能、接口等各方面深入的分析是建立正确的系统任务可靠性模型的前导。前导工作的主要任务就是进行系统的功能分析功能的分解与分类功能框图与功能流程图时间分析任务定义及故障判据功能的分解与分类功能的分解系统往往是多任务与多功能的一个系统及功能是由许多分系统级功能实现的通过自上而下的功能分解过程，可以得到系统功能的层次结构功能的逐层分解可以细分到可以获得明确的技术要求的最低层次（如部件）为止。进行系统功能分解可以使系统的功能层次更加清晰，同时也产生了许多低层次功能的接口问题。对系统功能的层次性以及功能接口的分析，是建立可靠性模型的重要一步。功能的分解系统14.41.13.21.21.34.11.42.44.24.33.43.13.32.32.22.1图3-6功能分解示意图432功能的分类在系统功能分解的基础上，可以按照给定的任务，对系统的功能进行整理。分类定义按重要程度分基本功能1.起主要的必不可少的作用；2.担任主要的任务，实现其工作目的；3.它的作用改变了，就会产生整体性的变化。辅助功能针对某种特定的构思所必需的功能，或辅助实现基本功能所需要的功能。它相对于基本功能是次要的或从属的。按用户要求分必要功能对于用户的任务需求而言，是必要的和不可缺少的。不必要功能对于用户的任务需求而言，该功能并非是非有不可的。功能框图与功能流程图用以描述在系统功能分解的过程中，较低层次功能间的接口与关联关系。功能框图功能流程图功能框图与功能流程图的逐级细化过程是与系统的功能分解相协调的。原理图、功能层次图及功能框图某家用热水器原理图热水器水箱加热系统过压保护器控制器温度压力传感器开关燃烧室指示灯天然气进气管图3-8家用热水器功能层次水箱加热系统过压保护器控制器温度压力传感器开关燃烧室指示灯天然气进气管图3-9家用热水器功能框图某空间飞行器整个飞行任务在最高层次以及下级层次中的功能流程上升和射入轨道10转到运行轨道20控制和部署30转到空间运输系统轨道60回收空间飞行器70再入和着陆80或应急操作50执行任务操作40转到运行轨道30参考转到空间运输系统轨道(60)参考提供电力41提供姿态稳定42提供热控制43提供轨道线路44接收指令（高增益）45储存处现指令47接收指令（全向）46获取子系统状态数据49发送有效载荷和子系统数据410发送子系统数据411或或或或获取有效载荷数据48第一层飞行任务第二层40执行任务操作时间分析-1功能框图——静态（不随时间而变）系统级的功能以及它们的子功能具有唯一的时间基准（所有功能的执行时间一样长）系统的功能随时间而变的系统——功能流程图可以描述这类系统的功能关系，为建立系统可靠性框图模型奠定基础功能流程图的一个缺陷：没有对系统功能的持续时间及功能间的时间进行描述，缺少一个时间坐标时间特性是可靠性分析中不可缺少的一个要素时间分析-2复杂系统一般具有两方面的特点：（1）系统具有多功能，各功能的执行时机是有时序的，各功能的执行时间长短不一（2）在系统工作的过程中，系统的结构是可以随时间而变化需要进行时间分析确定时间基准通过与该时间基准对应，可以得到系统功能流程图中各功能的执行时间及功能间的时间某飞行任务的时间基准任务定义及故障判据在进行系统功能分解、建立功能框图或功能流程图及确立时间基准的基础上，要建立系统的任务及基本可靠性框图，必须明确地给出系统的任务定义及故障判据，把它们作为系统可靠性定量分析计算的依据和判据。产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态，称为故障。对于具体的产品应结合产品的功能以及装备的性质与使用范畴，给出产品故障的判别标准，即故障判据。故障判据是判断产品是否构成故障的界限值。典型可靠性模型分类典型可靠性模型非储备模型串联模型工作储备模型非工作储备模型并联模型表决模型桥联模型旁联模型有储备模型假设（a）系统及其组成单元只有故障与正常两种状态，不存在第三种状态；（b）用框图中一个方框表示的单元或功能发生故障就会造成整个系统的故障（有替代工作方式的除外）；（c）就故障概率来说，用不同方框表示的不同功能或单元其故障概率是相互独立的。（d）系统的所有输入在规定极限之内，即不考虑由于输入错误而引起系统故障的情况；（e）当软件可靠性没有纳入系统可靠性模型时，应假设整个软件是完全可靠的；（f）当人员可靠性没有纳入系统可靠性模型时，应假设人员是完全可靠的，而且人员与系统之间没有相互作用问题。典型可靠性模型串联模型并联模型表决模型(r/n(G)模型)非工作贮备模型（旁联模型）桥联模型串联模型定义组成系统的所有单元中任一单元的故障都会导致整个系统故障的称为串联系统。串联系统是最常用和最简单的模型之一。串联系统的逻辑图如下图所示：串联系统可靠性框图123n串联系统数学模型nidttniistietRtR1)(10)()(＝当各单元服从指数分布时：tnitsniiieetR11)(串联系统数学模型–当各单元的寿命分布均为指数分布时，系统的寿命也服从指数分布，系统的故障率为单元的故障率之和：–系统的平均故障间隔时间：niiniissttRttR11))(ln())(ln(niisBFST111串联模型S——系统正常xi——单元i正常x1x3x2S=x1∩x2∩x3123123sRtPSPxPxPxRtRtRt当几个单元相互独立，系统可靠度：串联模型在设计时，为提高串联系统的可靠性，可从下列三方面考虑：(a)尽可能减少串联单元数目(b)提高单元可靠性，降低其故障率(c)缩短工作时间niistRtR1)()(并联模型并联模型组成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障的称为并联系统。并联系统是最简单的冗余系统（有贮备模型）。并联系统的逻辑图如图所示，其数学模型为：并联系统可靠性框图12nniiStRtR1)(11)(并联模型B1B3B2B——系统故障Bi——单元i故障B=B1∩B2∩B3当个单元相互独立，系统不可靠度：123123sFtPBPBPBPBFtFtFt并联模型niiStRtR1)(11)(系统可靠度当系统各单元的寿命分布为指数分布时，对于最常用的两单元并联系统，有212102121)(111)()()(212121212121dttRTeeeeeeteeetRsBCFttttttstttss并联模型尽管单元故障率都是常数，但并联系统的故障率不再是常数。并联模型故障率曲线λs（t）λs（t）λs（t）λ1λ1λ2λ2λ1=λ2λλλttt当系统各单元的寿命分布为指数分布时，对于n个相同单元的并联系统，有ndttRTetRsBCFntss1211)()1(1)(0并联模型与无贮备的单个单元相比，并联可明显提高系统可靠性（特别是n=2时）当并联过多时可靠性增加减慢图3-16并联单元数与系统可靠度的关系tRs(t)1.00.80.60.40.2n=5n=4n=3n=2n=1表决模型表决模型(模型)组成系统的n个单元中，正常的单元数不小于r（1≤r≤n）系统就不会故障，这样的系统称为r/n(G)表决模型。它是工作贮备模型的一种形式。可靠性框图如下图：r/n(G)系统可靠性框图12nr/n(G)表决模型若组成系统的各单元相同，每个单元失效概率为q，正常工作概率为p，则r/n(G)表决模型服从二项分布nrnrnnnqnqpknqpnnpqp011系统可靠度（假设表决器完全可靠）11nnrnrsnnRtppqpqnr