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产品可靠性设计方法概述


产品可靠性设计
可靠性工程研究所 章文晋

可靠性设计
? ? ? ? ? ? ? ? ? 规定定性定量的可靠性要求 建立可靠性模型 可靠性指标分配 可靠性预计 可靠性设计准则 耐环境设计 元器件的选用与控制 电磁兼容性设计 降额设计与热设计
可靠性基础知识 2

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定定性定量可靠性要求
? 可靠性是设计出来的、生产出来的、管 理出来的 ? 可靠性要求是开展产品可靠性设计的基 础 ? 可靠性要求是进行产品可靠性验证与考 核的基础 ? 可靠性要求包含定性、定量两个部分 ? 常用的可靠性定量指标是平均故障间隔 时间MTBF
20030410 可靠性基础知识 3

可靠性建模
可靠性模型是依据系统的原理和功能关系而建立的。 如下图所示的双开关系统,当系统的功能是使电路导 通,系统要能正常工作,只需开关A或B闭合即可,其 可靠性框图如图(a)所示(并联系统);当系统的功能 是使电路断开,系统要能正常工作,需要开关A和B同 时断开,其可靠性框图如图 (b)所示(串联系统)。
K1
K1 K1 K2

K2

K2

(a)
双开关系统原理图
20030410 可靠性基础知识

(b)
4

双开关系统可靠性框图

可靠性建模
? 可靠性模型概念

–是对系统内个单元之间可靠性关系的描述(图形/ 数学)。
–可靠性模型:可靠性框图 –可靠性模型分为产品系统级、分系统级或设备级 ? 建立可靠性模型目的与用途 –描述各单元之间的可靠性逻辑关系 –用于定量分配、估计和评价产品的可靠性

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可靠性基础知识

5

典型可靠性模型
典型可靠性模型

非储备模型

工作储备模型

非工作 储备模型

串联 模型

并联 模型

表决 模型

桥联 模型

旁联 模型

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可靠性基础知识

6

可靠性建模
? 串联模型:组成产品的所有单元中任一单元发 生故障都会导致整个产品故障
1 2 3 n

Rs (t ) ? ? Ri (t ) ? ? e ??i t ? e
i ?1 i ?1

n

n

?

? ?i t
i ?1

n

?s ? ? ?i
i ?1
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n

TBFS ? 1 ?s ? 1
可靠性基础知识

??
i ?1

n

i

7

可靠性建模
? 并联模型:组成产品所有单元中同时工作,只
要有一个单元不发生故障,产品就不会发生故

障,也称工作贮备模型
1 2 n

RS (t ) ? 1 ? ? ?1 ? Ri (t )?
i ?1

n

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可靠性基础知识

8

可靠性模型——表决模型
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
1 2

r/n(G)

Rs (t ) ? ? C R(t ) ?1 ? R(t ) ?
i ?r i n i

n

n ?i

n r/n(G)系统可靠性框图
20030410 可靠性基础知识

9

可靠性模型——表决模型
在r/n(G)模型中,当n必须为奇数(令为2k+1),且 正常单元数必须大于n/2时系统才正常,这样的系统 称为多数表决模型。多数表决模型是r/n(G)系统的 一种特例。三中取二系统是常用的多数表决模型
à ±? ? ? ?

1 2 3 (a)
2/3(G)

1 1 2 (b)

2 3 3

Rs (t ) ? 3e ?2 ?t ? 2e ?3?t TBCFs 5 ? 6?

2/3(G)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ò ?

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可靠性基础知识

10

可靠性模型——非工作储备模型
组成系统的各单元只有一个单元工作,当工作 单元故障时,通过转换装置接到另一个单元继 续工作,直到所有单元都故障时系统才故障, 称为非工作贮备系统,又称旁联系统。
1 K
故障监测和 转换装置

2 n
可靠性基础知识 11

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可靠性模型——桥联模型
示例:系统由A、B、C、D、E五个部分组成, 当开关E打开时,电机A向设备B供电,电机C 向设备D供电。如果电机C故障,合.上开关E, 由电机A向设备B和D供电
电机A ~ 设备B 1 E 2

A

B
4

开 电机C 关 E
~ (a)原理图
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C
设备D 3 (b)可靠性框图
可靠性基础知识

D

12

可靠性分配 ?可靠性分配是将产品总的可靠性定量 要求分配到规定的产品层次,用于对配 套外协产品提出可靠性要求 ?通过分配使整体和部分的可靠性定量 要求协调一致 ? 可靠性分配是一个由整体到局部, 由上到下的分解过程
20030410 可靠性基础知识 13

可靠性分配的评分法
部 复 技 重 件 杂 术 要 度 成 度 熟 度 A B C D 8 5 5 6 9 6 7 6 6 6 6 8 环 境 条 件 8 8 5 5 各部 件评 分数 ωi 3456 1680 900 1440 合计 各部件 评分系 数Ci 分配给各部件 分配给各部 的故障率 件的MTBF λi(×10-4)

0.462 0.225 0.12 0.193 1

9.24 4.5 2.4 3.86 20

1082.3 2222.2 4166.7 2590.1 500

表中各因素的评分值可以请多个专家分别打分再求平均值
20030410 可靠性基础知识 14

可靠性预计
? 可靠性预计是在设计阶段对系统的可靠性进行 定量的估计 ? 系统的可靠性预计是根据组成系统的元件、部 件的可靠性数据按可靠性模性来估计的。 ? 部件、元件的可靠性数据来源:
? 电子元器件:国军标、美军标和BellCore的元器件计 数法、应力分析法 ? 已有相似产品的可靠性数据通过系统的构成和结构特 点、系统的工作环境等因素修正 ? 部件的可靠性试验数据或实际使用数据
20030410 可靠性基础知识 15

可靠性预计---元件计数法
其通用公式为: ? s ?

? N (?
i ?1 i

n

G

? ? Q )i

1 式中 ?s ——产品总的故障率( / h )

?G i ——第i 种元器件的通用故障率( / h ) 1 ? Q i ——第i 种元器件的通用质量系数
N i ——第i 种元器件的数量 n
——产品所用元器件的种类数目。

GJB/Z299B/MIL-HDBK-217F
20030410 可靠性基础知识 16

可靠性预计---元器件计数法
? 元器件计数法
– 元件计数法适用于电子设备方案论证阶段和初步设计 阶段,元器件的种类和数量大致已确定,但具体的工 作应力和环境等尚未明确时,对系统基本可靠性进行 预计。 – 这种方法的优点是只使用现有的工程信息,不需要详 尽地了解每个元器件的应力及它们之间的逻辑关系就 可以迅速地估算出该系统的故障率。

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可靠性基础知识

17

可靠性预计---应力分析法

? 应力分析法适用于电子产品详细设计阶段,
已具备了详细的文件清单、电应力比、环境 温度等信息,比元器件计数法要准确 ? GJB/Z299B/MIL-HDBK-217F

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可靠性基础知识

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可靠性预计——应力分析法
? 第一步:求出各种元器件的故障率λp
– – – – λp= λb× πe ×K λp: 元器件工作故障率 πe : 环境系数 K:降额因子,其值小于或等于1

? 第二步:求产品的故障率λs
– λ pi:第i种元器件的工作故障率 – Ni:第i种元器件的数量 – n:产品中元器件的种类数

?s ?

? N i ? pi
i ?1

n

? 第三步:求产品的MTBF
– MTBF=1/ λs
20030410 可靠性基础知识 19

可靠性设计准则
? 什么是可靠性设计准则 –是一种设计规范,从系统可靠性角度出发,设计人 员必须遵守的设计要求,是已有的、相似产品的工 程经验的总结,并系统化、科学化、规范化而成。 ? 制定与实施的原因与目的 –仅有定量分析设计、FMEA等是不够的 –准则是系统设计经验的积累,甚至有血的代价。 –设计人员最易于接受的 –可靠性设计分析的重要依据 –可靠性设计与功能、性能设计紧密结合 –提高产品可靠性、降低费用
20030410 可靠性基础知识 20

耐环境设计
? ? ? ? ? ? 抗振动设计 抗冲击设计 抗噪音设计 防潮设计 防霉设计 热设计

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可靠性基础知识

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元器件的选择与控制
? 元器件固有可靠性:元器件通过设计和制造等 工作表现的可靠性特征,是元器件研制、生产 方的任务。 ? 元器件使用可靠性:元器件在使用过程中表现 的可靠性特征,是产品开发方的任务。 ? 国内外失效分析资料表明,有相当多的元器件 失效并非由于元器件本身固有可靠性不高,而 是由于使用者对元器件的选择不当或使用有误 引起的。
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元器件的选择与控制
? 元器件质量控制过程:
–选择:包括厂家、性能、质量稳定性等内 容的优选目录,每年修订一次,增删的依据 是质量表现 –设计:降额设计、热设计、隔振设计 –筛选:元器件入厂后要进行筛选和测试 –保管和装配:防静电等措施 –失效分析:判明元器件失效的真正原因
20030410 可靠性基础知识 23

电磁兼容性设计与试验
? 设计:
– – – – 静电抗扰性 浪涌抗扰性 电源波动及瞬间跌落抗扰性 射频电磁场辐射抗扰性

? 试验:
– 按行业标准

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可靠性基础知识

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降额设计与热设计
? 降额设计
– 元器件、零部件的故障率是与其承受的应力紧密相 关的,降低其承受的应力可以提高其使用可靠性 – 设计时应将其工作应力设计在规定的额定值之下 – 对元器件有降额准则方面的标准

? 热设计
– 电子产品的环境温度过高是造成其故障率增大的重 要原因 – 利用热传导、对流、热辐射等原理进行合理的热设 计,以降低其周围的环境温度 – 热测试:对热设计效果的检验
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故障模式影响及危害性分析(FMECA)
? FMECA概述
? FMECA步骤 ? 危害性矩阵 ? QS9000的FMECA方法

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可靠性基础知识

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FMECA概述——定义
? 故障模式影响及危害性分析
–Failure Mode ,Effects and Criticality Analysis , 简记为FMECA –针对产品所有可能发生的故障,进行故障 模式分析,确定每种故障模式对产品工作的 影响,找出单点故障,并按每一个故障模式 的严重程度及其发生概率确定其危害性 –单点故障:引起产品故障的,且没有冗余 或替代的工作方式作为补救的局部故障
20030410 可靠性基础知识 27

FMECA概述——目的
进行FMECA的主要目的是发现产品功能设 计、硬件设计、工艺设计中的缺陷和薄 弱环节,为提高产品的质量和可靠性水 平提供改进依据。

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可靠性基础知识

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FMECA概述——故障影响
? 故障影响:故障模式对安全性、产品功 能的影响
– 局部影响、高一层次的影响、最终影响

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可靠性基础知识

29

FMECA概述——严酷度
?严酷度:故障后果的严重程度,结合具体产品情 况进行定义
?Ⅰ类(灾难的):引起人员死亡或系统毁坏的故障。 ?Ⅱ类(致命的):导致人员严重受伤、器材及系统严重 损坏,从而使任务失败的故障。 ?Ⅲ类(严重的):导致人员轻度受伤、器材及系统轻度 损坏,从而导致任务推迟执行、或任务降级、或系统 不能起作用的故障。 ?Ⅳ类(轻度的):不足以导致造成人员受伤,器材或系 统损坏,但需要非计划维修或修理的故障。
20030410 可靠性基础知识 30

FMECA——步骤
FMEA表格
初始约定层次产品 约定层次产品 代 产品 功 码 或 能 功能 标志 1
对每 一产 品的 每一 故障 模式 采用 一种 编码 体系 进行 标识 记 被 析 品 功 的 称 标 志 ?

故障 模式

故障 原因

任 务 审核 分析人员 批准 任务 故障影响 严酷 阶段 度类 局部 高一 最终 与 别 影响 层次 影响 工作 影响 方式 6 7 8 9 10
根 最 影 分 的 果 每 故 模 分 严 度 别 据 终 响 析 结 按 个 障 式 配 酷 类 简 要 说 明 发 生 故 障 的 的 任 务 阶 段 与 产 品 的 工 作 方式 根据故障影响分析的结 果,简要描述每一个故障 模式的局部、高一层次和 最终影响并分别填入第 7 栏--9 栏

第 页 共 填表日期 故障 补偿 故障 检测 措施 概率 方法 等级

页 备注

2
录 分 产 或 能 名 与 。

3
简 要 描 述 产 品 所 具 有 的 主 要 功能

4
根 据 故 障 模 式 分 析 的 结 果 简 要 描 述 每 一 产 品 的 所 有 故 障 模式 根 故 原 分 结 简 描 每 故 模 的 有 障 因

5
据 障 因 析 果 要 述 一 障 式 所 故 原

11
简 要 描 述 故 障 检 测 方法

12
简 要 描 述 补 偿 措施

13

14
本 栏 主 要 记 录 对 其 它 栏 的 注 释 和 补 充 说明

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可靠性基础知识

31

FMECA——故障概率等级
? 故障概率等级:故障模式发生概率的范围
–A级--经常发生 –B级—很可能发生

–C级--偶然发生
–D级--很少发生 –E级--极少发生

? 上述概率等级可根据具体产品进行定义
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FMECA——危害性矩阵
危 害 度
故障概率等级

B

A

严酷度等级


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可靠性基础知识

QS9000的FMECA方法
? 确定各种故障模式对产品或人员产生危 害的严酷度(S) ? 确定故障模式发生的概率(O) ? 确定故障模式被发现的概率(D) ? 计算风险顺序数RPN并寻找纠正措施 ? 按RPN值从大到小排出先后次序,对高 RPN值的故障模式优先采取纠正措施
20030410 可靠性基础知识 34

可靠性试验
? ? ? ? ? 可靠性试验的目的和分类 环境应力筛选试验 可靠性增长试验 可靠性鉴定试验 可靠性验收试验

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可靠性基础知识

35

可靠性试验——目的和分类
试验目的

发现产品在设计、 元器件、零部件、 原材料和工艺方 面的各种缺陷

为提高产品的可用 性、可靠性、减少 维修人力和保障费 用提供信息

确认产品是 否符合可靠 性定量要求

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可靠性基础知识

36

可靠性试验——目的和分类
可靠性试验

工程试验

统计试验

环境应 力筛选

可靠性 增长

可靠性 鉴定

可靠性 验收

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可靠性基础知识

37

可靠性试验——目的和分类
? 按试验地点
– 实验室试验:在规定的受控条件下的试验, 可以模拟现场使用条件,也可以不模拟,关 键是建立实验室试验与各种产品实际使用条 件之间的关系 – 现场试验:产品在典型使用现场所进行的一 种试验

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可靠性基础知识

38

可靠性试验——环境应力筛选(ESS)
在产品出厂前,有 意将环境应力施加 到产品上,使产品 的潜在缺陷加速发 展成早期故障,并 加以排除,从而提 高产品的可靠性。 这是剔除早期故障 的一种工序方法
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?(t)

t
偶然故障期 早期故障期 耗损故障期

可靠性基础知识

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可靠性试验——环境应力筛选(ESS)
环境应力筛选(ESS)—应注意的事项
? ? ?
? ? ?

筛选应力不必准确模拟产品真实的环境条件; 不应超过产品设计能耐受的极限,不应改变产品的失效 机理; 对电子产品施加的环境应力最有效的是随机振动和温度 循环应力; ESS要做到三个100%(元器件、电路板、整机) 在批生产阶段后期,对组件级以上的产品可根据其质量 稳定情况抽样进行。 筛选可以提高批产品的可靠性水平,但不能提高产品的 固有可靠性,只有改进设计、工艺等才能提高后者;
可靠性基础知识 40

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可靠性试验——增长试验
?在一个规定的环境应力下,为暴露产品的薄弱环 节,并证明改进措施能防止薄弱环节再现而进行的 试验 ?规定的环境应力可以是产品工作的实际环境应力、 模拟环境应力或加速变化的环境应力 ?可靠性增长试验是通过发现故障、分析和纠正故 障、以及对纠正措施的有效性而进行验证以提高产 品可靠性的过程,即TAAF过程 ?试验本身并不能提高产品的可靠性,只有采取了 有效的纠正措施来防止产品在工作期间出现重复的 故障之后,产品的可靠性才能提高
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可靠性试验——鉴定试验
? 用具有代表性的产品在规定条件下所作 的试验,以此作为产品是否满足可靠性 指标的依据 ? 可靠性鉴定试验是一种验证试验,必须 遵循抽样检验程序 ? 可靠性指标的验证是建立在一定的寿命 分布假设基础上,最常用的假设是指数 分布 ? 已有标准的试验方案
20030410 可靠性基础知识 42

可靠性试验——鉴定试验
方 案 序 号
1 2 3 4 5

方案特征参数
判断风险标称值% α
10 10 20 10 10

鉴别比
d=θ0/θ1
1.5 1.5 1.5 2.0 2.0

试验时间
(θ1的倍数)
45.0 29.9 21.1 18.8 12.4

判别标准(失效次数)
拒收数(r≥)(大于或等于)
37 26 18 14 10

β
10 20 20 20 10

6 7
8 9 10 11 12

20 10
10 20 30 30 30

20 10
20 20 30 30 30

2.0 3.0
3.0 3.0 1.5 2.0 3.0

7.8 9.3
5.4 4.3 8.1 3.7 1.1 可靠性基础知识

6 6
4 3 7 3 1

风 险 越 高 试 验 时 间 越 短
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可靠性试验鉴定试验
? θ0—— MTBF检验的上限值,它是可以接收的MTBF 值。当试验产品的MTBF真值接近θ0时,指数分布标 准型试验方案,以高概率接收该产品 ? θ1 —— MTBF检验的下限值,当试验产品的MTBF真 值接近θ1时,指数分布标准型试验方案,以高概率拒 收该产品 ? d ——鉴别比。对指数分布试验方案, d=θ0/θ1 ? α——生产方风险。当产品的MTBF真值等于θ0时,产 品被拒收的概率,也叫第一类错误。这是由抽样引起 的。 ? β ——使用方风险。当产品的MTBF真值等于θ1时,产 品被接收的概率,也叫第二类错误。这也是由抽样引 起的。
20030410 可靠性基础知识 44

可靠性试验——方法

定 时 截 尾 试 验

样品编号 n n-1 n-2 n-3

i 4 3 2 1



t0

t

定 数 截 尾 试 验

样品编号 n n-1 n-2 n-3

i 4 3 2 1



tr

t

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可靠性基础知识

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可靠性试验——方法
? 设定时截尾试验时间为T,出现的故障数 为r,于是MTBF的点估计值:
T ?? r 给定置信水平 ,的相应单边置信下限 L为 ?? ?
? 2r ?L ? 2 ? ? ? ( 2 r ? 2) 2 ?? (2r ? 2)是自由度为 r ? 2的? 2分布的?分位点 2
可靠性基础知识

?

?

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可靠性验收试验
? 验证产品的可靠性不随生产期间工艺、 工装、工作流程、零部件质量的变化而 降低,其目的是确定产品是否符合规定 的可靠性要求 ? 用已交付或可交付的产品在规定条件下 作试验 ? 所用产品要能代表生产批,同时要定义 批量的大小
20030410 可靠性基础知识 47

规划可靠性工作的建议
? 把握需求,明确方向 ? 转变观念,预防为主 ? 明确要求,合理分解 ? 制定规范,狠抓落实

? 突出重点,快出实效

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可靠性基础知识

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规划可靠性工作的建议
? 把握需求,明确方向
– 为什么:用户的需求、竞争的压力、费用的 压力 – 要什么:预期效益、市场表现 – 有什么:能投入的资源(人员、机构、设备、 费用) – 干什么:工作项目 – 怎么干:要求、程序、规范

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可靠性基础知识

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规划可靠性工作的建议
? 转变观念,预防为主
– 转变观念:可靠性是用户关注的使用特性之 一,要在产品设计过程中“设计”可靠性 – 可靠性工程:与故障作斗争,预防、发现、 纠正、验证 – 预防为主、一次成功:故障发现在用户发现 之前
20030410 可靠性基础知识 50

规划可靠性工作的建议
? 明确要求,合理分解
– 提出产品的可靠性要求:领先或赶超对手的 可以量化表示的目标, – 把要求分解、分配到产品各组成部分直到配 套单位 – 在合同中明确提出这些要求 – 在提出要求的同时要说明对这些要求考核、 验证、评估、检查的方法
可靠性基础知识

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规划可靠性工作的建议
? 制定规范,狠抓落实
– 结合产品特点提出工作项目,并制定工作计 划 – 对所制定的工作项目按计划要求要有管理、 技术和过程要求规范 – 对有关技术和管理人员进行规范培训 – 对按规范开展的工作效果进行检查和评估 – 对检查和评估中发现的问题进行跟踪、归零 管理
20030410 可靠性基础知识 52

规划可靠性工作的建议
? 突出重点、快出实效
– 元器件质量控制

– 软件质量控制
– 可靠性综合环境试验

– 可靠性设计

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可靠性基础知识

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规划可靠性工作的建议
? 元器件质量控制
– 建立元器件选用、设计、筛选、失效分析等全过程 的质量控制办法,并严格执行,以保证型号元器件 的选用状态受控、心中有数 – 对超出选用目录的元器件要提出专门的质量与可靠 性论据,对降低质量等级选用的元器件要提出有针 对性的质量与可靠性保证措施
– 对在试验、使用过程中失效的元器件要开展进一步 的失效机理分析,以判明失效是否为元器件的批次 性缺陷,预防同类问题再次出现
20030410 可靠性基础知识 54

规划可靠性工作的建议
? 软件
– 对产品软件按其重要程度划分为关键软件、 重要软件和一般软件,分类管理,突出重点, – 对关键、重要软件的质量进行严格控制。关 键软件实现软件设计与软件编码、软件编码 与软件测试的岗位分离;重要软件至少要实 现软件设计、编码与软件测试的岗位分离。

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可靠性基础知识

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规划可靠性工作的建议
? 软件
– 软件配置管理,建立软件开发全过程的开发 库、受控库和产品库,制定软件产品入库、 出库程序及更改审批程序,使软件技术状态 受控。

– 建立计算机化软件配置管理环境和必要的管 理程序。

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可靠性基础知识

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规划可靠性工作的建议
? 可靠性综合环境试验
– 综合环境试验更接近产品实际使用环境,更 能充分暴露产品缺陷 – 温度、湿度综合 – 温度、湿度、振动综合

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可靠性基础知识

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规划可靠性工作的建议
? 可靠性设计
– 不在同一个地方跌倒:可靠性设计准则
? 在某产品中已出现的问题不要再次出现 ? 在某产品中已出现的问题不要在其他类似的产品 中再次出现

– 余度设计、热设计、自检测设计

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可靠性基础知识

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今天讲课结束

谢 谢
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北京航空航天大学可靠性工程研究所

联系方式: ? 章文晋

? 北京航空航天大学016室,100083
? 电话:010-82316443-8007

? Email:zwjok@buaa.edu.cn

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