可靠性設(shè)計(jì)的一些內(nèi)容一、可靠性評價(jià)分析技術(shù)的應(yīng)用

由于設(shè)計(jì)階段對產(chǎn)品的可靠性將起到奠基作用，故在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)不斷對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行定性和定量的評價(jià)分析）以便及時(shí)了解產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)是否有了保證，所采取的各種可靠性設(shè)計(jì)措施是否有效，有效程度如何，設(shè)計(jì)中是否還存在薄弱環(huán)節(jié)和潛在缺陷，產(chǎn)品在今后使用中可能會發(fā)生什么樣的故障，以及故障一旦發(fā)生時(shí)，其影響和危害程度如何等等。弄清以上問題將有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)，防止“帶病”投產(chǎn)，保證預(yù)定的可靠性指標(biāo)得到滿足。下面介紹幾種主要的評價(jià)分析技術(shù)的應(yīng)用：1．可靠性預(yù)計(jì)與分配

可靠性預(yù)計(jì)是在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)設(shè)計(jì)中所選用的電路程式、元器件、可靠性結(jié)構(gòu)模型、工作環(huán)境、工作應(yīng)力以及過去積累的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，推測產(chǎn)品可能達(dá)到的可靠性水平。預(yù)計(jì)的目的不是在于了解在什么時(shí)候?qū)l(fā)生什么樣的失效，而是在于從設(shè)計(jì)開始就采取措施以防止失效的發(fā)生，并用定量的方法評價(jià)可靠性設(shè)計(jì)的效果。

可靠性分配是將可靠性指標(biāo)或預(yù)計(jì)所能達(dá)到的目標(biāo)值加以分解，用科學(xué)的方法，合理分配給分系統(tǒng)、設(shè)備、部件直至各元器件和每一個(gè)連接點(diǎn)、焊接點(diǎn)，以保證可靠性既定目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。通過分配，不僅可以層層落實(shí)設(shè)計(jì)指標(biāo)，還可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)和尚能挖掘的潛力?？煽啃灶A(yù)計(jì)的方法一般有相似設(shè)備法、相似電路法。有源器件法、元器件計(jì)數(shù)法及元器件應(yīng)力分析法等，它們分別適用于不同的設(shè)計(jì)階段：當(dāng)產(chǎn)品處于方論證階段時(shí)，可用相似設(shè)備法、相似電路法、有源器件法等快速預(yù)計(jì)法進(jìn)行可行性預(yù)計(jì)，以評價(jià)設(shè)計(jì)方案的可行性；當(dāng)產(chǎn)品處于旱期的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段時(shí)，可用元器件計(jì)數(shù)法進(jìn)行初步設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)，以了解元器件的初步選擇是否恰當(dāng)，并為可靠性分配打下預(yù)計(jì)的基礎(chǔ)，而當(dāng)產(chǎn)品處于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的中期和后期，可用元器件應(yīng)力分析法進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)或潛在能力，及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)，以期達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)

的目的。下面就三種預(yù)計(jì)方法作一些簡略的介紹：

（1）有源器件法

所謂有源器件法，即按設(shè)備為完成規(guī)定功能所需的串聯(lián)有源器件的數(shù)目預(yù)計(jì)設(shè)備失效的方法。預(yù)計(jì)公式為

λs=N*K(11.1)

式中：λs--設(shè)備的預(yù)計(jì)失效率；

N--串聯(lián)有源器件的數(shù)目；

K---各種設(shè)備中每個(gè)有源器件的失效率。

(2)元器件計(jì)數(shù)法

所謂元器件計(jì)數(shù)法就是根據(jù)組成設(shè)備的各類元器件的通用失效率及其使用數(shù)量，來預(yù)計(jì)設(shè)備失效率的方法

。（3）元器件應(yīng)力分析法預(yù)計(jì)

元器件應(yīng)力分析法預(yù)計(jì)是考慮了溫度、電應(yīng)力、環(huán)境條件、元器件選用及電路等情況對元器件失效率的影響，先預(yù)計(jì)各個(gè)元器件在上述諸因素影響下的失效率，然后再預(yù)計(jì)設(shè)備總的失效率的一種方法。除微電子器件外，絕大多數(shù)電子元器件的工作失效率預(yù)計(jì)公式為：

λp=λb(πE?πQ……πn)（11.3）

式中：λp--元器件的工作失效率；

λb--元器件的基本失效率;

πE--環(huán)境修正系數(shù)；

πQ--元器件質(zhì)量修正系數(shù)；

πn--考慮其它附加影響的修正系數(shù)。

在進(jìn)行應(yīng)力分析法可靠性預(yù)計(jì)時(shí)，需要對每個(gè)元器件給出失效率和各修正系數(shù)的數(shù)值。為此，我國電子產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)交換網(wǎng)編制了我國的《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊》，并且已經(jīng)列入軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB299一87，可以作為我國電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)的依據(jù)。進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)時(shí)，尤其是進(jìn)行應(yīng)力分析法預(yù)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行大量繁雜的計(jì)算，最宜于采用計(jì)算機(jī)輔助分析和計(jì)算?？煽啃苑峙湟话惴譃閮纱箢?，一類是無約束條件，單純從可靠性指標(biāo)出發(fā)進(jìn)行分配；另一類是有約束條件，即以體積、重量、成本等為約束條件進(jìn)行最優(yōu)化可靠性分配。

等分法即是平均分配法，適用于由完全相同的單元電路構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)、分配公式為：

λi=λs/m（11．4）

式中：λi--第i分系統(tǒng)的失效率；

λs--系統(tǒng)的失效率；

m--分系統(tǒng)的數(shù)目。

AGREE分配法是由美國電子設(shè)備可靠性顧問團(tuán)提出的一種分配方法。它考慮了組成系統(tǒng)的每個(gè)單元的復(fù)雜度和重要度。這種分配的基本觀點(diǎn)是：越是復(fù)雜的單元越容易失效，分配給它的失效率應(yīng)該大一些。越是重要的單元越不希望它失效，故分配給它的失效率應(yīng)該小一些。亦即分配時(shí)每個(gè)單元的失效率應(yīng)該是加權(quán)的，加權(quán)因子C應(yīng)該與單元的復(fù)雜度成正比，與單元的重要度成反比，于是AGREE方法的分配公式為：

λi=(ni×T×λs)/(N×Wi×ti)(11.5)

式中：ni--第i單元的元器件數(shù)；

N--系統(tǒng)的元器件總數(shù)，ni/N表示第i單元的復(fù)雜度；

Wi--第i單元的重要度；

T--系統(tǒng)的任務(wù)周期;

ti--第i單元在任務(wù)周期內(nèi)的工作時(shí)間；

λs--系統(tǒng)的失效率。

2．失效模式、效應(yīng)與危害度分析

失效模式、效應(yīng)與危害度分析簡稱FMEC。它是一種廣泛適用于電子、電器以及機(jī)械設(shè)備的可靠性評價(jià)分析技術(shù)。是通過對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的各組成單元可能發(fā)生的各種失效模式對系統(tǒng)功能的影響及其危害程度的分析，盡早發(fā)現(xiàn)問題、及時(shí)采取對策、改進(jìn)設(shè)計(jì)，以保證產(chǎn)品的可靠性。

失效模式是指元器件、零部件或產(chǎn)品失效的表現(xiàn)形式。失效模式一般是能被觀察到的一種失效現(xiàn)象。

各種失效模式對設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的后果及其嚴(yán)重程度稱之為效應(yīng)及嚴(yán)酷度。效應(yīng)又分為局部效應(yīng)和最終效應(yīng)。

表11.1列出了常用嚴(yán)酷度等級及其損壞概率。根據(jù)等級及損壞概率，

表11．1

等級程度損壞概率

IV可能導(dǎo)致系統(tǒng)功能全部喪失，給系統(tǒng)和周圍環(huán)境造成重大損失，或（和）造成人身傷亡事故。

III可能導(dǎo)致系統(tǒng)功能全部喪失，從而給系統(tǒng)和環(huán)境造成重大破壞，但不造成人身傷亡事故。0．5

II導(dǎo)致系統(tǒng)功能下降，但對系統(tǒng)和人不會造成損害事故。0．1

I導(dǎo)致系統(tǒng)功能下降，但對系統(tǒng)和環(huán)境不造成損害，對人員無害。0

不僅可以定性地判別哪些失效模式危害度最高，而且還可以進(jìn)一步足量地計(jì)算每種失效模式的危害度。

3．失效樹分析

失效樹分析簡稱FTA。FTA也是一種廣泛適用于電子、電器以及機(jī)械設(shè)備的可靠性評價(jià)分析技術(shù)。它是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中通過對系統(tǒng)可能造成失效的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等）進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖（即失效樹），從而確定系統(tǒng)失效原因的各種可能組合方式及其發(fā)生概率，進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)的失效概率，以便采取相應(yīng)的糾正措施，提高系統(tǒng)的可靠性。失效樹分析可以是定行的，也可以是定量的。

顧名思義，失效樹，就是一種樹狀的邏輯因果關(guān)系圖。它是一系列事件符號和邏輯門符號，描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。邏輯門的輸入事件是輸出事件的“因”，而輸出事件是輸入事件的“果”。它由頂事件、中間事件、底事件和邏輯或門、邏輯與門等符號組成。

失效樹分析法的一般步驟如下：

(1)了解系統(tǒng)，確定頂事件：

(2)建造失效樹，并加以簡化和規(guī)范化；

(3)定性分析：確定失效樹的最小割集；

(4)收集定量分析用的數(shù)據(jù)，如底事件的失效概率、失效率、維修率等；

(5)定量分析：計(jì)算頂事件的發(fā)生概率和系統(tǒng)可靠度、評價(jià)頂事件的嚴(yán)重性與危害度,計(jì)算底事件和最小

割集的重要度等;

6)確定薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵元部件。改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性、安全性；

(7)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，作方案比較與決策等。

4．可靠性增長試驗(yàn)

各項(xiàng)可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用后，電子產(chǎn)品所達(dá)到的可靠性預(yù)計(jì)值還是紙面上的。按照設(shè)計(jì)方案研制出來的樣機(jī)，其可靠性初始值往往只有設(shè)計(jì)時(shí)已達(dá)到的預(yù)計(jì)值的10～30％。這是由于所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品總會存在著事先意想不到的初期設(shè)計(jì)缺陷、工程缺陷以及制造上的各種缺陷，設(shè)計(jì)時(shí)所選用的元器件也可能不完全合適。

缺陷雖不一定是故障，但它的存在及發(fā)展遲早能引起故障，故在可靠性工程中，除了應(yīng)用前面所述FMECA和FTA等分析方法，還必須采用可靠性增長試驗(yàn)的方法，也即是給樣機(jī)施加一定的應(yīng)力。強(qiáng)迫暴露設(shè)計(jì)缺陷，使缺陷變成故障，并對故障進(jìn)行仔細(xì)分析，找出故障機(jī)理，通過進(jìn)行再設(shè)計(jì)，來系統(tǒng)地、永久地消除故障機(jī)理，阻止同樣的故障再度出現(xiàn)。這個(gè)試驗(yàn)一分析一改進(jìn)（簡稱TAAF）的過程，就是可靠性增長過程或稱為可靠性增長試驗(yàn)過程。這個(gè)過程每每進(jìn)行一次，樣機(jī)的可靠性就增值一次，經(jīng)過多次反復(fù)，直到實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的固有可靠性。

可靠性增長試驗(yàn)既適用于設(shè)計(jì)研制和生產(chǎn)定型階段，也適用于批量生產(chǎn)階段。但重點(diǎn)是在設(shè)計(jì)研制和生產(chǎn)定型之前進(jìn)行，因?yàn)槟菚r(shí)的產(chǎn)品尚處于可以再設(shè)計(jì)階段，比起投入批量生產(chǎn)以后的產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)上作出修改的困難程度和所需費(fèi)用都將小得多。為了在可靠性增長試驗(yàn)活動中能嚴(yán)密地、有效地監(jiān)控和跟蹤可靠性的變動情況，有必要把可靠性增長定量化。由于可靠性增長活動是對產(chǎn)品不斷進(jìn)行試驗(yàn)和采取積極的改進(jìn)活動，因此，反映產(chǎn)品質(zhì)量的母體水平也在不斷變動之中，所以可靠性增長的定量化需要應(yīng)用變動母體的統(tǒng)計(jì)分析方法，這就是可靠性增長的數(shù)學(xué)模型。它是一個(gè)作為