可靠性設(shè)計及其重要作用

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、元件的功能在時間上的穩(wěn)定性。可靠性工程是為了適應(yīng)產(chǎn)品的高可靠性要求而發(fā)展起來的新興學(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(shè)計研究、系統(tǒng)可靠性研究和可靠性試驗與研究三個分支研究方向。在這三個研究方向中，可靠性試驗和研究與工程應(yīng)用、與產(chǎn)品制造實際過程緊密結(jié)合，并且以做實驗為教學(xué)和工程基礎(chǔ)，通過設(shè)備進行產(chǎn)品試驗，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)實驗的良性正循環(huán)，并且不斷帶動可靠性工程的整體發(fā)展。
可靠性設(shè)計決定產(chǎn)品的“優(yōu)生”，可靠性設(shè)計是可靠性工程的最重要的階段。在產(chǎn)品設(shè)計階段，通過采用產(chǎn)品可靠性壽命試驗、加速壽命試驗等可靠性試驗設(shè)計，以產(chǎn)品實際使用試驗信息為基礎(chǔ)，進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，進而改善產(chǎn)品設(shè)計缺陷，以實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計能力的不斷提升，對于產(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)計工作中，適時、有效進行產(chǎn)品的可靠性設(shè)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(shè)計面臨的困境

當(dāng)前，我國軍品研發(fā)設(shè)計制造，即便在CAD/CAE技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用多年后，因為產(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)品可靠性試驗單一的檢測模式。例如在應(yīng)用CAE進行系統(tǒng)仿真方面，由于數(shù)據(jù)的缺乏，“仿真驅(qū)動研發(fā)”依然沒有滲透到產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計的前端，即概念設(shè)計、產(chǎn)品研發(fā)流程，而是更多的應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計后端的工程分析，極大地阻礙了我國產(chǎn)品可靠性設(shè)計的發(fā)展。

將信息化軟件工具應(yīng)用于設(shè)計，實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性設(shè)計，是未來的發(fā)展趨勢。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)工程實踐來看，產(chǎn)品可靠性設(shè)計缺乏數(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)品可靠性計算數(shù)據(jù)結(jié)果與實際情況不符。

由于缺少數(shù)據(jù)，當(dāng)前的可靠性設(shè)計更多的是進行定性研究，缺乏定量研究，難以進行具有針對性的設(shè)計改進。例如，在進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等軟件進行產(chǎn)品設(shè)計，建模，進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(dāng)前國內(nèi)缺乏相應(yīng)的PSN曲線供研究使用，從而制約了我國整體產(chǎn)品可靠性設(shè)計的發(fā)展。

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

進行可靠性實驗設(shè)計的數(shù)據(jù)的收集，需要進行可靠性實驗，一般而言，實驗次數(shù)越多，收集的數(shù)據(jù)越多，后續(xù)的分析建模就會愈加精準(zhǔn)。但從實踐操作來看，實驗次數(shù)的增加，意味著成本的增加，此外，產(chǎn)品實驗周期過長，產(chǎn)品質(zhì)量的因子的多樣性等等現(xiàn)實問題，也增加了我們對于實驗數(shù)據(jù)的收集和后續(xù)的分析的難度。如何解決這些問題，將是我們進行可靠性數(shù)據(jù)的收集和分析面臨的關(guān)鍵。

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

第一， 小樣本實驗數(shù)據(jù)問題。從理論上來說，準(zhǔn)確的正態(tài)分布參數(shù)統(tǒng)計需要50個樣本、多分布統(tǒng)計需要37個樣本，才能夠達到產(chǎn)品可靠性試驗的可信度。但在實際工程上，有時受到條件的制約，難以達到可信度樣本量。如何利用小樣本量進行可靠性分析，或者制定最為經(jīng)濟的樣本量的實驗設(shè)計方案，是我們進行數(shù)據(jù)收集面臨的首要問題。

第二， 不同來源數(shù)據(jù)的比較和融合。我們收集的數(shù)據(jù)往往來自不同的來源，例如為了彌補實驗室數(shù)據(jù)的不足，我們也將產(chǎn)品實際使用的數(shù)據(jù)融入到產(chǎn)品分析中來，。但由于不同來源的數(shù)據(jù)所處環(huán)境等因素的不同，如何進行數(shù)據(jù)比較、融入，也是我們在收集數(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)力和荷載等多個加速影響因子的綜合加速壽命實驗。如何去衡量和判斷多個影響因子的作用及其交互影響，是我們在數(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發(fā)展到多部件失效分析，從而實現(xiàn)產(chǎn)品整體的系統(tǒng)可靠性實驗分析，也是我們產(chǎn)品可靠性分析建模的關(guān)鍵和重點。

JMP，作為SAS（全球最大的統(tǒng)計學(xué)軟件公司）推出的一種交互式可視化統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)軟件系列，在SAS算法的基礎(chǔ)上，強調(diào)以統(tǒng)計方法的實際應(yīng)用為導(dǎo)向，交互性、可視化能力強，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，整合了產(chǎn)品可靠性分析的各項需求，實現(xiàn)了從可靠性實驗設(shè)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，為用戶進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驗設(shè)計和分析過程中的種種難題。

可靠性實驗設(shè)計

在進行可靠性實驗時，我們希望能夠使用更少的實驗樣本和實驗周期來獲得可信的實驗結(jié)果。在JMP的實驗設(shè)計平臺，我們可以根據(jù)實驗部件的壽命分布曲線，根據(jù)不同的實驗精度來制定樣本數(shù)量和實驗刪失時間，從而實現(xiàn)更為經(jīng)濟和快速的可靠性實驗設(shè)計。此外，JMP還提供加速壽命實驗設(shè)計，幫助用戶進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驗的方案設(shè)計。

圖1：可靠性實驗樣本數(shù)量和刪失時間的設(shè)計

不同種類數(shù)據(jù)的比較分析

在JMP的實驗設(shè)計平臺，我們可以根據(jù)不同的失效原因進行分析，也可以對于不同種類的樣本進行壽命比較。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，實現(xiàn)對于問題的快速定位。

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

無論是單一加速因子，還是多個加速因子對于產(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)測方差刻畫和 FDS 圖，幫助用戶進行模型評估，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，并通過模擬器，幫助用戶去設(shè)定實際工作的效果。

圖3：基于多個因子的預(yù)測客戶器

多個部件的可靠性研究

產(chǎn)品是由多個部件構(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，進行系統(tǒng)可靠性分析

從軍工到民用，可靠性設(shè)計大有可為

可靠性設(shè)計和可靠性分析對于軍工產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響，是關(guān)系到國防安全和國家戰(zhàn)略發(fā)展的大問題。近年來，隨著我國經(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(zhàn)略需求和產(chǎn)品市場發(fā)展空間，在一些民用市場，可靠性分析的需求也日益迫切，可靠性設(shè)計和分析的市場空間和發(fā)展?jié)摿薮螅煽啃栽O(shè)計大有可為。