1、一、可靠性概论1.1 可靠性工程的发展及其重要性1、可靠性工程起源与第二次世界大战（日本，齐藤善三郎） 。20 世纪 60 年代是可靠性全面发展的阶段，20 世纪 70 年代是可靠性发展步入成熟的阶段，20世界 80 年代是可靠性工程向更深更广的方向发展。2、1950 年 12 月，美国成立了“电子设备可靠性专门委员会” ，1952 年 8 月，组成“电子设备可靠性咨询组（AGREE） ，1957 年 6 月发表军用电子设备可靠性 ，标志着可靠性已经成为一门独立的学科，是可靠性发展的重要里程碑。3、可靠性工作的重要性和紧迫性：武器装备的可靠性是发挥作战效能的关键，民用产品的可靠性是用户满意的关
2、键成为参与国际竞争的关键因素是影响企业盈利的关键是影响企业创建品牌的关键是实现由制造大国向制造强国转变的必由之路。4、可靠性关键产品是指一旦发生故障会严重影响安全性、可用性、任务成功及寿命周期费用的产品、价格昂贵的产品。1.2 可靠性定义及分类1、产品可靠性指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。概率度量成为可靠度。2、寿命剖面是指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，包含一个或几个任务剖面。任务剖面是指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。3、产品可靠性可分为固有和使用可靠性，固有可靠性水平肯定比使用可靠性水平高。产品可
3、靠性也可分为基本可靠性和任务可靠性。基本可靠性是产品在规定条件下和规定时间内无故障工作的能力，它反映产品对维修资源的要求。任务可靠性是产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。同一产品的基本可靠性水平肯定比任务可靠性水平要低。1.3 故障及其分类1、故障模式是指故障的表现形式，如短路、开路、断裂等。故障机理是指引起故障的物理、化学或生物的过程。故障原因是指引起故障的设计、制造、使用和维修等有关的原因。2、非关联故障是指已经证实未按规定的条件使用而引起的故障，或已经证实仅属某项将不采用的设计所引起的故障，关联故障才能作为评价产品可靠性的故障数。1.4 可靠性常用度量参数1、故障率 (t)是工作到
4、某时刻尚未发生故障的产品，在该时刻后单位时间内发生故障的概率。单位为 10-9/h，称为菲特。2、故障率是故障的一个相对率，与样本量无关。3、MTTF 平均失效前时间，描述不可修复产品。在规定的条件下和规定的时间内产品寿命单位总数与失效产品总数之比。4、MTBF 平均故障间隔时间，描述可修复产品。MTBF=1/（指数分布） 故障率为常数。5、故障服从指数分布，故障率为常数 ，此时可靠度为 R（t ）=e(-t)1.5 产品故障率盆浴曲线1、早期故障期：主要是设计与制造中的缺陷导致；偶然故障期：有偶然因素引起；耗损故障期：由老化、疲劳、磨损、腐蚀等耗损性因素引起。2、安全性分析方法：危险源检查单
5、法；工程经验法；其他分析方法（失效模式影响及危害性分析、失效树分析、事件树分析、报警时间分析、警示与报警分析等）二、可靠性数学基础1、样本标准差可用于描述随机变量样本数据的离散性的统计量2、样本均值、样本中位数、样本众数可以用于描述随机变量样本数据的中心特征的统计量3、样本均值属于样本矩。2.1 可靠性工程中常用的概率分布1、离散型随机变量分布：二项分布、泊松分布。连续型随机变量分布：指数、正太、对数正态、威布尔分布。2、指数分布：f(x)=e(-x)，F（x）=1-e(-x)指数分布的均值 =1/，方差 2=1/ 2指数分布的性质：失效率 等于常数；平均寿命 与失效率互为倒数；指数分布“无记
6、忆性” 。3、正态分布具有对称性，计为 N（，2 ） ， 决定正态分布曲线的位置，代表分布的中心倾向，2 决定正态分布曲线的形状，表示分布的离散程度。4、威布尔分布既包括故障率为常数的模型，也包括故障率随时间变化的递减（早期故障）和递增（耗损故障）模型。2.2 参数估计1、点估计的解析法：矩法只适用于完全样本；最好线性无偏估计和不变估计只适用于定数截尾情况；极大似然法和最小二乘法适用于所有情况，极大似然法是精度最好的方法。2、极大似然估计利用总体分布函数表达式及样本数据来建立似然函数。具有一致性、有效性和渐近无偏性等。3、置信区间表示计算估计的精确程度，置信度表示估计结果的可信性。三、可靠性设
7、计与分析3.1 可靠性建模、分配与预计1、可靠性模型包括可靠性框图及其相应的数学模型；可靠性模型分为基本可靠性模型（用于计算故障率或平均故障间隔时间，串联模型）和任务可靠性模型。2、建立可靠性模型的目的：明确各单元之间的可靠性逻辑关系及其数学模型利用模型进行可靠性定量分配和预计，发现设计中的薄弱环节，以改进设计对不同的设计方案进行比较，为设计决策提供依据。3、可靠性建模主要步骤：明确产品定义、绘制可靠性框图、建立数学模型。4、非贮备模型：串联模型；工作贮备模型：并联模型（最简单） 、表决模型、桥联模型；非工作贮备模型：旁联模型。5、串联系统的失效率，指数分布时，相加。6、采用并联模型，提高了产
8、品的任务可靠性，而基本可靠性降低，同时增加了产品的重量、体积等。7、可靠性分配是一个由整体到局部、由上到下的分解过程。分配方法有评分分配法、比例组合法、AGREE 法、均等分配法。8、评分分配法考虑因素：复杂度、技术成熟度、重要度、工作时间和环境条件。9、可靠性分配目的：明确各单元的可靠性定量要求发现设计中的薄弱环节对不同的设计方案进行比较，为设计决策提供依据作为可靠性试验与评估的依据之一。10、可靠性预计是一个由局部到整体、由下到上的过程。预计方法：评分预计法、元器件计数法（初步设计阶段） 、应力分析法（详细设计阶段）和相似产品法。11、评分预计法考虑因素：复杂度、技术成熟度、工作时间比率、
9、环境严酷度。12、应力分析法需要数据：元器件种类、数量、质量等级、工作环境、使用应力。13、可靠性预计目的将预计结果与要求的可靠性指标相比较，是否能够达到客户要求在方案阶段，通过对不同方案预计值的比较，选择优化方案在研制阶段，通过预计，发现设计中的薄弱环节，以便加以改进为可靠性增长试验、验证试验及费用核算等提供数据通过预计为可靠性分配提供对照依据。3.2 故障模式、影响及危害性分析（FMECA）1、故障影响分为局部影响、高一层次影响、最终影响。2、严酷度是根据产品每一个故障模式的最终影响的严重程度确定的。 （I 灾难的、II 致命的、III 中等的、IV 轻度的）3、绘制危害性矩阵图的方法：横
10、坐标一般按等距离标示严酷度类别，纵坐标为产品危害度或故障模式危害度或故障模式概率等级。4、CA 分析方法有评分排序法和危害性矩阵方法（定量、定性分析方法）5、过程 FMECA 简称 PFMECA，针对生产过程中每个工艺步骤可能发生的故障模式、原因及其对产品造成的影响进行分析。工艺故障模式是指不能满足产品加工、装配过程要求和/或设计意图的工艺缺陷。在 PFMECA 中，一般不考虑产品设计中的缺陷。工艺故障影响程度：灾难的、严重的、中等的、轻度的。6、风险优先数（RPN）是工艺模式的严酷度等级、发生概率等级和被检测难度等级的乘积。3.3 故障树分析（FTA）1、FMECA 是采用自下而上的逻辑归纳
11、法，从最基本的零部件故障分析到最终产品故障，从故障的原因分析到故障的后果；FTA 是采用自上而下的逻辑演绎法，从最终的故障分析到基本零部件的故障，从故障的后果分析到故障的原因。2、FTA 的主要目的：帮助判明潜在的故障模式和灾难性危险因素，发现可靠性和安全性薄弱环节，以便采取改进设计；帮助诊断故障，改进使用维修方案。3、有为与门，仅当所有事件发生时，输出事件才发生。有为或门，至少一个输入事件发生时，输出事件就发生。4、建立故障树的方法：演绎法、计算机辅助建树的合成法或决策表法。建立故障树的规则：明确建树的边界条件，确定简化系统图故障时间应严格定义从上向下逐级建树建树时不允许门-门直接相连用直接
12、事件逐步取代间接事件处理共因事件和互斥事件。5、割集的含义：故障树中一些底事件的集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生。最小割集的含义：将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集。6、求最小割集的方法：下行法和上行法。下行法：与门只增加割集的阶数；或门只增加割集的个数，不增加割集的阶数。7、最小割集的定性比较：阶数越小的最小割集越重要；在低阶最小割集中出现的底事件比高阶最小割集中的底事件重要；在最小割集阶数相同的条件下，在不同最小割集中重复出现的次数越多的底事件越重要。3.4 可靠性设计准则的制定与实施1、通用可靠性设计准则：简化设计；冗余设计；热设计；环境防护设计（防潮湿设计、防盐
13、雾腐蚀设计、防霉菌设计、耐冲击、振动和噪音设计；耐冲击、振动的安装设计；原材料、零部件和元器件选用；包装、贮存、装卸与运输设计；电磁兼容设计）3.5 电子产品可靠性设计与分析1、电子产品可靠性技术方法：元器件的选用与控制、降额设计、热设计、电子产品容差分析、潜在电路分析等。2、元器件选用原则：等级满足开发产品的要求选择成熟的、质量稳定的、有质量等级的标准元器件选择有发展前途的元器件，尽量减少或不选择限制使用的元器件不允许选择已经淘汰的或国外已经停产的货将要停产的元器件。3、降额设计：是指通过有目的的设计使元器件或设备工作时所承受的工作应力低于元器件或设备规定的额定值，从而达到降低元器件或设备的
14、故障率，并提高电子产品工作可靠性的目的。过度降额会使效益下降，产品的体积、重量和成本都会增加。4、降额设计：降额因子是指元器件实际工作应力与额定应力之比。降额参数是指影响元器件失效率的有关性能参数及环境应力参数。5、降额等级确定因素：可靠性、维修性、安全性、尺寸、重量及寿命期内的维修费用。6、热设计：控制电子产品内部的所有电子元器件的温度使其在产品所处的工作环境条件下不超过规定的最高允许温度，从而保证电子产品正常、可靠地工作。7、电子产品热设计相关的国家军用标准有：GJB450A-2004装备可靠性工作通用要求 、GJB/Z27-1992电子设备可靠性热设计手册 、GJB/Z 299B-199
15、8电子设备可靠性预计手册 。8、热设计的基本原则：通过控制散热量的大小来控制温度上升选择合理的热传递方式尽量减小各种热阻，控制元器件的温度采用的冷却系统应简单经济，并适应电子产品所在的环境条件的要求应考虑尺寸和重量、耗热量、经济性、与失效率对应的元器件最高允许温度、电路布局、产品的复杂程度等因素应与电气及机械设计同时进行不得有损于产品的电性能最佳热设计与最佳电路设计有矛盾时，应采用折中的解决方法应尽量减少热设计中的误差。9、热设计目标一般为产品内部元器件允许的最高温度，根据热设计目标及产品的结构、体积、重量进行，主要的热设计方法包括冷却方法的选择、元器件的安装与布局、印制电路板散热结构的设计和
16、机箱散热结构的设计。10、热设计目标的确定：通常根据产品的可靠性与工作的环境条件来确定；工程上，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值作为热设计目标；根据元器件失效率与工作温度之间的关系，将允许的最高工作温度作为热设计的目标。11、电子产品常用冷却方法：自然冷却、强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却。12、容差分析方法：最坏情况分析法、仿真、阶矩法。13、容差分析技术是一种预测电路性能参数稳定性的方法。电路性能参数发生变化的主要表现有性能不稳定、参数发生偏移（漂移） 、退化。电路容差分析一般在研制阶段的中后期开展。14、潜在电路是设计者无意中设计进系统的，属于非失效相关的设计问题。潜在电路
17、包括潜在路径、潜在时序、潜在指示、潜在标志。3.6 机械产品可靠性设计与分析1、机械产品可靠性设计方法分为定性设计方法和定量设计方法，机械可靠性定量设计的主要方法是概率设计法（以应力-强度干涉模型和功能失效极限状态函数理论为基础，将与设计有关的载荷、强度、尺寸、寿命等都视为服从一定分布的随机变量，掌握它们的分布规律并利用概率方法计算出给定设计条件下产品的失效概率和可靠度，以保证所设计的机械产品符合给定的可靠性要求） 。2、机械产品的可靠性度量参数：可靠度、寿命和可靠寿命、平均故障间隔时间/里程。3、机械可靠性设计常考虑的随机因素：几何尺寸、材料性能、载荷。4、应力-强度干涉模型：应力是引起产品
18、失效的各种因素的统称，强度是产品抵抗失效发生的各种因素的统称。应力包括载荷（力、力矩、转矩等） 、位移、应变、温度、磨损量、电流、电压等。应力和强度都是服从一定分布的随机变量。应力小于强度，不发生失效；应力大于强度，发生失效。四、可靠性试验1、可靠性试验的目的和作用：发现各种缺陷和故障；确认产品是否符合可靠性要求；为评估和改进产品可靠性提供信息。2、工程试验的目的是暴露产品各方面存在的缺陷、薄弱环节和故障，为提高产品可靠性提供信息。统计试验的目的是验证产品是否达到了规定的可靠性或寿命要求。3、工程试验包含环境应力筛选、可靠性研制试验、可靠性增长试验；统计试验包含可靠性鉴定试验、可靠性验收试验、
19、寿命试验。4、各种试验适用时机：环境应力筛选-产品的研发阶段、生产阶段；可靠性研制试验-产品研发阶段的早期和中期；可靠性增长试验- 产品的研发阶段中期，产品的技术状态大部分已经确定；可靠性鉴定试验-产品设计确认阶段，产品通过环境应力筛选、环境鉴定试验之后，产品的技术状态已经固话；可靠性验收试验-产品批量生产阶段；寿命试验- 产品设计定型阶段。产品通过环境鉴定试验之后，产品的技术状态已经固化。4.1 环境应力筛选（ESS）1、ESS 是通过向电子产品施加合理的环境应力和电应力，将其内部的潜在缺陷激发成为故障，并通过检测发现和排除的过程，是一种工艺手段，也是一种试验。2、ESS 目的是发现和排除不
20、良元器件、制造工艺和其他原因引入的缺陷所造成的早期故障。3、环境应力筛选应在元器件、组件、部件等产品层次上 100%进行。4、ESS 的条件：能够很快析出潜在缺陷，包括暴露设计缺陷；不会诱发附加的故障，消耗受筛产品的寿命。5、ESS 应力类型：温度应力：恒定高温、温度循环（慢、快速温变） 、温度冲击；振动应力：扫频正弦、随机振动。6、ESS 温度循环：包括慢速温变和快速温变；对筛选效果最有影响的是温度变化范围、温度变化速率以及循环次数；循环次数的增加能够累计激发效应；提高温度变化范围和变化速率能加强产品的热胀冷缩程度。7、ESS 温度循环激发的故障模式： 涂层、材料或线头上各种微观裂纹扩大；联
21、结不好的接头松弛；螺钉连接或铆接不当的接头松弛；机械张力不足的压配接头松弛；质量差的钎焊接触电阻加大或造成开路；粒子污染；密封失效。8、ESS 随机振动：产品在不同的频率上同时受到应力，使产品的许多共振点同时受到激励；筛选所需持续时间大大缩短，其持续时间可以减少到扫频正弦振动时间的 1/31/5；一般在 1530 分钟内均能产生较好效果；过分延长振动时间，筛选效果不明显，且可能带来损伤。9、应力筛选效果比较：温度循环随机振动恒定温度电应力温度冲击定频扫频低温。10、常规筛选实施过程一般包括试验前准备工作、初始性能检测、寻找和排除故障（先随机振动后温度循环）及无故障检验（先温度循环后随机振动）
22、、最终性能检测四个阶段。4.2 可靠性研制实验（TAAF）1、可靠性研制实验通过对受试产品施加应力，将产品中存在的材料、元器件、设计和工艺缺陷激发成为故障，进行故障分析定位后采取纠正措施加以排除的过程。即 TAAF 过程。2、可靠性研制实验分类：可靠性增长摸底实验( 或摸底实验) 、可靠性强化实验（RET）或高加速寿命实验（ HALT） 。3、可靠性强化实验应力施加顺序：试验破坏性应力由弱到强，先低温后高温；先温度后振动；先单应力后综合应力。4、可靠性增长摸底试验剖面：模拟产品实际的使用条件制定试验剖面，包括环境条件、工作条件和使用维护条件。试验在产品研发阶段，没有很多实测数据；按 GJB89
23、9可靠性鉴定和验收试验确定试验剖面。5、可靠性强化实验的实验应力有：低温、高温、快速温变循环、振动、湿度以及综合环境，还可以施加产品规定的其他应力，如电应力、冲击力等。6、高/低温步进应力施加方法：起始温度一般在室温货某一接近室温的条件下开始；每步保持时间包括产品完全热/冷透的时间和产品检测所需时间，通常在1020 分钟；步长通常为 10，某些时候可以增加到 20 或减小到 5，一般在极限后，调整为 5。7、快速温变循环应力施加方法：上下限温度不超过破坏极限的 80 或采用低温工作极限加 5 为上限，高温减 5 为下限；温变率一般在 1560/min 之间；上下限温度保持时间为 1020 分钟
24、；温度循环次数不超过 6 次。8、振动步进应力施加方法：全轴台振动步进应力试验的初始值为 35Grms，电动台振动步进应力试验的初始值为 12Grms；振动稳定后驻留时间一般为 510分钟；全轴台振动步进应力步长一般为 35Grms,一般不超过 10Grms，电动台振动步进应力一般为 23Grms，一般不超过 5Grms。4.3 可靠性增长实验（RGT）1、RGT 的对象选择原则：重要度较高、较为复杂、新研发、缺乏继承性的产品；在研发试验和系统综合试验、现场使用中问题较多的产品；对产品可靠性指标影响较大的单元。2、可靠性增长试验剖面一般应与该产品的可靠性鉴定试验剖面一致。3、RGT 计划增长曲线为可靠性跟踪提供基线，作为监控试验的依据。含有 5 个参数：可靠性增长的目标；达到目标的总累积试验时间；可靠性增长的初始水平；起始试验时间；可靠性增长率。4、RGT 的总试验时间一般为增长目标值的 525 倍。5、RGT 增长模型： 是一个数学表达式，描述了产品在可靠性增长过程中差评可靠性增长的规律或总趋势，普遍使用的杜安模型，有时可用 AMSAA 模型作为补充。6、杜安模型是确定性模型，即工程模型，而不是数理统计模型。杜安模型的前提是：产品在可靠性增长过程中，逐步纠正故障，因而产品可靠性是逐步提高的，不允许有多个故障集中改进而使产品可靠性有突然的较大幅度提高。杜安
