实用可靠性工程

本书符合美国质量协会（ASQ）认证可靠性工程师课程的要求，包括可靠性工程简介，可靠性中的数学，寿命数据分析和概率绘图，蒙特卡洛仿真，载荷－强度干涉，可靠性预测与建模，可靠性设计，机械零件和系统的可靠性，电子系统的可靠性，软件可靠性，试验设计和方差分析，可靠性试验，可靠性数据分析，可靠性演示与增长，制造过程中的可靠性，可维护性、维护和可用性，可靠性管理等方面的内容，确保了与所有质量保证和可靠性课程的持续相关性。 本书适合大专院校学生和从事可靠性工程产品及系统的设计、开发、制造和维护等的专业人士阅读使用。

第1章可 靠性工程简介 1 1.1 什么是可靠性工程 1 1.2 为什么要讲授可靠性工程 2 1.3 为什么产品会失效 4 1.4 可靠性中的概率 7 1.5 可修复和不可修复产品 8 1.6 不可修复产品的失效模式 9 1.7 可修复产品的失效模式 10 1.8 可靠性工程的发展 10 1.9 课程、会议和文献 12 1.10 可靠性工作的机构 13 1.11 作为效能参数的可靠性 13 1.12 可靠性工作的各项活动 14 1.13 可靠性经济效益和管理 15 习题 19 参考文献 20 期刊文献 20 第2章 可靠性中的数学 21 2.1 引言 21 2.2 变异 21 2.3 概率的概念 23 2.4 概率的定律 25 2.5 连续变量 29 2.5.1 集中趋势的度量 31 2.5.2 分布的散度 31 2.5.3 累积分布函数 32 2.5.4 可靠性函数和风险函数 32 2.5.5 使用Microsoft Excel函数计算可靠性 33 2.6 连续分布的函数 33 2.6.1 正态（高斯）分布 33 2.6.2 对数正态分布 35 2.6.3 指数分布 35 2.6.4 伽马分布 36 2.6.5 χ2分布 37 2.6.6 威布尔分布 37 2.6.7 极值分布 38 2.7 连续统计分布的总结 40 2.8 工程中的变异 43 2.8.1 变异服从正态分布吗 43 2.8.2 影响与原因 46 2.8.3 尾部 47 2.9 小结 47 2.10 离散变量 48 2.1 0.1二项分布 48 2.1 0.2泊松分布 49 2.11 统计置信度 51 2.12 统计假设检验 53 2.12.1 均值差异的检验（z检验） 53 2.12.2 在二项试验中应用z检验 55 2.12.3 显著性的χ2检验 56 2.12.4 方差间差异的检验，方差比检验（F检验） 56 2.13 非参数推断方法 57 2.14 拟合优度 59 2.14.1 χ2拟合优度检验 59 2.14.2 柯尔莫哥洛夫-斯米尔诺夫检验 60 2.15 事件序列（点过程） 61 2.15.1 趋势分析（时间序列分析） 62 2.15.2 叠加过程 64 2.16 统计计算机软件 64 2.17 实践总结 65 习题 66 参考文献 69 入门性资料 69 更深入的读物 69 第3章 寿命数据分析和概率绘图 70 3.1 引言 70 3.1.1 一般的寿命数据分析和概率绘图 70 3.1.2 统计数据分析方法 70 3.2 寿命数据的分类 73 3.2.1 完整数据 73 3.2.2 删失数据 73 3.2.3 右删失（中止） 74 3.2.4 区间删失 74 3.2.5 左删失 74 3.3 数据的秩 75 3.3.1 秩的概念 75 3.3.2 平均秩 76 3.3.3 中位秩 76 3.3.4 中位秩的累积二项法 76 3.3.5 中位秩的代数近似 77 3.3.6 对删失数据求秩 77 3.4 威布尔分布 78 3.4.1 双参数威布尔分布 78 3.4.2 威布尔参数估计和概率绘图 78 3.4.3 三参数威布尔分布 82 3.4.4 β参数与失效率和浴盆曲线的关系 84 3.4.5 BX寿命 85 3.5 用软件进行数据分析和概率绘图 85 3.5.1 X轴秩回归 85 3.5.2 最大似然法 87 3.5.3 选用秩回归法和最大似然法的建议 88 3.6 寿命数据分析的置信界限 89 3.6.1 威布尔数据的置信区间 90 3.6.2 单个参数的界限 91 3.6.3 计算置信界限的其他方法 94 3.7 选择最佳分布并评估结果 95 3.7.1 分布拟合的优度 96 3.7.2 混合分布 97 3.7.3 在工程中求出最优分布的方法 99 3.8 小结 102 习题 103 参考文献 107 第4章 蒙特卡洛仿真 108 4.1 引言 108 4.2 蒙特卡洛仿真的基础 108 4.3 其他统计分布 109 4.3.1 均匀分布 109 4.3.2 三角形分布 109 4.4 对统计分布进行采样 110 4.4.1 用Excel生成随机变量 110 4.4.2 仿真运行次数和结果的准确度 111 4.5 进行蒙特卡洛仿真的基本步骤 112 4.6 蒙特卡洛方法总结 117 习题 117 参考文献 118 第5章 载荷-强度干涉 119 5.1 引言 119 5.2 载荷与强度的分布 119 5.3 载荷-强度干涉分析 122 5.3.1 正态分布的强度与载荷 122 5.3.2 载荷与强度服从其他分布的情况 123 5.4 安全裕度与载荷粗糙度对可靠性的影响（施加多个载荷） 123 5.5 一些实际因素的考量 130 习题 131 参考文献 132 第6章 可靠性预测与建模 133 6.1 引言 133 6.2 可靠性预测的基本限制 134 6.3 根据标准进行可靠性预测 135 6.3.1 MIL-HDBK-217 136 6.3.2 Telcordia SR-332（原Bellcore） 137 6.3.3 IEC 62380（原RDF 2000） 138 6.3.4 NSWC-06/LE 10138 6.3.5 PRISM和217Plus 138 6.3.6 中国299B（GJB/Z 299B) 139 6.3.7 其他标准 139 6.3.8 IEEE 1413标准 140 6.3.9 可靠性预测的软件工具 140 6.4 可靠性预测的其他方法 141 6.4.1 基于返修的方法 141 6.4.2 现场数据和可靠性预测标准结合 141 6.4.3 失效物理 141 6.4.4 可靠性预测的“自顶向下法” 142 6.5 实际因素的考量 142 6.6 系统可靠性模型 143 6.6.1 基本的串联可靠性模型 143 6.6.2 工作冗余 144 6.6.3 表决系统冗余 145 6.6.4 备用冗余 145 6.6.5 进一步的冗余分析 146 6.7 可修复系统的可用性 146 6.8 模块化设计 150 6.9 框图分析 151 6.9.1 割集与合集 152 6.9.2 共模失效 153 6.9.3 启动事件 154 6.9.4 实践方面的问题 154 6.10 故障树分析（FTA） 155 6.11 状态空间分析（马尔可夫分析） 158 6.11.1 复杂系统 160 6.11.2 连续马尔可夫过程 162 6.11.3 马尔可夫分析的局限、优点和应用 162 6.12 Petri网 163 6.12.1 故障树和Petri网之间的转换 164 6.12.2 最小割集法 165 6.12.3 标志转换 165 6.13 可靠性分配 167 6.14 小结 167 习题 168 参考文献 173 第7章 可靠性设计 175 7.1 引言 175 7.2 可靠性设计过程 176 7.3 识别 177 7.3.1 对标 178 7.3.2 环境 178 7.3.3 环境分布 178 7.3.4 质量功能展开（QFD） 179 7.3.5 项目风险分析 181 7.4 设计 181 7.4.1 计算机辅助工程(CAE) 182 7.4.2 失效模式、影响与危害性分析（FMECA） 182 7.4.3 FMECA的步骤 183 7.4.4 FMECA的应用 185 7.4.5 FMECA软件工具 186 7.4.6 用FMECA进行可靠性预测 187 7.4.7 载荷-强度分析 187 7.4.8 危害与可操作性分析（HAZOPS） 188 7.4.9 零部件、材料和过程（PMP）的评估 189 7.4.10 非材料失效模式 189 7.4.11 关键项目清单 190 7.4.12 载荷防护 190 7.4.13 针对强度降低的防护 191 7.4.14 设计评估的管理 191 7.4.15 基于失效模式的设计评估（DRBFM） 193 7.4.16 人因可靠性 193 7.5 分析 194 7.6 验证 195 7.6.1 退化分析 195 7.6.2 配置控制 195 7.7 确认 195 7.8 控制 196 7.8.1 工艺设计分析 196 7.8.2 变异 196 7.8.3 工艺FMECA 198 7.8.4 Poka Yoke防错 198 7.8.5 测试性分析 198 7.8.6 试验输出分析 198 7.8.7 维修性分析 198 7.9 评估一个组织的DfR能力 199 7.10 总结 199 习题 200 参考文献 201 第8章 机械零件和系统的可靠性 202 8.1 引言 202 8.2 机械应力、强度和断裂 202 8.3 疲劳 205 8.3.1 抗疲劳设计 210 8.3.2 易疲劳零件的维护 211 8.4 蠕变 211 8.5 磨损 211 8.5.1 磨损的机理 211 8.5.2 减小磨损的方法 212 8.5.3 受到磨损的系统的维护 212 8.6 腐蚀 213 8.7 振动和冲击 214 8.8 温度影响 215 8.9 材料 217 8.9.1 金属合金 217 8.9.2 塑料、橡胶 217 8.9.3 陶瓷 217 8.9.4 复合材料、黏合剂 217 8.10 零件 218 8.11 制造工艺 218 8.11.1 紧固件 218 8.11.2 黏合剂 219 8.11.3 熔焊和钎焊 219 8.11.4 密封件 219 习题 220 参考文献 221 第9章 电子系统的可靠性 222 9.1 引言 222 9.2 电子元器件的可靠性 223 9.3 元器件类型和失效机理 227 9.3.1 集成电路（IC） 227 9.3.2 其他电子元器件 236 9.3.3 钎焊 239 9.4 元器件失效模式总结 241 9.5 电路和系统方面的影响 242 9.5.1 失真和抖动 242 9.5.2 定时 242 9.5.3 电磁干扰和兼容 243 9.5.4 间歇失效 243 9.5.5 其他失效原因 244 9.6 电子系统设计中的可靠性 244 9.6.1 简介 244 9.6.2 瞬变电压防护 245 9.6.3 热设计 246 9.6.4 应力降额 247 9.6.5 零件升额 249 9.6.6 电磁干扰和电磁兼容（EMI/EMC） 250 9.6.7 冗余 251 9.6.8 设计简化 251 9.6.9 潜在电路分析 251 9.7 参数变异和公差 253 9.7.1 简介 253 9.7.2 公差设计 254 9.7.3 分析方法 255 9.8 面向生产、测试和维护的设计 257 习题 258 参考文献 259 第10 章软件可靠性 261 10.1 引言 261 10.2 工程系统中的软件 263 10.3 软件错误 264 10.3.1 规范错误 264 10.3.2 软件系统设计 265 10.3.3 软件代码生成 266 10.4 预防错误 266 10.5 软件结构与模块化 267 10.5.1 结构 267 10.5.2 模块化 267 10.5.3 结构化和模块化程序设计的要求 268 10.5.4 软件重用 268 10.6 编程风格 268 10.7 容错 269 10.8 冗余/分集 269 10.9 编程语言 270 10.10 数据可靠性 271 10.11 软件检查 272 10.1 1.1FMECA 272 10.1 1.2软件潜在分析 272 10.12 软件测试 273 10.13 错误报告 276 10.14 软件可靠性预测和度量 277 10.14.1 简介 277 10.14.2 泊松模型（时间相关） 277 10.14.3 Musa模型 278 10.14.4 Jelinski-Moranda和Schick-Wolverton 模型 279 10.14.5 Littlewood 模型 279 10.14.6 点过程分析 280 10.15 硬件/软件接口 280 10.16 小结 281 习题 283 参考文献 283 第11章 试验设计和方差分析 284 11.1 引言 284 11.2 统计试验设计和方差分析 284 11.2.1 单变量分析 285 11.2.2 多变量分析（析因试验） 287 11.2.3 非正态分布的变量 291 11.2.4 二级析因试验 291 11.2.5 部分析因试验 293 11.3 数据随机化 296 11.4 对结果的工程解释 297 11.5 Taguchi（田口）方法 297 11.6 小结 301 习题 302 参考文献 305 第12章 可靠性试验 306 12.1 引言 306 12.2 可靠性试验的计划 307 12.2.1 使用设计分析数据 307 12.2.2 考虑变异性 308 12.2.3 耐久性 308 12.3 试验环境 309 12.3.1 振动试验 311 12.3.2 温度试验 312 12.3.3 电磁兼容性（EMC）试验 312 12.3.4 其他环境试验 313 12.3.5 用户模拟试验 313 12.4 可靠性和耐久性试验：加速试验 313 12.4.1 试验开发 313 12.4.2 加速试验 318 12.4.3 高加速寿命试验（HALT） 319 12.4.4 加速试验的试验方法 321 12.4.5 高加速寿命试验（HALT）和生产试验 321 12.4.6 试验设计（DOE）还是高加速寿命试验（HALT）？ 322 12.5 试验规划 322 12.6 失效报告、分析和纠正措施系统（FRACAS） 323 12.6.1 失效报告 323 12.6.2 纠正措施的有效性 324 习题 325 参考文献 326 第13章 可靠性数据分析 327 13.1 引言 327 13.2 Pareto 分析 327 13.3 加速试验数据的分析 328 13.4 加速因子 329 13.5 加速模型 330 13.5.1 温度和湿度加速模型 330 13.5.2 电压与电流加速模型 333 13.5.3 振动加速模型 333 13.6 试验与实际工况的对应 335 13.7 加速试验数据的统计分析 336 13.8 可修复系统的可靠性分析 338 13.8.1 可修复系统的失效率 338 13.8.2 多插座系统 340 13.9 累积和（CUSUM）图表 344 13.10 数据外推分析及比例风险模型 346 13.11 现场数据与保修数据分析 348 13.11.1 对现场和保修数据的考虑 348 13.11.2 保修数据格式 348 13.11.3 保修数据分析 350 习题 351 参考文献 355 第14章 可靠性演示与增长 357 14.1 引言 357 14.2 可靠性指标 357 14.3 通过性试验（test to success） 358 14.3.1 二项分布法 358 14.3.2 通过性试验中出现失效 359 14.4 破坏性试验 359 14.5 寿命试验的延长 360 14.5.1 参数化二项法 360 14.5.2 参数化二项模型的局限性 361 14.6 连续试验 361 14.7 退化分析 362 14.8 使用贝叶斯统计法合并试验结果 363 14.9 非参数方法 365 14.10 可靠性演示软件 365 14.11 可靠性验证的一些实际因素 366 14.12 可修复系统的标准方法 367 14.13 可靠性增长监测 373 14.14 促进可靠性增长 381 习题 383 参考文献 385 第15章 制造过程中的可靠性 386 15.1 引言 386 15.2 对生产中变异的控制 386 15.3 对人因变异的控制 390 15.4 验收抽样 391 15.5 工艺改进 396 15.6 电子产品的质量控制 400 15.7 应力筛选 403 15.8 生产失效报告、分析和纠正措施系统（FRACAS） 405 15.9 小结 406 习题 407 参考文献 408 第16章 可维护性、维护和可用性 409 16.1 引言 409 16.2 可用性的度量 410 16.3 维修时间分布 411 16.4 预防性维护策略 412 16.5 维护计划中的FMECA和FTA 415 16.6 维护时间表 416 16.7 相关的技术问题 416 16.8 校准 418 16.9 可维护性的预计 418 16.10 可维护性的演示 419 16.11 面向可维护性的设计 419 16.12 综合后勤保障 419 习题 420 参考文献 421 第17章 可靠性管理 422 17.1 企业的可靠性方针 422 17.2 可靠性综合计划 422 17.3 可靠性与成本 425 17.4 安全性和产品责任 429 17.5 可靠性、质量和安全性标准 429 17.6 规定可靠性要求 432 17.7 可靠性达标合同 434 17.8 管理下级供应商 436 17.9 可靠性手册 437 17.10 项目可靠性计划 437 17.11 利用外部服务机构 438 17.12 用户的可靠性管理 439 17.13 可靠性工作人员的选拔和培训 441 17.14 可靠性的组织 442 17.15 组织的可靠性能力和成熟度 444 17.16 管理生产质量 446 17.17 质量管理方法 448 17.18 选择方法：战略层面和战术层面 450 17.19 小结 451 习题 452 参考文献 453 附录 454 附录1 标准累积正态分布函数 454 附录2 χ2(α,ν)分布值 455 附录3 柯尔莫哥洛夫－斯米尔诺夫表 458 附录4 秩表（5%，95%） 459 附录5 失效报告、分析和纠正措施系统（FRACAS）分析 469 附录6 可靠性、可维护性（及安全性）计划示例 471 附录7 矩阵代数复习 476

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