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可靠性設計及其重要作用 可靠性是指產(chǎn)品在規定的條件下、規定的時(shí)間內完成規定功能的能力，也就是系統、設備、元件的功能在時(shí)間上的穩定性�？煽啃怨こ淌菫榱诉m應產(chǎn)品的高可靠性要求而發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科。就我國目前的可靠性研究而言，可靠性的研究主要分為零件強度可靠性設計研究、系統可靠性研究和可靠性試驗與研究三個(gè)分支研究方向。在這三個(gè)研究方向中，可靠性試驗和研究與工程應用、與產(chǎn)品制造實(shí)際過(guò)程緊密結合，并且以做實(shí)驗為教學(xué)和工程基礎，通過(guò)設備進(jìn)行產(chǎn)品試驗，不斷積累數據，逐步形成了有工程需求、有設備、有產(chǎn)品、科學(xué)實(shí)驗的良性正循環(huán)，并且不斷帶動(dòng)可靠性工程的整體發(fā)展。 可靠性設計決定產(chǎn)品的“優(yōu)生”，可靠性設計是可靠性工程的最重要的階段。在產(chǎn)品設計階段，通過(guò)采用產(chǎn)品可靠性壽命試驗、加速壽命試驗等可靠性試驗設計，以產(chǎn)品實(shí)際使用試驗信息為基礎，進(jìn)行試驗數據統計分析，進(jìn)而改善產(chǎn)品設計缺陷，以實(shí)現產(chǎn)品設計能力的不斷提升，對于產(chǎn)品可靠性和質(zhì)量有著(zhù)重要的作用。特別是在航天行業(yè)等軍工產(chǎn)品的研發(fā)設計工作中，適時(shí)、有效進(jìn)行產(chǎn)品的可靠性設計、分析工作，對提高軍工產(chǎn)品的質(zhì)量尤為重要和迫切。 可靠性設計面臨的困境 當前，我國軍品研發(fā)設計制造，即便在CAD/CAE技術(shù)已經(jīng)應用多年后，因為產(chǎn)品可靠性數據建模的缺失，可靠性仍然主要采用產(chǎn)品可靠性試驗單一的檢測模式。例如在應用CAE進(jìn)行系統仿真方面，由于數據的缺乏，“仿真驅動(dòng)研發(fā)”依然沒(méi)有滲透到產(chǎn)品研發(fā)設計的前端，即概念設計、產(chǎn)品研發(fā)流程，而是更多的應用于產(chǎn)品設計后端的工程分析，極大地阻礙了我國產(chǎn)品可靠性設計的發(fā)展。 將信息化軟件工具應用于設計，實(shí)現產(chǎn)品可靠性設計，是未來(lái)的發(fā)展趨勢。但就目前的情況而言，數學(xué)建模是研究和工程應用存在的關(guān)鍵問(wèn)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)品可靠性設計缺乏數學(xué)建模、建模不準確的現象非常嚴重，導致在有限元計算過(guò)程中缺少剛度系數、阻尼系數，以及材料數據等相關(guān)數據，數據不準確、數據缺失，使得產(chǎn)品可靠性計算數據結果與實(shí)際情況不符。 由于缺少數據，當前的可靠性設計更多的是進(jìn)行定性研究，缺乏定量研究，難以進(jìn)行具有針對性的設計改進(jìn)。例如，在進(jìn)行疲勞性能材料可靠性研究上，只有當PSN曲線(xiàn)(產(chǎn)品失效概率、載荷、壽命)等這些基礎數據具備以后，再采用CAD、CAE等軟件進(jìn)行產(chǎn)品設計，建模，進(jìn)行可靠性計算和分析，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。但由于當前國內缺乏相應的PSN曲線(xiàn)供研究使用，從而制約了我國整體產(chǎn)品可靠性設計的發(fā)展。 綜上所述，缺乏基礎性的實(shí)驗數據，并以此進(jìn)行相關(guān)的可靠性實(shí)驗建模，已經(jīng)成為制約我國軍工產(chǎn)品可靠性設計和整體可靠性工程的重要難題，嚴重阻礙了我國軍工產(chǎn)品的可靠性發(fā)展。 如何進(jìn)行數據的收集和分析建模 進(jìn)行可靠性實(shí)驗設計的數據的收集，需要進(jìn)行可靠性實(shí)驗，一般而言，實(shí)驗次數越多，收集的數據越多，后續的分析建模就會(huì )愈加精準。但從實(shí)踐操作來(lái)看，實(shí)驗次數的增加，意味著(zhù)成本的增加，此外，產(chǎn)品實(shí)驗周期過(guò)長(cháng)，產(chǎn)品質(zhì)量的因子的多樣性等等現實(shí)問(wèn)題，也增加了我們對于實(shí)驗數據的收集和后續的分析的難度。如何解決這些問(wèn)題，將是我們進(jìn)行可靠性數據的收集和分析面臨的關(guān)鍵。 針對數據的收集和分析建模，我們需要在以下幾個(gè)問(wèn)題上給予解決，才能更好的進(jìn)行產(chǎn)品的可靠性設計工作： 第一， 小樣本實(shí)驗數據問(wèn)題。從理論上來(lái)說(shuō)，準確的正態(tài)分布參數統計需要50個(gè)樣本、多分布統計需要37個(gè)樣本，才能夠達到產(chǎn)品可靠性試驗的可信度。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)濟的樣本量的實(shí)驗設計方案，是我們進(jìn)行數據收集面臨的首要問(wèn)題。 第二， 不同來(lái)源數據的比較和融合。我們收集的數據往往來(lái)自不同的來(lái)源，例如為了彌補實(shí)驗室數據的不足，我們也將產(chǎn)品實(shí)際使用的數據融入到產(chǎn)品分析中來(lái)，。但由于不同來(lái)源的數據所處環(huán)境等因素的不同，如何進(jìn)行數據比較、融入，也是我們在收集數據，處理數據中將要面臨的挑戰之一。 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、應力和荷載等多個(gè)加速影響因子的綜合加速壽命實(shí)驗。如何去衡量和判斷多個(gè)影響因子的作用及其交互影響，是我們在數據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)品構造復雜，部件多，結構復雜，如何從單一部件失效試驗發(fā)展到多部件失效分析，從而實(shí)現產(chǎn)品整體的系統可靠性實(shí)驗分析，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（全球最大的統計學(xué)軟件公司）推出的一種交互式可視化統計發(fā)現軟件系列，在SAS算法的基礎上，強調以統計方法的實(shí)際應用為導向，交互性、可視化能力強，使用方便，給業(yè)務(wù)人員的數據分析極大的幫助，其可靠性和生存分析平臺，整合了產(chǎn)品可靠性分析的各項需求，實(shí)現了從可靠性實(shí)驗設計，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(hù)進(jìn)行各項可靠性分析提供了強大的工具，解決了我們在可靠性實(shí)驗設計和分析過(guò)程中的種種難題。 可靠性實(shí)驗設計 在進(jìn)行可靠性實(shí)驗時(shí)，我們希望能夠使用更少的實(shí)驗樣本和實(shí)驗周期來(lái)獲得可信的實(shí)驗結果。在JMP的實(shí)驗設計平臺，我們可以根據實(shí)驗部件的壽命分布曲線(xiàn)，根據不同的實(shí)驗精度來(lái)制定樣本數量和實(shí)驗刪失時(shí)間，從而實(shí)現更為經(jīng)濟和快速的可靠性實(shí)驗設計。此外，JMP還提供加速壽命實(shí)驗設計，幫助用戶(hù)進(jìn)行從單因子單獨作用到多因子交互作用的各種加速因子壽命實(shí)驗的方案設計。 
圖1：可靠性實(shí)驗樣本數量和刪失時(shí)間的設計 不同種類(lèi)數據的比較分析 在JMP的實(shí)驗設計平臺，我們可以根據不同的失效原因進(jìn)行分析，也可以對于不同種類(lèi)的樣本進(jìn)行壽命比較。通過(guò)不同種類(lèi)數據的比較分析，使得用戶(hù)能夠更加清晰的認識到各組數據之間的差異性。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(hù)忽略失效次數較少的失效模式，將問(wèn)題聚焦到主要模式上，實(shí)現對于問(wèn)題的快速定位。
圖2：基于不同組數據的可靠性比較分析 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)加速因子對于產(chǎn)品壽命的影響，在JMP中，我們都能利用擬合平臺進(jìn)行相關(guān)數據的擬合建模。為了保證模型構建的準確性，JMP還提供例如預測方差刻畫(huà)和 FDS 圖，幫助用戶(hù)進(jìn)行模型評估，確保模型的可靠性。此外，JMP還在構建好模型之后，通過(guò)刻畫(huà)器，以可視方式幫助我們確定可行的操作架構和因子設定點(diǎn)，并通過(guò)模擬器，幫助用戶(hù)去設定實(shí)際工作的效果。
圖3：基于多個(gè)因子的預測客戶(hù)器 多個(gè)部件的可靠性研究 產(chǎn)品是由多個(gè)部件構成的，產(chǎn)品的部件越多，相互關(guān)系越復雜，產(chǎn)品的可靠性就愈加難以計算。JMP的可靠性框圖，以圖形化的方式，幫助用戶(hù)快速搭建復雜的產(chǎn)品結構，從而實(shí)現產(chǎn)品整體可靠性的分析建模。
圖4：使用可靠性框圖，進(jìn)行系統可靠性分析 從軍工到民用，可靠性設計大有可為 可靠性設計和可靠性分析對于軍工產(chǎn)品質(zhì)量有著(zhù)重要的影響，是關(guān)系到國防安全和國家戰略發(fā)展的大問(wèn)題。近年來(lái)，隨著(zhù)我國經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級，可靠性試驗不僅在航空航天等軍工行業(yè)有很大的戰略需求和產(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，可靠性設計和分析的市場(chǎng)空間和發(fā)展潛力巨大，可靠性設計大有可為。 來(lái)源：JMP |
