CN102789543A - 基于多试验信息的可靠性综合评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多试验信息的可靠性综合评估方法，具体步骤为：步骤一、建立产品的可靠性模型；步骤二、预计产品在不同环境下的失效率；步骤三、确定环境折合因子；步骤四、时间折合；步骤五、评估寿命及可靠性；本发明能够综合不同试验的信息，对产品的寿命及可靠性进行评估；本发明能够在产品样本及数据稀缺的情况下，确定不同条件下的环境折合因子，完成对产品寿命及可靠性的评估；本发明提出了利用产品可靠性预计结果确定环境折合因子的方法，从而简化了确定环境折合因子的过程，应用起来更加简便。

Description

基于多试验信息的可靠性综合评估方法

技术领域

本发明是一种基于多试验信息的可靠性综合评估方法，属于寿命与可靠性评估技术领域。

背景技术

对于某些产品，特别是长寿命高可靠的产品而言，由于研制周期及经费的限制，对它们开展的寿命或可靠性试验，并不能获得充足的数据；有时亦因为条件的限制,无法开展相应的寿命及可靠性试验，从而导致在评估其寿命及可靠性的过程中，无法评估得到其实际的可靠性或寿命。同时，由于样本及经费的限制，某些研制阶段的产品，除了对上述产品进行寿命或可靠性试验外，通常产品还经历了性能试验、环境试验等多项试验，对产品的寿命亦造成了一定的损耗，而且这些试验的结果中，也包含着大量虽然看似零散、但也很有价值的可靠性信息。若能将不同试验的信息综合起来，开展寿命及可靠性评估工作，那么上述问题便迎刃而解，因此需要一种能够融合不同试验信息的方法。

在已有的融合不同试验信息的方法中，基本思路都是在获取不同试验的试验时间的基础上,首先得到产品在不同环境下的折合因子;其次利用折合因子对不同试验的有效试验时间进行折合,将其转化为所需条件下的试验时间,并将这些时间进行累加,得到总的试验时间;最终,利用折合得到的总的试验时间,结合相应的寿命及可靠性评估方法对产品的寿命及可靠度进行评估。通常使用的方法如变母体变环境的方法等。但当产品的样本数极小（如等于1）或用于评估的数据极少的情况下，现有的方法都难以开展融合评估的工作。

发明内容

本发明的目的是为了解决当缺乏样本及数据时，环境折合因子难以获取寿命及可靠性评估工作难以进行等问题，提出一种基于多试验信息的可靠性综合评估方法，在样本及数据极少的情况下也能够获取环境折合因子值，并能综合不同试验信息的寿命及进行可靠性评估。

本发明的一种基于多试验信息的可靠性综合评估方法，具体步骤为：

步骤一、建立产品的可靠性模型；

步骤二、预计产品在不同环境下的失效率；

步骤三、确定环境折合因子；

步骤四、时间折合；

步骤五、评估寿命及可靠性；

本发明的优点在于：

（1）本发明能够综合不同试验的信息，对产品的寿命及可靠性进行评估；

（2）本发明能够在产品样本及数据稀缺的情况下，确定不同条件下的环境折合因子，完成对产品寿命及可靠性的评估；

（3）本发明提出了利用产品可靠性预计结果确定环境折合因子的方法，从而简化了确定环境折合因子的过程，应用起来更加简便。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的串联系统可靠性框图；

图3是本发明的并联系统可靠性框图；

图4是本发明的实例产品的可靠性框图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于多试验信息的可靠性综合评估方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一、建立产品的可靠性模型；

对产品的结构功能进行分析，依据产品的原理、功能以及功能流程建立产品的可靠性框图，在建立可靠性框图时，采用的假设主要有：

1）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；

2）框图中一个方框表示的单元或功能所产生的故障会造成整个系统的故障（有替代工作方式的除外）；

3）就故障概率而言，不同方框表示的不同功能或单元的故障概率时相互独立的；

4）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；

常用的模型形式有串联模型，并联模型等，本发明假设所有框图所代表单元的故障服从指数分布，那么这些模型为：

（1）串联模型；

系统的所有组成单元中任一单元的故障都会导致整个系统故障的系统成为串联系统。其数学模型为：

$R_s\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_i\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{e}^{-{\mathrm{\λ}}_{i}t}---\left(1\right)$

其中，R_s(t)为系统可靠度，R_i(t)为第i个单元可靠度，λ_i为第i个单元失效率，1≤i≤n，n为组成系统的单元数。其可靠性框图如图2所示。

（2）并联模型；

组成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障的系统称为并联系统。其数学模型为：

$R_s\left(t\right)=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}[1-R_i\left(t\right)]---\left(2\right)$

其中，R_s(t)为系统可靠度，R_i(t)为第i个单元可靠度，1≤i≤n，n为组成系统的单元数。其可靠性框图如图3所示。

步骤二、获取产品在不同环境下的失效率；

在步骤一得到产品可靠性模型的基础上，对产品的失效率进行预计，得到产品在不同试验环境下的预计失效率。若没有相应的预计资料，可参考相应的标准，本发明中，非电子器件采用NPRD-91《非电子器件可靠性数据》中的数据，电子器件采用元器件应力分析法预计其失效率，失效数据采用GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》中提供的数据。由于电子产品受环境影响较大，因此假设不同环境下失效率的差异主要作用在电子产品上，因此应通过预计试验j环境下电子产品的失效率结合固有的非电产品失效率来获取系统在试验j环境下的失效率λ_j，1≤j≤m，m表示试验的数量。

则预计的具体步骤为：

1>根据产品试验的具体情况，对产品的单元i（i＝1,…n)在试验j(j=1,…,m)的环境（工作应力，环境应力）下的失效率λ_ij进行预计。由于非电产品受环境影响极小，因此可直接从NPRD-91查得失效率预计值；而对于电子产品，GJB/Z299C-2006对各种工作应力下的预计参数选择都有相应的规定；在环境应力中，除了温度应力以温度应力系数π_T表示，其它环境应力可以通过标准中的环境因子π_E来进行描述，若产品的在某试验条件下的环境应力无法精确描述，则用环境因子给出描述这种试验条件的区间值，从而得到产品单元失效率预计值λ_ij或其区间。

2>通过预计得到的单元失效率λ_ij，根据产品的可靠性模型，得到产品在第j个试验下的失效率λ_j；同时得到产品在正常使用情况下的失效率λ₀。

步骤三、确定环境折合因子；

由指数分布性质可知，在给定的可靠度水平下，寿命时间同失效率的关系为：

$t=\frac{\ln \left(R\right)}{-\mathrm{\λ}}$

其中，t为产品寿命时间，R为产品可靠度，λ为产品失效率。

那么产品在试验x的时间向试验y条件下的时间折合的环境折合因子k_x→y为：

k_x→y＝t_y/t_x＝λ_x/λ_y         (3)

其中，t_x为产品在试验x中的试验时间，t_y为产品在试验y中的试验时间，λ_x为产品在试验x中的失效率，λ_y为产品在试验y中的失效率。

同理产品在试验j的时间向规定使用条件下的时间折合的环境折合因子k_j→0为：

k_j→0＝t₀/t_j＝λ_j/λ₀          (4)

其中，t₀为产品在规定使用条件下的试验时间，t_j为产品在试验j中的试验时间，λ₀为产品在规定使用条件下的失效率，λ_j为产品在试验j中的失效率。

从而得到产品m个试验下的时间向规定使用条件下的时间折合的环境折合因子k_1→0,...,k_m→0。

步骤四、时间折合；

步骤三得到各试验对应于正常使用条件的环境折合因子，分别为k_1→0,...,k_m→0。

利用上述数据，对原有试验时间进行折合，将其转化为正常使用时的时间，公式为：

t′_j＝k_j→0·t_j                    (5)

其中，t′_j为试验j条件下的试验时间所对应的正常使用时间。

因此获得各试验转化为在正常使用条件下的时间，分别为t′₁,...,t′_m，对其进行累加，获得总的试验时间为：

$T_0=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_j^{\′}---\left(6\right)$

步骤五、评估寿命及可靠度；

利用得到的总的试验时间T₀，结合相应的寿命及可靠度评估方法，便可得到所需的评估值。

实施例：

已知某机电产品，其1台样本经历了1000小时的寿命试验及200个小时的环境试验，在没有其它试验数据的情况下，希望对其平均故障间隔时间进行评估。由于未对产品进行相应的可靠性试验，且样本仅为1台产品，因此很难用常规的方法进行评估，故采用本发明所述的方法进行评估。

步骤一、建立产品的可靠性模型

对产品的结构功能进行分析，依据产品的原理、功能以及功能流程建立产品的可靠性框图。经过对产品的分析，产品由两部分组成，分别为机械部分和电子部分，且这两部分可靠性的关系服从串联模型。其可靠性框图如图4所示。

数学模型为：

其中：R_s(t)为系统可靠度，R_机械为产品机械部分可靠度，R_电子为产品电子部分可靠度，λ_机械为产品机械部分失效率，λ_电子为产品电子部分失效率，t为试验时间。

步骤二、预计产品在不同环境下的失效率

在步骤一得到产品可靠性模型的基础上，对产品的失效率进行预计，由于没有相应的预计资料及数据，因此需参考相应的标准。

由NPRD-91《非电子器件可靠性数据》可知，在正常使用条件下，产品机械部分的失效率为48.81（10^-6/h）。由GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》可知，在正常使用条件下，其条件为运输机无人舱，因此所选择的环境因子π_E的值为8.0，产品电子部分的失效率为5.872（10^-6/h）。接下来的步骤为：

1>由于产品的寿命试验是在常温的实验室环境下进行的，相当于地面良好的情况，所选择的环境因子π_E的值为1，预计其电子部分的失效率为0.408（10^-6/h）；由于产品的环境试验项目繁多，环境应力情况各不相同，其环境介于地面良好和战斗机无人舱之间，因此其环境因子π_E的取值为[1,11]，预计电子部分的失效率为一个区间值，即[0.408,8.075]。

2>根据产品的可靠性模型，可知产品在寿命试验情况下的失效率为49.218；在环境试验下的失效率为[49.218,56.885];在正常使用情况下的失效率为54.682。

步骤三、确定环境折合因子

由公式(4)可知，根据步骤二得到的失效率可算出产品在寿命试验时间向正常使用（可靠性试验）条件下的时间折合的环境折合因子为0.9。同理，产品环境试验时间向正常使用（可靠性试验）条件下的时间折合的环境折合因子为[0.9,1.04]。

步骤四、时间折合

根据步骤三得到各试验对应于正常使用条件的环境折合因子，对寿命及环境试验时间进行折合，将其转化为正常使用时的时间，他们分别为900h，[180,208]。对其进行累加，获得总的试验时间为T₀=[1080,1108]。

步骤五、评估寿命及可靠度

利用得到的总的试验时间T₀，便可对产品的MTBF进行评估。产品在经过相当于T₀小时的试验后，仍未出现失效，因此在接下来的评估过程中将T₀作为0失效定时截尾数据处理。

因为无故障，r=0，只能进行单侧置信下限估计，若将使用方风险β定为20%，那么所得到的产品MTBF单侧置信下限为

${\mathrm{\θ}}_L=\frac{T}{-\ln \mathrm{\β}}=\frac{\left[\mathrm{1080,1108}\right]}{-\ln 0.2}=\left[\mathrm{670.85,688.24}\right]\left(h\right)$

由此可以推断，在使用方风险为20%的情况下，产品的MTBF下限的区间值为[670.85,688.24]小时。若取区间的下限值670.85，可知产品MTBF的评估至少为670.85小时。

Claims (3)

1.一种基于多试验信息的可靠性综合评估方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一、建立产品的可靠性模型；

步骤二、获取产品在不同环境下的失效率；

在步骤一得到产品可靠性模型的基础上，对产品的失效率进行预计，得到产品在不同试验环境下的预计失效率；

步骤三、确定环境折合因子；

由指数分布性质可知，在给定的可靠度水平下，寿命时间同失效率的关系为：

$t=\frac{\ln \left(R\right)}{-\mathrm{\λ}}$

其中，t为产品寿命时间，R为产品可靠度，λ为产品失效率；

那么产品在试验x的时间向试验y条件下的时间折合的环境折合因子k_x→y为：

k_x→y＝t_y/t_x＝λ_x/λ_y        (1)

其中，t_x为产品在试验x中的试验时间，t_y为产品在试验y中的试验时间，λ_x为产品在试验x中的失效率，λ_y为产品在试验y中的失效率；

同理产品在试验j的时间向规定使用条件下的时间折合的环境折合因子k_j→0为：

k_j→0＝t₀/t_j＝λ_y/λ₀    (2)

其中，t₀为产品在规定使用条件下的试验时间，t_j为产品在试验j中的试验时间，λ₀为产品在规定使用条件下的失效率，λ_j为产品在试验j中的失效率；

从而得到产品m个试验下的时间向规定使用条件下的时间折合的环境折合因子k_1→0,...,k_m→0；

步骤四、时间折合；

步骤三得到各试验对应于正常使用条件的环境折合因子，分别为k_1→0,...,k_m→0；

利用上述数据，对原有试验时间进行折合，将其转化为正常使用时的时间，公式为：

t′_j＝k_j→0·t_j                (3)

其中，t′_j为试验j条件下的试验时间所对应的正常使用时间；

因此获得各试验转化为在正常使用条件下的时间，分别为t′₁,...,t′_m，对其进行累加，获得总的试验时间为：

$T_0=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{t}_j^{\′}---\left(4\right)$

步骤五、评估寿命及可靠度；

利用得到的总的试验时间T₀，结合相应的寿命及可靠度评估方法，得到寿命及可靠度的评估值。

2.根据权利要求1所述的一种基于多试验信息的可靠性综合评估方法，其特征在于，所述的步骤一具体为：

对产品的结构功能进行分析，依据产品的原理、功能以及功能流程建立产品的可靠性框图，在建立可靠性框图时，采用的假设有：

1）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；

2）框图中一个方框表示的单元或功能所产生的故障会造成整个系统的故障，有替代工作方式的除外；

3）就故障概率而言，不同方框表示的不同功能或单元的故障概率时相互独立的；

4）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；

假设所有框图所代表单元的故障服从指数分布，则可靠性模型为：

（1）串联模型；

系统的所有组成单元中任一单元的故障都会导致整个系统故障的系统成为串联系统；其数学模型为：

$R_s\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_i\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{e}^{-{\mathrm{\λ}}_{i}t}---\left(5\right)$

其中，R_s(t)为系统可靠度，R_i(t)为第i个单元可靠度，λ_i为第i个单元失效率，1≤i≤n，n为组成系统的单元数；

（2）并联模型；

组成系统的所有单元都发生故障时，系统才发生故障的系统称为并联系统；其数学模型为：

$R_s\left(t\right)=1-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}[1-R_i\left(t\right)]---\left(6\right)$

其中，R_s(t)为系统可靠度，R_i(t)为第i个单元可靠度，1≤i≤n，n为组成系统的单元数。

3.根据权利要求1所述的一种基于多试验信息的可靠性综合评估方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：

1>根据产品试验的具体情况，对产品的单元i在试验j的环境下的失效率λ_ij进行预计，i＝1,…n，j=1,…,m，环境为工作应力或者环境应力；非电产品直接从NPRD-91《非电子器件可靠性数据》中查得失效数据，得到失效率λ_ij；对于电子产品，当环境为工作应力时候，从GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》中查得失效数据，得到失效率λ_ij；当环境为环境应力时，除了温度应力以温度应力系数π_T表示，其它环境应力通过环境因子π_E进行描述，若产品的在某试验条件下的环境应力无法精确描述，则用与该试验条件相近的环境因子给出描述试验条件的区间值，从而得到产品单元失效率λ_ij或其区间；

2>通过预计得到的单元失效率λ_ij，根据产品的可靠性模型，得到产品在第j个试验下的失效率λ_j；同时得到产品在正常使用情况下的失效率λ₀。

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