可靠性設(shè)計(jì)及其重要作用

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，也就是系統(tǒng)、設(shè)備、元件的功能在時(shí)間上的穩(wěn)定性?？煽啃怨こ淌菫榱诉m應(yīng)產(chǎn)品的高可靠性要求而發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科。就我國(guó)目前的可靠性研究而言，可靠性的研究主要分為零件強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)研究、系統(tǒng)可靠性研究和可靠性試驗(yàn)與研究三個(gè)分支研究方向。在這三個(gè)研究方向中，可靠性試驗(yàn)和研究與工程應(yīng)用、與產(chǎn)品制造實(shí)際過程緊密結(jié)合，并且以做實(shí)驗(yàn)為教學(xué)和工程基礎(chǔ)，通過設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品試驗(yàn)，不斷積累數(shù)據(jù)，逐步形成了有工程需求、有設(shè)備、有產(chǎn)品、科學(xué)實(shí)驗(yàn)的良性正循環(huán)，并且不斷帶動(dòng)可靠性工程的整體發(fā)展。
可靠性設(shè)計(jì)決定產(chǎn)品的“優(yōu)生”，可靠性設(shè)計(jì)是可靠性工程的最重要的階段。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，通過采用產(chǎn)品可靠性壽命試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)等可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以產(chǎn)品實(shí)際使用試驗(yàn)信息為基礎(chǔ)，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而改善產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力的不斷提升，對(duì)于產(chǎn)品可靠性和質(zhì)量有著重要的作用。特別是在航天行業(yè)等軍工產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)工作中，適時(shí)、有效進(jìn)行產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)、分析工作，對(duì)提高軍工產(chǎn)品的質(zhì)量尤為重要和迫切。

可靠性設(shè)計(jì)面臨的困境

當(dāng)前，我國(guó)軍品研發(fā)設(shè)計(jì)制造，即便在CAD/CAE技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用多年后，因?yàn)楫a(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)建模的缺失，可靠性仍然主要采用產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)單一的檢測(cè)模式。例如在應(yīng)用CAE進(jìn)行系統(tǒng)仿真方面，由于數(shù)據(jù)的缺乏，“仿真驅(qū)動(dòng)研發(fā)”依然沒有滲透到產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)的前端，即概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研發(fā)流程，而是更多的應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)后端的工程分析，極大地阻礙了我國(guó)產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的發(fā)展。

將信息化軟件工具應(yīng)用于設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。但就目前的情況而言，數(shù)學(xué)建模是研究和工程應(yīng)用存在的關(guān)鍵問題和工程瓶頸。從目前軍工行業(yè)和企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)工程實(shí)踐來(lái)看，產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)缺乏數(shù)學(xué)建模、建模不準(zhǔn)確的現(xiàn)象非常嚴(yán)重，導(dǎo)致在有限元計(jì)算過程中缺少剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)，以及材料數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)缺失，使得產(chǎn)品可靠性計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際情況不符。

由于缺少數(shù)據(jù)，當(dāng)前的可靠性設(shè)計(jì)更多的是進(jìn)行定性研究，缺乏定量研究，難以進(jìn)行具有針對(duì)性的設(shè)計(jì)改進(jìn)。例如，在進(jìn)行疲勞性能材料可靠性研究上，只有當(dāng)PSN曲線(產(chǎn)品失效概率、載荷、壽命)等這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具備以后，再采用CAD、CAE等軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，建模，進(jìn)行可靠性計(jì)算和分析，才有可能從產(chǎn)品研發(fā)的源頭提高產(chǎn)品的可靠性，增加產(chǎn)品壽命。但由于當(dāng)前國(guó)內(nèi)缺乏相應(yīng)的PSN曲線供研究使用，從而制約了我國(guó)整體產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的發(fā)展。

綜上所述，缺乏基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以此進(jìn)行相關(guān)的可靠性實(shí)驗(yàn)建模，已經(jīng)成為制約我國(guó)軍工產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)和整體可靠性工程的重要難題，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)軍工產(chǎn)品的可靠性發(fā)展。

進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)的收集，需要進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)，一般而言，實(shí)驗(yàn)次數(shù)越多，收集的數(shù)據(jù)越多，后續(xù)的分析建模就會(huì)愈加精準(zhǔn)。但從實(shí)踐操作來(lái)看，實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，意味著成本的增加，此外，產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)周期過長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量的因子的多樣性等等現(xiàn)實(shí)問題，也增加了我們對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和后續(xù)的分析的難度。如何解決這些問題，將是我們進(jìn)行可靠性數(shù)據(jù)的收集和分析面臨的關(guān)鍵。

針對(duì)數(shù)據(jù)的收集和分析建模，我們需要在以下幾個(gè)問題上給予解決，才能更好的進(jìn)行產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)工作：

第一， 小樣本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)問題。從理論上來(lái)說，準(zhǔn)確的正態(tài)分布參數(shù)統(tǒng)計(jì)需要50個(gè)樣本、多分布統(tǒng)計(jì)需要37個(gè)樣本，才能夠達(dá)到產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)的可信度。但在實(shí)際工程上，有時(shí)受到條件的制約，難以達(dá)到可信度樣本量。如何利用小樣本量進(jìn)行可靠性分析，或者制定最為經(jīng)濟(jì)的樣本量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，是我們進(jìn)行數(shù)據(jù)收集面臨的首要問題。

第二， 不同來(lái)源數(shù)據(jù)的比較和融合。我們收集的數(shù)據(jù)往往來(lái)自不同的來(lái)源，例如為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的不足，我們也將產(chǎn)品實(shí)際使用的數(shù)據(jù)融入到產(chǎn)品分析中來(lái)，。但由于不同來(lái)源的數(shù)據(jù)所處環(huán)境等因素的不同，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)比較、融入，也是我們?cè)谑占瘮?shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)中將要面臨的挑戰(zhàn)之一。

第三， 多種加速影響因子的交互作用。一般而言，產(chǎn)品在實(shí)際的使用環(huán)境下，往往受到的是溫度、應(yīng)力和荷載等多個(gè)加速影響因子的綜合加速壽命實(shí)驗(yàn)。如何去衡量和判斷多個(gè)影響因子的作用及其交互影響，是我們?cè)跀?shù)據(jù)建模中亟待解決的難題。

第四， 從單一元器件到產(chǎn)品整體可靠性研究。軍工產(chǎn)品構(gòu)造復(fù)雜，部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如何從單一部件失效試驗(yàn)發(fā)展到多部件失效分析，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整體的系統(tǒng)可靠性實(shí)驗(yàn)分析，也是我們產(chǎn)品可靠性分析建模的關(guān)鍵和重點(diǎn)。

JMP，作為SAS（全球最大的統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件公司）推出的一種交互式可視化統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)軟件系列，在SAS算法的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)以統(tǒng)計(jì)方法的實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，交互性、可視化能力強(qiáng)，使用方便，給業(yè)務(wù)人員的數(shù)據(jù)分析極大的幫助，其可靠性和生存分析平臺(tái)，整合了產(chǎn)品可靠性分析的各項(xiàng)需求，實(shí)現(xiàn)了從可靠性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，到產(chǎn)品元件分析直到產(chǎn)品可靠性分析一系列完整的可靠性分析解決方案，為用戶進(jìn)行各項(xiàng)可靠性分析提供了強(qiáng)大的工具，解決了我們?cè)诳煽啃詫?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析過程中的種種難題。

可靠性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們希望能夠使用更少的實(shí)驗(yàn)樣本和實(shí)驗(yàn)周期來(lái)獲得可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在JMP的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)，我們可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)部件的壽命分布曲線，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)精度來(lái)制定樣本數(shù)量和實(shí)驗(yàn)刪失時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)更為經(jīng)濟(jì)和快速的可靠性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。此外，JMP還提供加速壽命實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，幫助用戶進(jìn)行從單因子單獨(dú)作用到多因子交互作用的各種加速因子壽命實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)。

圖1：可靠性實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量和刪失時(shí)間的設(shè)計(jì)

不同種類數(shù)據(jù)的比較分析

在JMP的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)，我們可以根據(jù)不同的失效原因進(jìn)行分析，也可以對(duì)于不同種類的樣本進(jìn)行壽命比較。通過不同種類數(shù)據(jù)的比較分析，使得用戶能夠更加清晰的認(rèn)識(shí)到各組數(shù)據(jù)之間的差異性。而在失效模式分析上，JMP特有的交互式操作方式，可以幫助用戶忽略失效次數(shù)較少的失效模式，將問題聚焦到主要模式上，實(shí)現(xiàn)對(duì)于問題的快速定位。

圖2：基于不同組數(shù)據(jù)的可靠性比較分析

多因子交互影響的加速因子壽命分析

無(wú)論是單一加速因子，還是多個(gè)加速因子對(duì)于產(chǎn)品壽命的影響，在JMP中，我們都能利用擬合平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的擬合建模。為了保證模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性，JMP還提供例如預(yù)測(cè)方差刻畫和 FDS 圖，幫助用戶進(jìn)行模型評(píng)估，確保模型的可靠性。此外，JMP還在構(gòu)建好模型之后，通過刻畫器，以可視方式幫助我們確定可行的操作架構(gòu)和因子設(shè)定點(diǎn)，并通過模擬器，幫助用戶去設(shè)定實(shí)際工作的效果。

圖3：基于多個(gè)因子的預(yù)測(cè)客戶器

多個(gè)部件的可靠性研究

產(chǎn)品是由多個(gè)部件構(gòu)成的，產(chǎn)品的部件越多，相互關(guān)系越復(fù)雜，產(chǎn)品的可靠性就愈加難以計(jì)算。JMP的可靠性框圖，以圖形化的方式，幫助用戶快速搭建復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整體可靠性的分析建模。

圖4：使用可靠性框圖，進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析

從軍工到民用，可靠性設(shè)計(jì)大有可為

可靠性設(shè)計(jì)和可靠性分析對(duì)于軍工產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響，是關(guān)系到國(guó)防安全和國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展的大問題。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，可靠性試驗(yàn)不僅在航空航天等軍工行業(yè)有很大的戰(zhàn)略需求和產(chǎn)品市場(chǎng)發(fā)展空間，在一些民用市場(chǎng)，可靠性分析的需求也日益迫切，可靠性設(shè)計(jì)和分析的市場(chǎng)空間和發(fā)展?jié)摿薮螅煽啃栽O(shè)計(jì)大有可為。