读书笔记-航空装备任务可靠性设计与验证技术（1）

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前言

1. 可靠性属于一种跟时间紧密相关的隐性设计特性，只能通过后期的试验和使用过程才能显示出来。
2. 可靠性作为表征产品是否易发生故障的特性，牵涉因素众多，涉及到产品设计、制造、使用等全生命周期。
3. 基本可靠性、任务可靠性是产品可靠性的“一体两面”，前者表征对维修资源的要求，后者表征产品完成任务的能力，两者都是产品可靠性设计应实现的主要目标。
4. 目前的型号研制过程中，可靠性工作几乎都是以基本可靠性要求作为设计和考核目标，而任务可靠性至多在此基础上开展复核复算，其验证评价也是后期依靠外场使用数据进行评估

绪论

可靠性的基本概念

任务可靠性与基本可靠性

1. 基本可靠性是指产品在规定的条件下、规定的时间内，无故障工作的能力。基本可靠性反映了产品对维修资源的要求（含对维修任务的需求量和备件等要求）。任务可靠性是指产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力，反映了产品对任务成功性的要求。两者的主要区别：
   • 考虑的工作时间和剖面不同
   • 故障统计的范围不同
   • 对产品使用的最终影响不同
2. 冗余可以提高任务可靠性，但冗余并非越多越好，冗余数增多会导致系统成本、重量增加以及相应的检测、判断和隔离转换装置必然增多，从而降低系统的基本可靠性

可靠性常用度量参数

1. 度量基本可靠性的主要参数包括：平均飞行故障间隔时间MFHBF、平均故障间隔时间MTBF
2. 度量任务可靠性的常用参数包括：任务成功概率MCSP、平均严重故障间隔时间MTBCF、任务可靠度MR

可靠性工程

1. GJB 450A-2004将可靠性工作工作分为如下等5个类别的工作项目
   • 可靠性要求和确定
     • 确定可靠性要求
     • 确定可靠性工作项目要求
   • 可靠性管理
   • 可靠性设计与分析
     • 建立可靠性模型
     • 可靠性分配
     • 可靠性预计
     • 故障模式影响与危害性分析
     • 故障树分析
     • 潜在分析
     • 电路容差分析
     • 制定可靠性设计准则
     • 元器件、零部件和原材料选择与控制
     • 确定可靠性关键产品
     • 确定功能测试、包装、存储、装载、运输和维修队产品可靠性的影响
     • 有限元分析
     • 耐久性分析
   • 可靠性试验与评价
     • 环境应力筛选
     • 可靠性研制试验
     • 可靠性增长试验
     • 可靠性鉴定试验
     • 可靠性验收试验
     • 可靠性分析评价
     • 寿命试验
   • 可靠性评估与改进

航空装备可靠性工程的现状以及问题

航空装备可靠性工程的发展

1. 第一阶段：航空可靠性工程的诞生
   • 七五、八五期间，可靠性在航空装备领域经历了从无到有的初创阶段
   • 1985年，《航空技术装备寿命和可靠性工作暂行规定（）试行》的颁布，标志着可靠性工作已经作为一项专业，在航空产品的研制过程、生产以及使用过程占据了一席之地。
2. 第二阶段：航空可靠性工程的逐步成熟
   • 九五、十五期间，可靠性专业基本形成了覆盖装备全生命周期的工作体系。
   • GJB 450A《装备可靠性工作通用要求》、GJB899《可靠性鉴定和验收试验》
   • 这一阶段主要工作聚焦在研制的末端，是在装备研制结束后对装备可靠性水平进行摸底和事后考核，保证装备试用及使用安全。
3. 第三阶段：航空可靠性工程的改进提升
   • 强调可靠性工作重心前移，加强研制阶段的可靠性设计和增长，从源头发现产品的潜在薄弱环节，通过早期的设计改进手段提升可靠性水平。
   • 提出了可靠性综合评价的思路，除了鉴定考核外，将研制阶段的可靠性试验结果也纳入了评价体系中。
   • 一定程度上跳脱了原有基于概率统计的可靠性工作模式和方法，引入了基于故障物理的可靠性设计、基于故障物理的可靠性试验等新技术，将可靠性设计和提升落实到产品具体的物理设计参数上，扭转了可靠性工作长期给设计人员带来的看不见、摸不着的固有观念，初步实现了产品可靠性与性能的一体化设计。

存在的主要问题以及原因

1. 主要问题，一方面是装备的使用效果依然不能让用户满意，事故多。另一方面是可靠性工作长期无法体系性地融入产品的研制过程，即长期性困扰可靠性工作提升的“两张皮”问题。主要原因
2. 可靠性设计与产品设计过程无法融合
   • 目前可靠性设计工具与产品设计工具基本上两套工具，无法实现集成和互通。
   • 随着装备、系统复杂性提高，大量的可靠性分析工作需要重新对设计资料进行梳理和理解，工作量越来越大，工作成本和代价也越来越高，在一定程度上阻碍了可靠性设计与产品设计的融合。
3. 可靠性需求未转化成可工程设计的要求
   • 可靠性的度量参数都是关于故障时间统计参数，这些参数并不与产品设计参数直接关联，从而无法直接用于设计，当然也无法在设计阶段进行有效控制，这是造成可靠性与产品性能设计两张皮的根源。
   • 对产品设计人员而言，故障率、平均故障间隔时间等只是数学概率问题，而不是设计问题。
   • 因此必须将这类统计参数转换为与产品相关的工程设计要求，与产品的功能、性能、结构等关联起来，才能对设计工作形成真正的约束和指导。
4. 可靠性工作目标有缺失
   • 任务可靠性设计目标的缺失，意味着可靠性工作目标发生了偏差，带来的问题是大量的可靠性工作浪费在非关键故障模式的分析和改进上，对于影响任务、安全的关键故障识别和控制力度则相对不足。
5. 可靠性验证与评价维度及手段单一
6. 可靠性数据的利用不充分
   • 数据在装备研制中的作用和效果差强人意，最直接的表现就是相同的故障模式在同型装备或不同装备中反复出现，已有的历史数据资料无法为新产品的设计提供有效指导，核心的问题是对可靠性数据的挖掘和利用还不充分，无法从大量数据中得到关联信息，并反馈到装备的研制和使用过程中。

国外可靠性工程技术的发展趋势

1. 可靠性工作体系逐步与装备系统工程研制过程进行融合
   • 美国国防部编制了《面向任务成功的RAM工作指南》，并与波音公司、SAE等公司协会共同发布了新的可靠性大纲标准GEIA-STD-0009《系统设计、研制和制造可靠性大纲标准》
   • 其与以前的可靠性大纲的主要区别在于：将原先的可靠性工作项目转变为可靠性工程活动要求，主要包含
   • 系统和产品的可靠性建模：利用可靠性模型描述产品、系统的功能依赖、冗余、降级模式，分析单点故障和关键产品，将底层的可靠性数据进行综合，开展系统可靠性评估等。
   • 反复识别和分析产品的生命周期环境载荷，将环境载荷条件逐步分界到系统、设计、配件、组件等
   • 反复分析故障机理和故障模式，通过分析、试验及加速试验等手段确定产品的故障模式
   • 在各阶段都策划和实施可靠性验证
   • 在各阶段实施可靠性评价
2. 系统级产品可靠性技术与基于模型的系统工程进行集成
   • 总体来看，国外将可靠性和安全性工作与MBSE模型集成的主要思路：是在系统SYSML、MODELICA设计模型的基础上，通过添加故障模式定义或进行故障建模，将正常的功能模型转换为故障模型，在将故障模型自动转换为传统的故障逻辑关系模型、FMEA和FTA等分析模型基础上，开展可靠性的分析和评估。
3. 设备级产品可靠性技术向工程化、精细化方向发展
   • 所谓精细化是指不再以宏观的统计规律为依据进行可靠性设计，而要细化到具体的故障模式的分析、预计和设计控制。
   • 所谓工程化是指可靠性设计更多地利用结构设计、热设计等工程分析手段发现产品设计薄弱环节，并通过设计改进实现可靠性增长。
4. 可靠性评价方法向基于证据的全过程考核评价转变

开展系统任务可靠性设计与验证进行研究的意义

开展任务可靠性技术研究的必要性

1. 装备可靠性设计的最终目的应是以基本可靠性要求作为约束的前提条件下，满足任务可靠性要求。
2. 首先，开展任务可靠性技术研究是满足新时期装备建设目标的要求。
3. 第二，开展任务可靠性技术研究是适应装备正向研制模式转变的需求
   • 我国的航空装备的研制模式正在从“测仿研制”向“正向研制”转变。
4. 第三，开展任务可靠性技术研究是应对装备设计复杂化的需要
   • 以可靠性框图和FTA为代表的静态可靠性建模方法已经很难对这类具有复杂的状态转移和故障逻辑特征的系统进行描述和分析。
5. 第四，开展任务可靠性技术研究是完善可靠性工作体系的需要。

系统任务可靠性设计与验证技术的难点

1. 任务可靠性的设计保证流程
2. 任务可靠性指标的分解
3. 任务可靠性建模技术
4. 任务可靠性的验证和评价技术