可靠性仿真技术.pdf

电子产品可性与环境试验 1 9 9 9年第 1 期 l 9 可 靠 性 仿 真 技 术 陆胜勇(驻航 天总公司二院中心军事代表室)摘要：本文简要舟绍了可靠性仿真概念，基本方法和技术难点，并对其应用前景作 了初 步探 讨 关 键词：笪 壅丝垄 l 引 言 设 f，乡 1 7 可靠性(R e l i a b i l i t y)是 指“产 品在规定 的条件下和规定 的时 间内，完成规定功 能的 能力”，它是 与性 能 同样 重要 的产 品质 量特 性之一。有 资料 表明，我 国 自行研制和 生产 的航空、航天、机 电、电子等产 品性能 1 3 益 提高，但 由于同时增 加 了其复杂性 和高 技术 含量，产 品的 可 靠性 问题 也 日益 突 出。因 此，如何搞 好可靠性工作，成 为当前一 个迫 切需要解决 的问题。众所周 知，可靠性是设计特性，因此必 须在设计与研制时注入。从研制早 期抓 好可 靠性工作，是 提 高产 品 可靠 性 的有 效 途径。可靠性作为一 门系统工程科学，经 过半 个多 世纪 的发展 已经 形成 了较 为完整、健全 的体 系。传统的可靠 性设计、分析 与试 验方 法在 许多领域取得 了丰硕 的成果。荷 可靠性 仿真 作 为一 门新兴的可靠性技术正在兴 起，它必 将 为可靠性工作提供一种更强有 力的工具。2 可靠性仿真定义 9 f 2 1 仿真的基本概念|所谓 仿 真(S i n m1 q fi o n)，就是 用 模 型代 替实 际系统进行试验。按模型 的不 同，仿真 可分 为数学仿真，物理仿真，半 实物仿 真三 种。三种方法根据不 同的需要应用在 不同场 合或 阶段。仿真最初被应用于实际 系统进行试验 有 危险，花 费很大的领域，如航空、航 天、武 器 系统等；后来逐渐运用到虽然 可在 实际系 统上进行试验，但花费较大、耗 时较长、不 大方便的一些领域。如冶金、化工、电力 等。近十 年来，则 进 一 步 扩 大 到 制 造、交 通、环 境、生 态、生 物、社 会、经 济 等 领 域。随着仿真 技术、计算机技术、建模水平 的快速发展，仿 真在 国民经济 的众 多领 域，取得 了较好 的社会效益和经济效益。仿真 主要 用于研 究 系统方 案 的可行 性，调整 系统结构参数、提高 系统精 度、预澍 某 项 目前景等方 面。它与 实际系统 研究 法、解 析分析法 相 比，各 有特 点，见表 l。维普资讯 2 O 电子产品可矗性与环境试验 1 9 9 9年第 1 期 表 1 仿 真方 法、实际系统 法、解析 法对 比表 仿真技 术 实际系统 解析方法 只要 能 建 立 系统模 型，系统 尚未 建 立，则 不 可 有的 系统无法建立 解析模 可能性 能；有 的 自然 系统实验周 型，因此，不 可能利用解 就 能进 行 期太长，也不可能 析方 法 安全性 无危险 有危 险(人身、设备)无危 险 经 济性 花 费不多 费用很大 花费不多 耗 时性 中等 长 短 要做 很多 假设，因此有较 准确性 可 以傲到很 准确 十分准确 大误 差 方 便性 可 以傲到 十分方 便 受现 场限制，很不方便 方便 2 2 可靠性仿真定义 随着仿 真技 术的不断发展，仿真技术应 用到 了可靠 性研 究 上，形成 了可靠 性仿 真。针对可靠性 研究 的特点，可靠性仿真一般采 用数学仿真方法。所谓数学仿真就是用数学 模 型代替实 际系统在 计算 机上进行试验。与 其 它方法相 比，数学 仿真具有以下优点：(1)精度高。仿真计算机是数学仿真的 主要硬件设备，随着 仿真 机技术的发展，计 算机 运算精度 有了很大的提高，这保证 了试 验结 果的精确性。同时，数学仿真试验结 果 的逼真度和置信度，主要依赖于建立的数学 模型 的准确性。现 有的可靠性和仿真技术 已 经能较好地解决可靠性 建模这一问题。(2)对计算机要求较低。可靠性仿真不 要求实时仿真，因此在 一般的个 人微机、工 作站上就可 以进行，而不需 专仃的昂贵的仿 真机(小型机、巨型 机等)。这一点更有利 于可靠性仿真工作的开展。(3)难度较低。可靠性数学模型变为计 算机上运行的仿真模型，可以直接利用系统 数学模型中各 种坐 标 系及其 变换 关 系进 行，不必考虑因实物接入而带来 的各坐标系之间 的协 调转换，降低 了实 现仿真 的难度。(4)成本低。数学仿真 突出的优点之 一 就是 所有试验封 闭在计算机 上进 行，它不需 要实物 的参与，叉 可以进行 大量 的、重复 性 的试验，节省 了可靠性工程经 费的投入 可 靠 性仿真特 适用于可靠性统 计 试验。3 可靠性仿真基本方 法 对于 庞大、复杂的系统，其各分 系统、组合、元器件、零 件都 有不 同的失效类型和 故障模式，传统 的分 析方法研 究 十分 困 难。可靠性仿真则可 以较好地解决这 一问题。它 即可以应用于可靠 性设计 中，也 可以应 用于 可靠性试验 中；既可以应 用于 可靠性统计试 验，又 可以应用于 可靠性工程试 验；既 可以 先对各分 系统，如 电气、液压等重点分 系统 进行可靠性 仿真，进而依 据这些结果对全 系 统进行可靠性仿真；也可以直接对全系统进 行可靠 性仿 真，具 有广泛 的应用范 围。可靠 性仿真在不 同的研制 阶段也具有不 同的做法：在方 案论证阶段，利用 可靠性设 计手册提供 的可靠性预计数据和可靠性分配 数据进行仿真试 验，对系统作 出比较粗 略的 估计；在工程研制 阶段，就 可以利用有关 的 试验数 据进 行 仿 真 试验，通 过 修 改 实 际 系 维普资讯 电子产品可性与环境试验 1 9 9 9年第 1 蚺 2 l 统 可以提 高系统可靠性水平，通过对仿真 结果 的统计 分析，可以实现对系统可靠性精 确 的评估；在产品使用阶段，通过对发生故 障的复现、排除，实现对产品的改进设计。可靠性 仿真 一般 采取以下步骤：(1)建 立可靠性 数据库(R D B F)。广泛 收集可靠 性数据，对 数据 进行加 工、处 理，得 出各 分系统、及各 分系统内各 元器件、组 合、部件等的寿命分布类型和 可靠性参 数 值从而建立系统的可靠性数据库。(2)构造 故 障树(Y F A)。故 障 树 法是 可靠性 工程中最 常用、最有效 的一 种设计分 析方 法，它既可以进行定性分析，也可以进 一步 用于进行定 量分析。通过与故障模式 及 影响 分析法(F 硼认)的有机结 合，由工程 设计人员建立 系统、分系统故 障树 并邀请 有关 的可靠性工程人 员参 加审查，以保证故 障树 的逻辑关 系正确。(3)建立 可靠性 模 型(数学模 型)。利 用系统 的热设计、冗余设计、降额设计 以及 积累零 件、元器 件、部件、组 合和分系统 的 失效模式 由专业人 员建 立可靠性模型。(4)建 立可靠性仿真模型。根据可靠性 模型 的形式、计算 机类 型以及试验要求将 可 靠性模型转变适合 于计算机处理 的形式 即 可靠 性仿真模型，并 依据有关 参数进行仿真 模型 的验证，确定模 型的有效性(5)缩翻仿真程序。利 用仿真软件将可 靠性仿真模型输入计算 机，并对仿真 程序要 使用 的数组 定维、设置工作单元位置、输入 可靠 性仿真参 数、初 始条 件、规定输 出打印 间隔、打印数据和绘 图比例尺等。(6)可靠性仿真试验。依据仿真目的，在可靠性仿真 模型 上进 行大 量的仿 真试 验。仿真不同于一般的科学计算，它要求体现出 在模型 上进 行试验”这 个含义，也就是 在 仿真诸验时，工程技术人 员就像在真实系统 上进行试 验那 样可 以观察 系统 的动 态过 程，适时地改变系统的初始条件和有关参 数，甚 至结 构模 型，实现 人机 交互功能。(7)可靠性仿真结果分析 与评定。对于 复 杂 的 随 机 过 程 一 般 采 用 蒙 特 卡 洛 法(M o n t e C a d o)等统 计 方 法，通 过 选 择 不 同 的随机初始条件和 随机输人 函数，对 可靠 性 仿真 系统进行 大量 的统计计算 并得 出系统 变量的统 计特性。4 可靠性仿真技术难 点 可靠性仿 真 中两 个 比较重 要的 环节 为：是数学模型是否反映真实 系统 即数学模型 的验证；二是校 证仿真模型是否正确地实现 了数学模型，即仿真模型 的校验，只有 当数 学模型和仿真模型都得到 了验证，可靠性仿 真才是可信 的。4 1 建立可靠性仿真模型 建立可靠性仿真模型 需要可靠性工程专 业技 术人 员 和 仿真 专 业技 术 人 员 的密 切 配 合。在可靠性分析模 型基 础上，将分析程序 与相应 的可靠性仿真程序相连接，并将可靠 性分析模型中的一些参数用随机变量描述。对于模 型 中的参 数，有 的可以直 接从 有 关手册 中查得，有的则 要通 过试验求得。对 于随机变量的分布参数，有的可 以直接根 据 工程判断认可使用有的应安捧一些试验验 证后使用，还有的须经有关数据变换后才能 使用。工程研制部门应及 时提供可靠性仿真 必需 的有关试验参数，以切实保证可靠性仿 真模 型的需要。4 2 可靠性仿真模型确认 为确保可靠性仿真结构与实际产品试验 结果接近，在建立 可靠性仿真模型之后，要 进行如下工作：维普资讯 2 2 电子产品可性与环境试验 1 9 9 9 年第 i 期(I)模型校验主要 验证仿 真模 型与理 论模型是否相符台；(2)程序 校验在计算机上运行可靠性 仿真 程序，通 过 试 算等 手 段 对 程序 进 行 测 试；(3)模型 验证将 仿真试验结果与真 实 试 验结 果相 对 比，对可靠性仿真模型作部分 修改，逐步完 善模 型；(4)模 型确认 用经 过 验 证 后 的 仿真 模 型进 行 仿真 试 验，并将仿真试验结 果与 有关 的试验数 据进 行对比分析，在此基础上可邀请各方面专家 对仿真模型 予以确认。经 过确认 的模 型认为 是 可信 的模 型，在 此模 型上进行 大量 的仿真 试 验 同时给 出可靠性仿真 结果。正确 建立 可靠 性仿真模 型和 可靠性仿 真 模型的验证确认，是可靠性仿真成败的关 键，也是顺利完成仿真试验，得 出令人信服 的结果 的保 证。5 可靠性仿 真应用前景 5 I 可靠性仿真特点(1)提高可靠 性。可靠性仿真能够处理 各种可靠性问题，并且较全面地激发故障和 失效，以便找出髟响可靠性的薄弱环节。在 研制阶段就可以较早地发现故 障和失效，及 早发现，及早纠正，正是提高可靠性的最有 效的途径。(2)节 省 可靠 性 投 入。对 于 复 杂 的 系 统，用硬件直接进行 试验，费用很大。而采 用可靠性仿真，可 重复进行试验。只要仿 真的模型和原始数据准确，对系统作一次可 靠性仿 真试 验，就相当于一次实弹打靶。这 样 的仿真试验几周 内就可 以进行上千次，节 省了大 量的人力、物力和财力，也保证 了研 制周期。(3)有效性强。对于导弹等复 杂的武器 系统，它的寿命分布类型较多，用一般的解 析方法估计其可靠性参数值，常与实际值有 较大 的差距，引起整个系统可靠性分析的误 差，而可靠性仿真则要准确可靠得多。(4)应用范围广。传统分析方法一般只 能处理具有成败型和指数分布类型的系统或 设 备，如果 再加上正态分布、对数正态分布 和威布尔分布 以及其它复杂的分布类型，解 析方 法就无法解决。而仿真可 以处理上述所 有的分布类型，大大增强了处理复杂系统和 较多寿命分布类型系统的能力。(5)通用性好。可靠性仿真过程 中建立 的数 据 库、可靠 性 仿真 模 型、计 算 机 系 统(包括 硬 件 和 软件)通 过 局 部 修 改、调整，可以应 用到 不同型号的可靠性研究 中，更有 利于可靠性工作的开展。5 2 可 靠性仿真技 术应 用前 景 可靠性仿真 应用 于 电子、机 械 等可 靠研 究，对提高产品可靠 性起 到了明显 的效果，它 还具 有经 济性好、应 用范围 广、通用 性好、难 度小、直观、保密等优点，对仿真计算机的要 求也 不高。因此，我们有理 由相 信，可靠性仿 真作为仿真技术在可靠性领域 的研究成果，作为一种全新 的、有效的可靠性 研究方法，它 必将 在有关产 品研 制生产 的可靠性 工程 中取 得更大的应用和更好的效果。参考文献 1 国家军用标准 C I B 4 5 1 9 0 可靠性维售性术语)2 扬为民可括性 维肇性、保障性总论国防工 业 出版 杜，1 9 9 5 3 陆孝廷、酃暗洲 可靠性设 计与分析国防工业 出版杜 1 9 9 5 4 熊光楞、彭毅先进仿真技术与仿真环境国防 工业 出糖牡 1 9 9 7 维普资讯