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      可靠性基礎理論綜述

      嘉峪檢測網 2019-12-30 14:49

      導讀:可靠性系統工程是面向各層次各類型產品,在其全壽命周期過程中同故障做斗爭的科學體系。

      可靠性系統工程是面向各層次各類型產品,在其全壽命周期過程中同故障做斗爭的科學體系??煽啃岳碚撝饕茄芯抗收习l生與發展的規律、故障的恢復與預防的機理與規律、故障引發的事故發生與控制的機理與規律??煽啃曰A理論是指標論證、設計分析、試驗驗證等各項可靠性工程技術的根本依據和理論支撐。目前,研究成熟并廣泛應用的可靠性基礎理論主要包括基于概率論和數理統計的基礎理論與基于故障物理的基礎理論,正在研究發展中的基礎理論有基于裕量與不確定性量化的可靠性理論、公理可靠性理論等。追本溯源,從理論根源與技術本質上梳理清楚可靠性系統工程的基礎理論,才能夠界定好各項理論所支撐工程技術的能力范圍和適用特點,從而使其更好地服務于產品可靠性的提升。

       

      1 基于概率論和數理統計的可靠性理論

       

      早在20世紀40年代,基于概率論和數理統計的可靠性技術就已經開始了研究[1-2]。1952年,AGREE報告中提出的可靠性技術,其理論基礎即是概率論和數理統計。60年代,以“MIL-HDBK-217”《電子設備可靠性預計手冊》等系列可靠性標準的頒布和實施,標志著基于概率論和數理統計的可靠性技術進入成熟階段?;诟怕收摵蛿道斫y計的基礎理論主要研究產品故障的宏觀統計規律,以此為基礎形成對裝備可靠性特性進行統計分析、評估以及驗證評價的理論和方法,其技術本質是對產品故障發生時間進行統計分析以得到其概率特征。技術的主要弱點是各種分析結果都表征群體行為,難以把握產品個體的故障原因,無法將產品的具體設計細節如材料參數、尺寸參數及載荷參數等與產品的可靠性指標建立直接關系。概率可靠性方法一般要求兩個基本假設:概率假設、二值狀態假設和四個前提:事件定義明確、大量樣本存在、樣本具有概率重復性并具有較好的分布規律、不受人為因素的影響。該理論的特點是直觀明確、易于理解且易于被工程接受,適用于諸如電子產品失效率為常數的產品,其在各國工程實踐中得到了廣泛的應用,代表性的方法有相似產品法、故障率預計法、NSWC機械產品可靠性預計方法等等。

      目前,電子產品的可靠性鑒定和驗收試驗就是基于概率論和數理統計進行方案設計和評估。國內裝備型號研制中已經建立了基于數理統計的可靠性參數體系,有效支撐了“三代”以及之前裝備的可靠性度量問題。

       

      2 基于故障物理的可靠性理論

       

      基于故障物理的可靠性技術研究最早可以追溯到上個世紀四五十年代,早在1946Freudenthal發表的“結構安全度”論文和1954年拉尼岑的應力-強度干涉模型,奠定了基于故障物理的可靠性理論基礎?;诠收衔锢淼目煽啃岳碚撆c方法將概率與失效物理模型相結合,能有效表征失效的根源。隨著美國羅姆航空研制中心開展的“故障物理”項目等相關研究,電子產品的故障機理逐漸得到認知[4]。2000年后,隨著美國聯合戰斗機(JSF)項目的推進,基于故障物理的可靠性技術逐步實現了工程應用?;诠收衔锢淼目煽啃约夹g本質是通過深入研究產品的故障原因、故障物理,建立產品的故障物理模型,既可以分析個體產品發生故障的具體原因和時間,也可以得到產品群體故障的統計特征。就其本義可知,基于故障物理的可靠性理論必然要解決兩個問題,一是建立失效產品的故障物理模型及其失效判據,二是將參數隨機性與故障物理模型相結合進行可靠性設計分析。上述兩個方面,均取得了大量的研究成果。

      在故障物理模型方面,疲勞、摩擦磨損、化學腐蝕、電子元器件等傳統學科已經研究建立了大量的基礎故障物理模型??煽啃约夹g的研究主要是在模型的深化、具體應用和失效判據方面。美國馬里蘭大學CALCE中心在電子設備故障機理和故障物理模型數據庫建設方面做了很多工作,積累了大量的數據,建立了較完整的故障物理模型數據庫,為開展電子設備基于故障物理的可靠性試驗驗證工作奠定了良好的基礎。機械可靠性領域,在疲勞方面主要有高低周累積損傷理論模型、裂紋擴展模型和損傷容限理論;磨損方面,針對粘著磨損、磨粒磨損、微動磨損等機理,建立了上百種磨損計算模型;腐蝕方面,結合金屬材料腐蝕損傷,已有了較多的研究成果,形成了腐蝕磨損、腐蝕疲勞裂紋等多類計算模型。

      在基于故障物理的可靠性模型定量計算方面,目前也形成了大量的研究成果,可靠度計算方法已趨成熟。計算方法主要有一次/二次二階矩法及其改進方法、基于抽樣技術的方法(蒙特卡羅、重要抽樣法、拉丁超立方抽樣法等等)、基于近似技術的方法(響應面法、Kriging法等)、隨機有限元法等等,并發展了與上述方法相應的靈敏度計算方法。這些方法很好地支持了零部件級產品單失效模式的可靠性設計分析??紤]多失效模式的相關性,發展了系統可靠性計算方法[15-17]。主要有一階/二階邊界法、一次多維正態法、條件邊緣乘積法、PNET法等。這些方法較好地解決了系統級產品的可靠性設計分析。

      當前,基于故障物理的可靠性技術仍是可靠性工程領域的研究重點,主要表現在電子/非電產品的高加速壽命試驗、故障預測與健康管理、可靠性仿真技術等方面。“十二五”期間,國內開展了大量的基于故障物理的可靠性設計分析、試驗驗證與評估、裝備壽命設計分析與試驗驗證等技術研究,基本形成了基于故障物理的電子、機電、機械等產品的定量可靠性設計分析技術。

      概率論和數理統計是可靠性技術體系的數學根基,故障物理是產品失效的內在物理化學生物性的根本原理。所以,基于概率論和數理統計與基于故障物理的可靠性理論是可靠性系統工程的基礎性、根本性理論?;诟怕收摵蛿道斫y計的可靠性技術與基于故障物理的可靠性技術內涵對比如表1所示。

       

      表1 基于概率論和數理統計的可靠性技術與基于故障物理的可靠性技術內涵對比

      基于概率論和數理統計的可靠性技術

      基于故障物理的可靠性技術

      可靠度與壽命,即失效時間,相關。

      可靠度與極限狀態相關

      通過觀測獲得狀態變化

      狀態變化可以數學建模

      依賴測試或現場數據進行可靠性評估

      可以通過物理方程(模型)進行可靠性評估

      可靠度定義:

      可靠度定義:

      可靠度由時間決定

      可靠度可以獨立或不獨立于時間

      典型方法:FTA、ETA、馬爾科夫過程、故障率預計、試驗設計

      典型方法:FMECA、一次可靠度方法、二次可靠度方法、蒙特卡洛仿真、靈敏度分析

       

      3、新近可靠性基礎理論

       

      進入21世紀以來,以信息技術為龍頭的新技術給裝備發展帶來巨大變革,裝備的復雜程度顯著提高,研制周期要求縮短,新技術、新材料、新工藝大量采用,對裝備可靠性工作提出了新要求??煽啃曰A理論的研究也正適應技術發展的需要而不斷深入和拓展。隨著裝備發展和對可靠性概念內涵理解的加深,可靠性基礎理論從方法論的角度更加趨于多樣化,從原來主要針對裝備研制向全壽命周期拓展,從關注單一特性向多維特性綜合集成發展,從研究“故障”向研究“性能和功能的保持”,逐漸形成了一些新的可靠性理論。如:裕量與不確定性量化理論、公理可靠性理論等。

       

      3.1 裕量與不確定性量化

       

      在數據不足、知識缺乏情況下進行復雜系統可靠性評估的解決方案中,美國能源部三大實驗室(圣地亞國家實驗室/利弗莫爾國家實驗室/洛斯•阿拉莫斯國家實驗室)提出了裕量與不確定性量化(Quantification of Margins andUncertainties,QMU)方法。QMU方法的提出源于核禁試條件下的庫存可靠性評估,是當前高技術武器可靠性研究的熱點。研究認為QMU方法非常適合于導彈、核武器、反應堆等高風險復雜系統的可靠性評估。與傳統的概率可靠性理論相比,QMU方法是一種以機理認識為基礎的可靠性評估方法,能夠通過裕度量化、不確定性量化等手段較好地整合諸如數值模擬結果、試驗數據、歷史信息、專家知識等與產品相關的多源信息,并通過置信系數對產品的性能、可靠性和安全性進行認證,這樣可以在很大程度上彌補試驗數據匱乏所帶來的可靠性評估困難。在試驗數據信息不充足或者缺乏、存在多源信息的情況下,QMU方法是進行武器系統可靠性評估的重要途徑,是對傳統概率可靠性方法的重要補充。QMU方法充分考慮了設計參數、物理模型的認知不確定性以及參數的隨機不確定性,如圖1所示。QMU方法的具體實施步驟主要包括建立觀測清單、建立性能通道、不確定性量化與性能裕量評估。

       

      可靠性基礎理論綜述

      圖1 系統設計中的不確定性

       

      3.2 公理可靠性理論

       

      公理可靠性理論就是將傳統的產品可靠性設計方法拓展到產品的概念設計階段,利用公理質量概念來分析和評估設計可靠性,并且研發可靠性設計工具引導設計人員對產品概念階段的可靠性分析評估。,公理設計中最基本的兩個公理,獨立公理、信息公理與可靠性都是一致的。目前國內已經研究了公理化可靠性度量方法、基于公理設計的FMEA等。公理可靠性理論研究還處于初級階段,有待進一步進入工程應用。

       

      4 總結與展望

       

      總的來看,可靠性基礎理論從最初的概率統計理論,逐漸形成了以概率統計和故障物理為主,公理可靠性理論、復雜性理論、裕量與不確定性量化理論等多種理論并存的格局。各項基礎理論的可靠性技術特點與適用性對比如表2所示。

      表2 各項基礎理論的可靠性技術特點與適用性對比

      可靠性

      基礎理論

      技術特點

      適用

      產品

      適用

      階段

      相關

      標準

      基于概率論和數理統計的基礎理論

      研究產品故障的宏觀統計規律,難以把握產品個體的故障原因。

      電子產品

      指標論證、試驗驗證

      MIL-HDBK-217

      GJB899A等

      基于故障物理的基礎理論

      研究產品的故障原因、故障物理,建立產品的故障物理模型,既可以分析個體產品發生故障的具體原因和時間,也可以得到產品群體故障的統計特征。

      機械產品、電子產品

      可靠性設計分析

      GJB450A等

      裕量與不確定性量化

      能夠通過裕度量化、不確定性量化等手段較好地整合與產品相關的多源信息并通過置信系數對產品的性能、可靠性和安全性進行評估。

      導彈、核武器、反應堆等高風險復雜系統

      可靠性評估

      公理可靠性理論

      將傳統的產品可靠性設計方法拓展到產品的概念設計階段。

      機械產品、電子產品

      概念設計階段

      各項理論的技術原理特點決定了在可靠性系統工程全壽命周期過程中,各項理論應該是一種協同工作關系,它們之間不是并列或替代的關系,而更應該是合作與互補的關系,根據其特點和優勢在全壽命周期各階段發揮不同作用。例如,從數學邏輯來看,故障物理是失效表征性能參量與結構、材料、載荷等等因素之間的數學關系,反映的是產品性能狀態隨設計參量或時間變化的本質規律。所以,在物理模型明確、邊界條件清晰的情況下,就可以計算出該系統在任意時刻的狀態。然而,在工程實際中,物理模型和邊界條件往往都需要進行一些假設或近似處理,這些假設或近似是否正確,就需要通過試驗或在實際使用中根據概率統計理論來驗證基于故障物理可靠性設計的MTBF、可靠壽命等指標是否滿足要求;而在核禁試或其它無法取得試驗數據的情況下,就可以采用裕量與不確定性量化方法進行評估。各可靠性理論協同工作原理示意圖如圖2所示。

       

      可靠性基礎理論綜述

      圖2 各可靠性基礎理論協同工作原理示意圖

       

      加強可靠性基礎理論研究,應充分借鑒其它學科領域的最新研究成果,緊密跟蹤裝備建設發展需求,從源頭上提高可靠性技術研究的持續發展能力。當前,基于故障物理的可靠性理論方面的兩個難點,一是復雜環境多因素耦合作用下系統可靠性建模,比如復雜機電系統,因素耦合背后的機理復雜,難以建立明確的數學方程式來描述這種交互關系;二是系統動態時變的性能退化演化模型。裕量與不確定性量化理論、公理可靠性理論方面,需要進一步探索研究,提高技術成熟度,以應用到復雜裝備的可靠性設計評估之中。同時,小子樣產品、高可靠性長壽命產品、信息物理系統(CPS)、體系可靠性、網絡可靠性都對可靠性技術提出了新的挑戰,這些都需要可靠性理論做出新的發展。

       

      來源:質量與可靠性學堂李濤

      關鍵詞: 可靠性

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