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干货分享|失效模型分析方法概述

失效是指产品丧失功能的状态,又可称为故障,利用失效模型可以用来分析和预测产品或系统失效的概率和失效形式,帮助研发单位理解故障产生的原因和机制,为故障诊断提供指导和支持,尽可能降低各项缺陷成本,指导设计和制造过程中的改进和优化。 在“十三五”数字诊疗专项指南中就提出失效模型,其有关技术主要包括失效树建模与分析,可靠性建模与预计技术,失效模式、影响及危害性分析(FMECA)、机械零部件、电子元器件失效模式与失效模型,失效分布模型与统计分析。通过失效模型分析可识别和评估产品在设计或制造过程中可能存在的缺陷模式及其影响,并能确定能消除或减少潜在失效发生的改善措施,从而防患于未然,为实现可靠性、质量和效益的目标提供了重要支持。因此,本文将与失效模型相关的技术进行汇总分享,与各位同行朋友学习交流,为在产品研发中进行失效模型分析提供参考。 失效树建模与分析   失效树建模与分析以不期望发生的产品故障事件或灾难性危险事件作为顶事件,通过由上到下严格按层次进行的故障因果逻辑分析,逐层找出故障事件的必要而充分的直接原因(又称底事件,包括硬件、软件、环境、人为等因素),画出失效树,最终找出导致顶事件发生的所有可能原因和原因组合,并利用每个底事件的基础失效率数据计算出顶事件发生概率和底事件的重要度。 失效树建模与分析特别适合用于诊疗装备整机及其核心部件的不期望发生的故障后果事件的分析,可将不期望发生的故障后果事件的因素全部找出来,为采取预防与补救措施提供参考,提高其安全有效性。 失效率建模与预计   失效率建模与预计是一个自下而上、由局部到整体的过程,利用下级组成已知的失效率通过失效模型推算出其上级产品的失效率,包含了定性的可靠性框图模型和定量的失效率计算数学模型。 失效率建模与预计特别适用于设计阶段评估该层次产品是否满足规定的失效率或分配的可靠性指标要求,为设计方案的对比论证、优选、优化提供参考。 失效模式、影响及危害性   失效模式、影响及危害性分析是分析产品所有可能的失效模式及其可能产生的影响,并按每一个失效模式产生影响的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法,包含了基本组成单元的失效模式、失效对上三个层级产品造成的影响、失效产生的定性危害或定量危害度,以对失效影响大、危害性大的失效单元及其对应的失效模式采取预防、补救及验证措施。 失效机理与失效物理模型   失效机理与失效物理模型可为研究产品的寿命,开展加速试验设计与实施,提供重要的帮助。失效模式是指产品失效的形式、形态及现象,是产品失效的外在宏观表现。失效机理是发生失效的元器件、材料,引起其失效的物理、化学或其他原因和过程,机械零部件和元器件的失效往往是因为发生了物理、化学反应而导致。 失效分布模型与统计分析   失效分布模型与统计分析是通过整合产品使用过程中的时间信息和故障信息进行拟合得到失效分布函数及其参数,并对选定的失效分布符合性进行确认,利用失效分布函数可预测出未来某时刻产品对应的累积失效概率,从而摸清产品的失效分布规律并进行可靠性预测,从而为分析产品历史使用数据和摸清产品的寿命分布规律提供手段。常用的失效分布模型有指数分布、威布尔分布、对数正态分布等模型。   科鉴检测实施案例   科鉴检测自 “十三五”以来,积极参与国家诊疗专项,支撑了国内大量诊疗专项可靠性提升和项目验收工作,为多家单位提供了项目全过程服务,在失效模型分析方面积累了众多的工程经验,培养形成了一支专业的技术团队,可为各项目研发单位提供高效、高品质的技术服务,下表是科鉴检测参与的失效模型分析方面部分项目。   只要存在失效的可能,当潜在失效损失最大化时将会发生实际失效,有效运用失效模型分析可强化事先预防!同时为企业技术开发、技术改造提供有效信息,从而获得更大的经济效益。
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科鉴检测经验分享|广东省重点领域研发计划项目技术就绪度评价方法与注意事项指引

自十三五以来,技术就绪度(TRL)评估工作成为了整个广东省重点领域研发计划项目的亮点,技术就绪度评价工作如能扎实开展,有助于解决我国当前普遍存在的科研成果转化和落地的难题。 科鉴检测已为国家和广东省多项重点领域研发计划项目提供了项目技术就绪度评价服务,还包括项目中期检查测试、项目结题验收测试,覆盖功能性能测试、环境试验、可靠性试验、软件测评、安全与电磁兼容测试等方面。下面就广东省重点领域研发计划项目技术就绪度评价方法与注意事项作详细解读。       技术就绪度评价要求和标准   根据广东省重点领域研发计划项目申报指南的要求,立项时项目技术就绪度应不低于3级,结题时项目技术就绪度应至少提升3级以上,即不低于6级。技术就绪度通用等级定义及评价标准如下表所示: 自十二五国家科技部主管单位在重大科学仪器专项推广技术就绪度评估工作以来,技术就绪度概论和评价方法已在项目中试点开展并逐步推广,帮助项目单位初步了解和应用了该工具方法。广东省科技厅紧跟国家科技部门步伐,在省重点研发计划项目中也推出了技术就绪度评价规范并逐步推广使用。 工信部电子五所(中国赛宝实验室)被广东省科技厅指定为重点研发计划项目技术就绪度评估的审查专家单位,进一步优化了评价细则,逐步形成了一套明确的把关尺度。按照项目交付成果类型,将项目关键技术/成果分为一般硬件、软件、平台服务等类别开展TRL等级评价。在开展TRL评价时,根据项目技术成果类型,选择恰当的TRL评价类型及细则,进行技术就绪度评价。 01 一般硬件 “一般硬件”类型包括了大部分工业领域产品研发任务。如高端电子信息、先进制造与自动化、新能源与新材料等领域的硬件产品研发,以及与具体硬件相关的技术研究,评价细则见附件一。 02 软件 “软件”类型包括了所有领域的产品研发任务,如人工智能技术与软件、 工业领域软件处理工具、移动互联网和大数据领域的公共服务等,以及与具体软件相关的技术研究,评价细则见附件二。 03 平台服务 “平台服务”类型包括所有领域的能力建设及服务任务,如实验室建设、基地建设、支撑平台服务、协同创新机构建设等,评价细则见附件三。       技术就绪度评价注意事项   技术就绪度的本质是要求按照产品开发流程开展研发工作,识别、管控和解决好关键技术元素,使项目技术就绪度等级达到目标要求。要达到预期的技术就绪度级别需要注意以下工作要点: (1)加强关键技术元素(对项目具有重大影响和技术风险的工作单元)的识别和管控,确保关键技术问题在规定的时间和经费目标内得到有效管控和解决,更好地解决国产化问题和卡脖子技术; (2)形成一套设计、工程化、产业化成果文件,使科研成果物更加产品化(包括产品技术规格书、设计方案、工程化图纸、生产制造评估分析、成套工艺文件、实物照片视频及重大应用场景、销售证据等); (3)通过第三方验收测试,出具报告作为验收的重要证据。通常地,应完成软件的功能性能测试、部件的功能性能测试/环境适应性验证、整机的功能性能测试/环境适应性验证/可靠性验证。 做好以上工作,技术就绪度就自然达到了。       技术就绪度评价过程中可能存在的问题   在开展审查前,科鉴检测为多个项目提供了技术就绪度评价辅导和所需证据的筹备(测试)和完善工作,保障了各项目顺利通过技术就绪度审查。科鉴检测根据已有的广东省重点领域研发计划项目的技术就绪度检查和验收经验,各项目承担单位在开展技术就绪度自评价的过程中可能会出现以下问题: 01 项目前期未组织进行系统梳理和统筹 当前绝大多数项目单位存在这个问题,主要是缺乏经验,不知道怎么梳理和统筹。在项目前期,根据任务书指标表和技术就绪度评价指引文件,项目牵头单位应组织梳理项目目标成果物并明确各课题单位提交的时间节点。在目标成果物梳理过程中,项目牵头单位应初步识别整个项目的关键技术元素,与各课题单位进行讨论和补充,最终确定项目关键技术元素。确定目标成果物清单时应高度关注关键技术元素对应的目标成果物,确保关键技术元素满足对应TRL等级要求,项目牵头单位应将最终确定的目标成果物清单分发到各课题进行确认,督促各课题按节点提交。只有这个环节管理好了,项目牵头单位才有工程化和产业化的文件基础,否则,牵头单位的成果物可能会一大片空白。 02 关键技术元素识别不准确和不充分 按照技术就绪度评价指引文件的要求,关键技术元素应设别为对项目具有重大影响和技术风险的工作单元。对于硬件产品,关键技术元素可以是核心部件;对于软件产品,关键技术元素可以是关键算法或软件模块;对于方法研究,关键技术元素可以是方法体系中的关键技术方法;对于平台服务,关键技术元素可以是重要设备、人员或场地的建立。关键技术元素识别不准确和不充分,可能导致遗漏的关键技术元素得不到充分管理和较好解决,成为卡住项目进度和达成项目目标的拦路虎。 03 未逐级评价,直接跨越到目标级别评价 典型常见的错误是结题验收前只针对目标级别的要求进行符合性说明。以“一般硬件”类评价细则举例,由于TRL6是针对产品正样(系统级)进行评价的,若只针对TRL6进行评价说明,会忽略TRL4关键功能试样/模块和TRL5产品初样(部件级)的工作,导致关键技术元素(核心部件)研制不力,造成项目延误或目标实现困难。正确的评价方式应该是逐级分析评价TRL4(关键功能试样/模块)、TRL5(部件级)、TRL6(系统级)。 04 佐证材料错误或缺失 出现这类问题的主要原因是项目单位对各技术就绪度等级的具体要求未理解透彻,导致提供了错误的证明材料或产生缺项。另一方面,部分由高校、科研院所牵头/参与的项目,对于各关键部件/技术的开发过程没办法做到像企业那么规范,在进行研发过程材料整理时也会出现证明材料错误或缺失的情况。 05 项目前期未组织进行系统梳理和统筹 图1 规范化的佐证材料归集         技术就绪度评价步骤   根据技术就绪度评价指引文件的要求,评价步骤如下表所示。完成评价后将该项目的“技术就绪度评价信息表”和逐级评价的佐证材料上传至“广东省科技业务管理阳光政务平台”,经过专业评价机构评审后给出最终的评审结论。       科鉴检测服务案例   科鉴检测目前已为国家和广东省多项重点领域研发计划项目提供了项目技术就绪度评价服务,积累了众多工程经验,如有相关需求可联系科鉴检测 文武(咨询电话:18819463201),部分项目清单如下表3所示:
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GJB/Z 299C与Telcordia SR-332元器件应力法对比

可靠性预计是估计产品在给定的工作条件下的可靠性而进行的工作,在产品尚无可靠性指标试验数据时,对产品给定工作或非工作条件下的可靠性参数进行估算。在可靠性预计方法中,元器件应力法考虑了设备使用时的应力条件,预计结果更接近实际情况。本文浅析了以GJB/Z 299C-2006为代表的军用标准和以Telcordia SR-332(后简称SR-332)为代表的商用标准中的元器件应力法。       可靠性预计标准概览 根据调研,列出了部分的可靠性预计标准,按类别可大致分为军用标准和商用标准,分别如表1、2所示。 表1 可靠性预计军用标准 军用标准对元器件分类以及各类别下的失效率预计模型和数据的介绍十分详细。 表2 可靠性预计商用标准 商用标准从便捷性的角度出发:在SR-332有关可靠性模型的描述中,主要针对基于基本可靠性模型的串联模型进行了介绍,对复杂系统的任务可靠性模型介绍较少。 本文以军用标准GJB/Z 299C-2006和商用标准Telcordia SR-332 Issue4 2016为代表进行分析。为了方便下文介绍,后文以基本可靠性模型为例。     元器件计数法和应力法的对比 GJB/Z 299C和SR-332预计标准均主要针对元器件应力法进行介绍。 元器件计数法一般用于产品研制阶段的早期,此时已进行了初步的设计,形成了产品的功能原理框图或草图,对产品所需的元器件种类和数量均有了一定的了解,但缺少产品的应力数据。此时应用元器件计数法,可对产品的基本可靠性有一个大概的预估。在GJB/Z 299C-2006中,简单介绍了元器件计数法的模型,见下式: 式中: λGS——总失效率,10-6/h; Ni——第i种元器件的数量; λGi——第i种元器件的通用失效率,10-6/h; πQi——第i种元器件的通用质量系数; n——设备所用元器件的种类数目。 由计数法计算模型可知,该方法仅考虑该电子设备所使用的所有元器件的通用失效率和通用质量系数,不涉及任何电子设备使用时所处的应力状态。 一般在产品研制的中后期,此时已具备详细的电路图纸,元器件清单及每个元器件所承受的应力等级数据,此时应用元器件应力法,将产品所受到的电应力、温度应力等因素考虑进预计模型,就更能够接近产品实际使用时的真实状况。在SR-332中,从元器件级、单元级到系统级,逐步计算出设备的总失效率: 1)当没有实验室数据或现场数据时,综合考虑质量、电应力和温度应力情况,进行元器件级的失效率计算: 式中: λSSi——第i种元器件应力法下的稳态失效率; σSSi——第i种元器件应力法下的失效率标准差; λGi——第i种元器件的平均通用稳态失效率; σGi——第i种元器件的通用稳态失效率标准差; πQi——第i种元器件的质量系数; πSi——第i种元器件的电应力系数; πTi——第i种元器件的温度应力系数。 2)对每个单元下的所有元器件失效率进行加合,进行单元级失效率计算: 式中: λPC——第j个单元的稳态失效率(平均值估计); σPC——第j个单元的失效率标准差; Ni——第i种元器件的数量; πE——环境应力系数。 3)综合每个单元级的失效率,进行系统级失效率计算: 式中: λSYS——系统级稳态失效率(平均值估计); σSYS——系统级失效率标准差(平均值估计); M——系统中的单元数。     GJB/Z 299C和SR-332元器件应力法的对比 目前可以接触到的GJB/Z 299C和SR-332标准分别发布于2006年和2016年。 ①可靠性模型选用的侧重点不同 在GJB/Z 299C的应力法介绍中,主要侧重于各类元器件的应力法模型,即如何得出在一定的环境应力条件下的元器件工作失效率,并没有规定可靠性建模的类别。体现了军用标准的严谨性。 在SR-332的应力法介绍中,主要介绍的是基本可靠性的串联模型,即系统总失效率是各单元失效率的总合,对于非串联模型的复杂系统的介绍较少。基于串联模型进行预计比较适合开发商业软件和推广,体现了商用标准的便捷性。 ②元器件的分类类别不同 GJB/Z 299C中,将元器件分为了22大类,大类之下又有很多小类,各类别之下均给出了失效率模型或失效率数据;SR-332中,仅分为了13类,多数能够通过查表直接得到元器件的失效率数值。 ③除失效率预计外,SR-332还重点关注了早期失效率 电子产品失效率随使用时间变化的规律基本服从浴盆曲线,如下图所示。 图1 SR-332浴盆曲线 SR-332根据浴盆曲线将电子产品的失效率分为三个阶段:早期寿命阶段、稳态阶段和耗损阶段。应力法主要针对的是稳态阶段的可靠性。在SR-332中,还重点提出了早期寿命因子(Early Life Factor)的概念,用来衡量早期寿命阶段失效率与稳态失效率的比值: 当πTπS≤1.14时,   否则 式中: πEL——早期寿命因子,即早期寿命阶段失效率和稳态失效率的比值; πT——温度应力系数; πS——电应力系数。 ④SR-332提出使用置信上限衡量单元级的工作失效率 SR-332中,着重强调了,失效率是统计学概念,不论是查表还是计算得到的失效率为平均失效率,必然存在对应的失效率标准差,标准差衡量了平均失效率的准确性,对预计结果有重要的参考作用。 SR-332提出,在计算系统级的失效率时,用平均失效率作为总失效率预计的依据因为没有考虑到不确定度和失效率在均值附近的波动,所有会忽略了失效率的统计性质。 在多数的可靠性预计工作中,失效率预计的结果往往偏低,为了使预计结果更保守,可以采取对失效率适度膨胀的方式——将单元级失效率标准差考虑在内,使用取失效率统计分布的置信水平上限作为求取总失效率的依据。置信水平取的越高,则失效率越高,预计的结果越保守。 下面对置信上限法进行介绍: 现已知平均失效率λ和失效率标准差σ,假设失效率数据符合gamma分布,那么次gamma分布的形状参数和尺度参数: 基于形状参数和尺度参数即可构造gamma分布概率密度函数。 取P%的置信上限对应的失效率值为最终的单元级失效率,即求P%置信水平下的反gamma分布值: 当尺度参数较大时(例如κ大于100时),也可以用反正态分布计算置信上限失效率: 算例介绍:现有4个单元级产品,仅由1种电阻组成,电阻个数分别为1、2、5、12,单个电阻的通用失效率、标准差、使用时的温度应力系数、电应力系数等如图2所示。 图2 单个电阻的失效率值和应力参数值 第一步:基于应力参数计算平均失效率和平均标准差: 第二步:计算gamma分布的尺度参数和形状参数: 第三步:计算90%置信水平下的反gamma分布对应的失效率: 观察4个系统置信上限失效率的结果,可以发现,相对于平均失效率均有一定程度上的膨胀,相对于平均失效率更为保守了。     小结 本文简要调研了目前可以接触到的可靠性预计标准,对以GJB/Z 299C为代表的军用标准和以SR-332为代表的商用标准中的元器件应力法进行了对比。 对比结果表明,GJB/Z 299C作为军用标准,对元器件的分类和失效率模型的介绍更为严谨;SR-332作为权威性的商用标准,其可靠性模型选择、元器件分类和通用失效率的选择相对于军用标准更简洁,同时提出融合平均失效率及其标准差,使用置信上限失效率的保守预计法,使预计结果更保守。
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