鋼結構

[拼音]：kekaoxing sheji

[英文]：designing for reliability

通過設計實現產品可靠性指標的方法。產品的可靠性是通過設計、生產和管理而實現的，而首先是產品的設計。它決定著產品的固有可靠性。電子產品可靠性設計技術包括許多內容，主要有可靠性分配、可靠性預測、冗餘技術、漂移設計、故障樹分析和故障模式、效應和致命度分析、元件器件的優選和篩選、應力-強度分析、降負荷使用、熱設計、潛在通路分析、電磁相容和設計評審等。

可靠性分配

根據使用者對系統或裝置提出的可靠性指標，對分系統、整機等組成部分提出相應的可靠性指標，逐級向下，直到元件、器件、工藝、材料等的可靠性指標。可靠性分配是系統或裝置的總體部門的一項可靠性設計任務。

對於有L個組成成分的系統，最簡單的情況是這些組成成分的可靠性是互相獨立的。若第i組成分不可靠，則系統就不可靠，系統可靠性為q＝q1q2…qL 〔若第 i組成分的不可靠性為Pi＝1－qi，則系統的不可靠性為P＝1-q＝1-(1－P1)(1－P2)…(1－PL)≈P1＋P2＋…＋PL〕。這是系統可靠性分配的基本公式。可靠性分配本質上不是數學問題，而是人力、物力的統一排程和運用的工程管理問題。因為不同整機、元件、器件的現實可靠性水平是很不相同的，而把它們的可靠性提高到一定水平所需要的人力、物力和時間往往差別很大，因而不能採取均勻提高的純數學方案。在實際工作中，需進行多個方案的協調、比較後才能決定。

可靠性預測

主要是根據電子元件、器件的故障和產品設計時所用的元件、器件數和使用條件，對產品的可靠性進行估計。最簡單的情況是：產品由 k種電子元件、器件組成，第i種元件、器件的壽命為指數分佈，故障率為λi，用量為ni。任一元件和器件發生故障都會引起產品故障，故產品的故障率為

λ＝n1λ1＋n2λ2＋…＋nkλk

這是在設計階段根據元件、器件的故障率對產品故障率提出預測的基本公式。在實際使用時，還要增加一些修正和補充。元件、器件的故障率還會隨環境和其他條件而發生變化。若實驗室條件下的元件、器件的故障率為

，則在環境A下的故障率為

式中k

為元件、器件在環境A下的環境因子。在惡劣環境下，環境因子值可能很大。例如，導彈發射環境下的環境因子可能達到20～80。用預測公式測得的λ 值還需要乘上一個修正因子(1+α)。對於比較成熟的設計，α可取10％左右；對不太成熟的設計，α可取30％以上。預測的故障率與實際投入使用後的現場故障率有一些差異是正常的。事實上，在設計階段可靠性預測主要是相對可靠性，而不是絕對可靠性。

冗餘技術

當產品設計中發現某個組成部分的可靠性過低，影響產品的總可靠性指標時，便採取所謂冗餘技術來提高這一部分的可靠性。有 k個組成部分的產品，各組成部分的可靠性是互相獨立的。若其中一個部分出故障，產品就出故障，則這些組成部分構成一個可靠性串聯絡統。若產品的第i部分的可靠性為qi，則產品的可靠性q=q1q2…qk；若其中的一個部分不出故障，產品就能完成預定任務，則這些組成部分構成一個可靠性並聯系統。這時，q＝1-(1-q1)(1-q2)…(1-qi)。

如果k=2，q1=q2=0.99，則組成可靠性並聯系統後，q=0.9999。即經可靠性並聯後大大提高了可靠性。所謂“多數表決”冗餘技術，是隻要k個組成部分中多數不出故障，產品就能完成預定任務。一般說來，很少使用整機作為冗餘的組成部分，通常是對整機的薄弱環節進行冗餘處理。

漂移設計

元件、器件的效能引數容許有一定的散佈。其上限為上公差，下限為下公差。隨著出廠時間的增加，效能引數產生漂移。溫度和其他環境條件的變化也會造成引數漂移。只要元件、器件的漂移不超過公差的上、下限，就是合格的。電路的設計應該是，只要所用的元件、器件效能引數在規定的容許上、下限以內，電路的效能引數就應該是合格的，即使元件、器件的引數值到了規定容許的上、下限的邊緣，也應如此，這稱為電路的漂移設計。在滿足元件、器件規定容許的上、下限前提下，在理論分析上，元件、器件有一些最壞組合，使電路的效能引數產生最大的偏離。如果這些最壞組合產生的電路仍能滿足要求，則電路就滿足漂移設計要求，這也可以通過最壞組合的實際電路加以驗證，稱漂移試驗。但是，最壞組合方法往往偏於過分保守。如果能知道元件、器件效能引數的概率分佈，則可以分析出電路效能引數的概率分佈，從而作漂移分析和漂移試驗，這稱為概率法。這往往比最壞組合法更符合實際情況。

故障樹分析

故障樹分析是美國貝爾實驗室1961年首創的一種系統分析方法。其優點是較易處理複雜系統，容易發現可能導致系統出現故障的情況，有利於消除潛在故障。在設計階段，它有助於發現系統的薄弱環節，是改進和提高設計可靠性的有力工具。故障樹是一種樹狀的邏輯因果關係圖，它利用一系列符號和邏輯閘來描述各種事件之間的因果關係，使人們對這些關係一目瞭然。例如，基本事件的符號為○、結果事件的符號為嘑。邏輯閘的輸入事件為因，輸出事件為果。以某房間照明系統為例，其原理和故障樹如圖。故障樹的定量分析是根據基本事件出現的概率，計算出系統不希望發生的故障事件的出現概率，定量地計算出系統薄弱環節的不可靠性，找出對系統可靠性有關鍵作用的元件、部件，通常是從求最小割集著手。一個最小割集包括若干個基本事件。如果這些基本事件都出現，系統就出故障。只要其中有一個不出現，割集中的其他基本事件都出現也不會使系統出故障。尋找所有最小割集的方法很多，但都未徹底解決工作量隨基本事件數的增加而指數增大這一困難。一個系統的故障樹是一本很好的故障維修指南。它能使維修人員迅速發現故障，進而迅速排除故障。

故障模式、效應、致命度分析

這種分析方法是將系統分成若干個組成部分。如果發生故障，分析它屬於哪種故障模式（不必一定查清故障的確切原因）；分析各組成部分可能出現的故障模式對系統有什麼影響；對各種故障模式的影響進行半定性半定量的評價，對那些具有致命性影響的故障模式制定適當的解決措施或改進設計方案。這種分析方法是由系統的基本故障事件上推到系統故障，而傅立葉變換則是由系統故障下推到基本故障事件。兩者結合起來，相輔相成，可以在設計階段找出潛在的可靠性問題。

元件、器件的可靠性

可靠性質量保證體系的元件、器件的可靠性部門，通過調查研究制訂出本部門的元件、器件優選目錄，儘量壓縮元件、器件的品種、規格和生產廠點。設計人員不得選用目錄以外的元件、器件。如果設計人員認為必須選用目錄外的元件、器件，則應經過元件、器件可靠性部門調查試驗認為可用後，再正式補入目錄，以備選用。元件、器件可靠性部門與生產廠保持密切的聯絡，監督元件、器件生產質量的一致性和穩定性。必要時，派出專人監督本部門定購批次的生產。不論對元件、器件的生產過程如何嚴格控制，材料、工藝、生產環境等並不能絕對一致。因此，不可避免地有一部分產品會存在一些潛在的缺陷和弱點。這些有缺陷和弱點的電子元件、器件的平均壽命比正常產品的平均壽命短得多，使電子元件、器件的早期故障率較高。如果對電子元件、器件不加處理就裝入整機，便會使整機的早期故障率大大增加。因此，在把電子元件、器件裝入整機前，應採取施加強應力或其他手段，儘可能地剔除這種早期故障的產品。這就是電子元件、器件的可靠性篩選。篩選所加的強應力，可以是電的、熱的、機械的或綜合的。篩選專案須根據元件、器件的主要故障模式和故障機理，結合元件、器件的工藝設計、結構材料以及質量控制的情況而定。篩選不是提高產品的可靠性，它只能排除早期故障產品，使產品恢復其固有可靠性，但不能提高固有可靠性。如果元件、器件的篩選淘汰率較高，則說明設計、工藝或生產管理上存在較多問題，不易篩選徹底。這樣的元件和器件不宜用於高可靠性要求的部位。元件、器件可靠性部門應根據本部門的需要制訂元件、器件篩選條例，並規定出容許的篩選淘汰率。在一般情況下，元件、器件出廠越久，可靠性也就越低。因此，元件、器件可靠性部門應在調查研究和進行必要的試驗後，制定元件、器件保管和保管年限條例。

應力-強度分析

產品所受的應力x是廣義的，它不僅包括張力、扭力矩等，還包括如溫度、真空度等因素。產品的強度Y也是廣義的。若Z=Y-X，當Z＜0時，即強度低於應力時，產品就出現故障；而當Z≥0時，產品是可靠的。Z為產品的可靠性餘度，P(Z≥0)是產品的可靠度。

若X、Y分別是均值為μX、μY、方差為σ婌、σ婍的互相獨立的正態分佈，則Z也是正態分佈，均值為μZ＝μY－μX，方差為 σ婎＝σ婌＋σ婍。這是最簡單也是實際工作中最常見的情況。這時產品的可靠度為

式中

(ɑ)為標準正態分佈的分位數

因此，可靠度不僅決定於μZ 的大小(即μY＞μX的程度)，而且還決定於 σX及σY的大小。提高可靠度有兩種途徑：

（1）使μY比μX大，即讓平均強度遠超過平均應力；

（2）使σX與σY儘可能小，即嚴格控制產品強度的散佈（往往須通過嚴格控制原材料和加工精度才能達到）和應力的散佈（即進行環境設計）。在19世紀後期，習慣上把μY/μX稱為產品的安全係數。安全係數大，μY大於μX，可靠度可以有所提高。但這不是決定可靠性的唯一因素。如果對σX、σY不加控制，單純提高安全係數不一定能提高可靠性。因此，傳統的安全係數只反映了可靠度的一個方面，而不是全部。

當X或Y不是正態分佈的隨機變數時，可靠性的解析式就比較複雜。蒙特卡羅法是分析這些較複雜情況下可靠性的有效方法之一。

電子元件、器件的負荷，就是施加於元件、器件的一種應力。降負荷使用元件、器件就是提高元件、器件的安全係數，從而可以在一定程度上提高元件、器件的可靠性。例如，某些電容器的故障率基本上正比於工作電壓V的5次方，就是電容器故障率的5次冪法則。使用的工作負荷與額定負荷之比稱為降負荷係數。可靠性質量保證系統的元件、器件可靠性部門，應根據本部門特點制訂降負荷係數要求。例如，一個有代表性的要求是，碳膜電阻和金屬膜電阻的使用功率不應達到額定功率的一半。

熱設計

使電子元件、器件在較低溫度下工作有三個好處：

（1）引數漂移較小，電氣效能容易穩定；

（2）故障率較低；

（3）機械應力較小，金屬化接點等的蛻化較慢，壽命較長。因此，需要根據熱量傳播的規律，研究作為熱源的元件、器件的合理佈局；採取什麼降溫措施可使裝置的區域性溫升不會過高，以保證裝置的可靠性。這稱為熱設計。在簡單的情況下可利用自然冷卻，但能力有限。當功率密集度較大時，應採取強迫通風冷卻和水冷等措施。

潛在通路分析

潛在通路會在所有元件、器件工作正常的情況下導致出現不需要的功能，或使需要的功能受到抑制。潛在通路分析一般在設計階段後期或設計檔案完成之後進行。

設計評審

在設計的每一階段結束之前，由負責設計的部門組織有關專家對設計檔案從保證可靠性要求的各種角度和各個方面進行評定和審查。實際上，這是一種組織專家協助做好可靠性設計的一種技術評定會。由於可靠性設計牽涉的面太廣，憑設計人員個人的知識進行最佳的可靠性設計已不可能。因此，設計評審是一種有效的提高可靠性的補救辦法。