第二章 可靠性工程
教学要求：
1. 了解系统可靠性含义；可靠性、安全性、风险性定义； 2. 掌握系统可靠性计算；
3. 掌握系统可靠性分析方法（事件树、故障树分析方法）。 教学重点： 系统可靠性计算 授课方式： 课堂授课 学时数：4
1. 系统可靠性含义；可靠性、安全性、风险性定义
可靠性工程是系统工程的重要分支，它的任务是定性与定量的分析、控制、评估和改善系统或设备在设计、生产和使用的各个阶段的可靠性，并在设计中达到可靠性与经济性综合平衡。
环境风险评价的重要任务之一是识别系统可能发生的一切事故序列的频率，在概率风险评价（PRA）中统称为第一级任务；系统可靠性分析与事故序列分析，从系统的设计运行资料、部件失效的统计数据、实验资料、规程等技术资料定性与定量地取得各类系统的故障频率，为计算系统的风险提供数据。
可靠性（经典定义）：系统或设备在规定的条件下，在规定的时间内，完成规定功能的能力。规定条件包括使用条件、维护条件、环境条件等；规定时间是可靠性定义中的核心，不谈时间就无可靠性可言；可靠性指标与任务时间是紧密相关的；而规定功能一般指用户提出的技术指标和要求。
由于系统或设备失效的形式和过程不同，因此评价它们的可靠度也会有不同的方法。一个系统怎样才算是失效呢？有两类常用的失效准则。瞬时型失效是指系统在工作过程中随机地在某时刻突然地失去功能。另一种失效准则是非突发性的，它伴随性能衰退、老化和磨损过程，很难明确指出它的确定寿命，这类失效又称耗损失效或漂移失效。
安全性（经典定义）：建立一种环境，使人们在这种环境下生活与工作感受
到的危害或危险是已知的，清楚的，并且是可控制在可接受的水平上。安全性以风险值（风险水平）或接受的危险概率来定量描述程度。
风险性是以事故发生概率与该事故后果（人员死亡或者财产损失）的乘积表示。
以核电站为例，定量的安全目标是：①对电站1英里边界上的居民所产生的平均瞬时死亡风险不应超过美国风险本底（5×10-4/a）的0.1%，也就是说，瞬时风险的定量设计目标为5×10-7/a；②在50英里范围的致癌风险不能超过本底致癌风险的0.1%，而美国癌本底风险值为5×10-3，所以因核电站而造成的致癌风险设计目标为2×10-6/a。
2. 系统可靠性计算 可靠度函数
如果用随机变量T来表示系统从开始工作到发生故障的连续工作时间，用t表示规定时间，则系统在时刻t的可靠度R(t)是随机变量，为T大于时间t的概率。 R(t)=P(T＞t) 不可靠度 F(t)=1-R(t)=P(T≤t)
假设有同一种类的产品N0个，在t=0时开始使用或试验， 令：Ns(t)=工作到时间t存活的数目； Nf(t)=工作到时间t失效的数目；
Ns(t)+Nf(t)=N0,根据物理意义，产品的可靠度由下式给出：
Nf(t)Ns(t)N0-Nf(t)R(t)===1-
N0N0N0不可靠度F(t)由下式给出：
F(t)=Nf(t)N0
典型系统可靠性计算的框图法 1 串联网络
这网络表示一个由元件（或分系统）串联连接的系统。在系统中，如果系统中任一个元件工作不正常，它将引起整个系统失效，一种k个元件串联的系统如
图2.3所示：
对于k个独立不相同元件串联系统，依赖于时间t的可靠性Rs(t)为：
Rs(t)??1?F1(t)???1?F2(t)???1?F3(t)???????1?Fk(t)?
?1?F1(t)??Ri(t)
式中：Fi(t)——第i个单元或元件失效的概率（i=1，2，3，?，k）； Ri(t)——第i个单元或元件的可靠性（i=1，2，3，?，k）。 常用的Ri(t)表示式为(指数分布)：
R(t)?e-?t
式中λ为失效系数。
所以串联系统可靠性可以表示为：
Rs(t)?e-?1t?e??2t???e??kt
定义多个连接或单个元件的失效前平均时间（MTTF）为：
MTTF?[??i]?1
i?1n[例题2.1]：10个独立和相同的分系统组成一个串联系统。每个分系统的失效时间符合指数分布，其MTTF为2000h，假定在时间t=0时系统开始工作，计算50h时工作系统的可靠性。
已知k=10，t=50,λ=2000-1失效/h，所以
Rs(50)?e??(2000)?1?(50)?10?0.7788
此串联系统工作50h后的可靠性为0.7788。 2 并联网络
一种k个元件并联的系统如图2.4所示：
为了导出这种模型的可靠性方程，假定：①系统中所有单元同时工作并且负载均分；②各单元在统计上独立。在时间t时，具有不相同元件并联结构的不可靠性为：
Fp(t)??Fi(t)
i?1k式中：Fi(t)——第i个元件不可靠性（失效概率）；
k——系统的元件数目。
因为 Rp(t)+Fp(t)=1，所以并联系统可靠性为：
Rp(t)?1??Fi(t)?1??(1?e??it)
i?1i?1kk
相关推荐：
loading