Основы теории надежности электронных средств

Конспект лекций по дисциплине Основы теории надежности электронных средств Раздел 1. Основы теории надежности электронных средств Тема 1.1. Основные понятия теории надежности В настоящее время теория надежности является одной из фундаментальных научных дисциплин, математический аппарат которой составляют теория вероятностей и математическая статистика. Для более глубокого понимания вопроса рассмотрим несколько существующих определений теории надежности. Теория надежности изучает процессы возникновения отказов объектов в различные моменты времени и способы борьбы с этими отказами. С целью единого понимания сути теории надежности разработана система стандартов «Надежность в технике» (ССНТ), которая обозначается как ГОСТ 27. В настоящее время ГОСТ 27. является межгосударственной, региональной системой стандартов стран СНГ. Система обеспечить стандартов «Надежность эффективность в технике» организационных, предназначена конструкционных, технологических и эксплуатационных мероприятий, направленных на достижение оптимального уровня надежности объектов, а также объективность и сопоставимость результатов контроля и испытаний на надежность. В систему стандартов «Надежность в технике» входят технические и организационно-методические стандарты, объекты стандартизации которых относятся к классификационным группам, указанным в табл. 1. Таблица 1 – Классификационные группы системы стандартов «Надежность в технике» Код группы Классификация группы объектов стандартизации Общие вопросы надежности 1 Нормирование надежности 2 Методы расчета надежности 2 3 Методы обеспечения надежности 4 Испытания и контроль надежности 5 Сбор и обработка информации по надежности 6–9 Резерв Стандарты в системе «Надежность в технике» обозначаются: ГОСТ 27. – Система стандартов «Надежность в технике»; ГОСТ 27.Х – код группы по табл. 4; ГОСТ 27.ХХХ – порядковый номер в данной кодовой группе; ГОСТ 27.ХХХ-ХХ – год утверждения стандарта (через тире). Например, ГОСТ 27.003–90 Здесь ГОСТ 27. – ССНТ; 0 – код группы – общие вопросы надежности; 03 – порядковый номер стандарта в кодовой группе. Состав и общие правила задания требований по надежности; 90 – год утверждения стандарта. Основные термины определения надежности техники установлены ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» [4]. Согласно ГОСТ 27.002-89 надежность – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Под объектом здесь понимается предмет определенного целевого назначения, рассматриваемый на этапе разработки требований, проектирования, производства, эксплуатации, исследований и испытаний на надежность. 3 В основе понятий теории надежности лежит представление о различных состояниях объектов в различные моменты времени. Различают пять основных видов технического состояния объектов. Исправное соответствует состояние. всем Состояние требованиям объекта, при котором нормативно-технической и он (или) конструкторской (проектной) документации. Неисправное состояние. Состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Работоспособное состояние. Состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Неработоспособное состояние. Состояние объекта, при котором значения хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативнотехнической и (или) конструкторской (проектной) документации. Предельное дальнейшая состояние. эксплуатация восстановление его Состояние недопустима работоспособного объекта, или при котором нецелесообразна, состояния невозможно его либо или нецелесообразно. Переход объекта (изделия) из одного вышестоящего технического состояния в нижестоящее обычно происходит вследствие таких событий как отказы или повреждения. Повреждение - событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния. Отказ – это событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. 4 Сбой – самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора. Тема 1.2. Показатели надежности электронных средств. Надежность – это сложное понятие, включающее в себя характеристики совокупности свойств, определяющих пригодность объекта к нормальной эксплуатации. К их числу относятся такие свойства, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость (рис. 1). Рисунок 1 – Свойства надежности объекта Для количественной оценки надежности объекта применяются количественные показатели оценки отдельных его свойств: Безотказность – это свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени. Показатели безотказности - вероятность безотказной работы, вероятность отказа за заданное время, средняя наработка до отказа, гамма-процентная нароботка до отказа, интенсивность отказов, средняя наработка на отказ, параметр потока отказов. Долговечность – это свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Количественные показатели долговечности восстанавливаемых изделий делятся на 2 группы. Показатели, связанные со сроком службы изделия: - срок службы — календарная продолжительность эксплуатации от начала эксплуатации объекта или ее возобновление после ремонта до перехода в предельное состояние; 5 - средний срок службы — математическое ожидание срока службы; - срок службы до первого капитального ремонта агрегата или узла – это продолжительность эксплуатации до ремонта, выполняемого для восстановления исправности и полного или близкого к полному восстановления ресурса изделия с заменой или восстановлением любых его частей, включая базовые; - срок службы между капитальными ремонтами, зависящий преимущественно от качества ремонта, т.е. от того, в какой степени восстановлен их ресурс; - суммарный срок службы – это календарная продолжительность работы технической системы от начала эксплуатации до выбраковки с учетом времени работы после ремонта; - гамма-процентный срок службы — календарная продолжительность эксплуатации, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью , выраженной в процентах. Показатели долговечности, выраженные в календарном времени работы, позволяют непосредственно использовать их в планировании сроков организации ремонтов, поставки запасных частей, сроков замены оборудования. Недостаток этих показателей заключается в том, что они не позволяют учитывать интенсивность использования оборудования. Показатели, связанные с ресурсом изделия: - ресурс — суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновление после ремонта до перехода в предельное состояние. - средний ресурс — математическое ожидание ресурса; для технических систем в качестве критерия долговечности используют технический ресурс; - назначенный ресурс – суммарная наработка, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния; - гамма-процентный ресурс — суммарная наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью , выраженной в процентах. Единицы для измерения ресурса выбирают применительно к каждой отрасли и к каждому классу машин, агрегатов и конструкций отдельно. В качестве меры продолжительности эксплуатации может быть выбран любой неубывающий параметр, характеризующий продолжительность эксплуатации объекта (для самолетов и авиационных двигателей естественной мерой ресурса служит налет в часах, для автомобилей – пробег 6 в километрах, для прокатных станов – масса прокатанного металл в тоннах. Если наработку измерять числом производственных циклов, то ресурс будет принимать дискретные значения. Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособлении к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта. Показатели ремонтопригодности – вероятность восстановления за заданное время и среднее время восстановления, гамма-процентное время восстановления, средние затраты на восстановление РЭУ. Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции в течение и после хранения и (или) транспортирования. Показатели сохраняемости – средний срок сохраняемости изделия и гаммапроцентный срок сохраняемости, минимальный срок сахроняемости, средний срок хранения изделия, гамма-процентный срок хранения, минимальный срок хранения изделия. Каждое из указанных выше свойств объекта (безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость), которые в целом характеризуют его надежность, определяются соответствующими показателями надежности по определенным планам наблюдения. Для объектов разного назначения и устройства применяются различные показатели надежности. Можно выделить четыре группы объектов, различающиеся показателями и методами оценки надежности:  неремонтируемые объекты, применяемые до первого отказа;  ремонтируемые объекты, восстановление которых возможно;  ремонтируемые объекты, восстановление которых в процессе применения невозможно (невосстанавливаемые объекты);  ремонтируемые восстанавливаемые в процессе применения объекты, для которых недопустимы перерывы в работе; 7  ремонтируемые восстанавливаемые в процессе применения объекта, для которых допустимы кратковременные перерывы в работе. Классификация объектов по показателям и методам оценки надежности приведена на рис 2. Показатели надежности подразделяются на составляющие свойства надежности для невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов (табл. 2). Объекты Неремонтируемые Ремонтируемые Невосстанавливаемые Восстанавливаемые Не допустимы перерывы в работе Допустимы перерывы в работе Рисунок 2 – Группы объектов, различающиеся показателями надежности Таблица 2 – Составляющие надежности для невосстанавливаемых и восстанавливаемых объектов Свойство объекта Показатели надежности для объектов невосстанавливаемых Безотказность восстанавливаемых Р(t) – вероятность безотказной работы Тср – средняя наработка То – наработка на отказ до отказа λ(t) – интенсивность отказов w – параметр потока отказов 8 Долговечность Ремонтопригодность совпадают с показателями безотказности Тр – средний ресурс - Тв – среднее время восстановления Тсл – средний срок службы  -гамма-процентное время восстановления GВ - средние затраты на восстановление РЭУ  ( З ) -вероятность восстановления за заданное время Сохраняемость Тс – средний срок сохраняемости Тх – назначенный срок хранения Безотказность и ремонтопригодность (комплексные показатели) - kг – коэфф. готовности kти – коэфф. тех. использования kог – коэфф. оперативной готовности Испытания на надежность – это определение показателей надежности объекта на основании непрерывного наблюдения за состоянием его работоспособности в условиях, предписанных методикой испытаний. Испытания на надежность являются обязательным видом испытаний при изготовлении изделий и при приемке их от заводов-изготовителей. Испытания на надежность могут дать объективную информацию о надежности объекта с учетом комплексного влияния всех действующих при его работе факторов. Вместе с тем испытания на надежность обладают и отрицательными сторонами: 1) они требуют больших затрат времени и средств. Кроме того, в процессе испытаний расходуется значительная часть ресурса изделия; 2) результаты испытаний на надежность часто обращены в прошлое: об изделиях, которые успешно выдержали испытания, можно сказать, что они 9 до испытаний обладали такой-то надежностью и это подтверждено испытаниями. Чтобы перенести выводы по результатам испытаний на надежность на период эксплуатации, необходимо выполнение ряда условий. Прежде всего необходима стабильность технологического процесса изготовления изделий, обеспечивающая устойчивость показателей надежности. Если все изделия, изготавливаемые по определенной технической документации, обладают одинаковой надежностью, то для определения показателей надежности большой совокупности изделия достаточно испытать некоторую выборку изделий из этой генеральной совокупности. Этот способ применим для изделий массового производства. Для объектов мелкосерийного и особенно индивидуального производства возникают серьезные затруднения. Пути их преодоления различны и зависят от конкретных условия производства и особенностей изделий. К таким путям относятся: - обеспечение устойчивости показателей надежности объектов на значительном интервале времени, с тем, чтобы после проведения испытаний на надежность оставался необходимый интервал времени, на котором сохраняется обнаруженная при испытаниях надежность изделия; - сочетание натурных испытаний с расчетом и моделированием. По целевой направленности испытания на надежность подразделяются на определительные, контрольные и специальные. Определительные испытания – испытания, в результате которых определяются количественные показатели надежности, как точечные (средняя наработка до отказа), так и интервальные (среднеквадратическое отклонение времени работы до отказа относительно среднего значения). Контрольные испытания на надежность – испытания, в результате которых контролируемые изделия по некоторым признакам и с заданным риском относятся либо к категории годных, либо к категории негодных по уровню своей надежности. Такими признаками могут быть: отсутствие 10 отказов на заданном интервале времени; число отказов в случайный момент времени и т.п. Специальные испытания на надежность – испытания, предназначенные для исследования некоторых явлений, связанных с оценкой надежности (определение долговечности, анализ влияния отдельных факторов на показатели надежности и т.д.). Чтобы испытания на надежность были менее трудоемкими и менее дорогостоящими, применяют специальные приемы: 1) ускорение испытаний путем использования таких режимов, которые приводят к ускорению процесса возникновения отказов; 2) прогнозирование отказов по изменению тех или иных параметров объекта; 3) использование испытуемого изделия, предварительной а также информации принципа о накопления надежности информации, полученной из различных источников. На практике используют семь основных планов наблюдений, обозначенных индексами: /N, U, N/; /N, U, r/; /N, U, T/; /N, R, r/; /N, R, T/; /N, M, r/; /N, M, T/. Здесь N – число наблюдаемых объектов; T – установленная наработка или календарная продолжительность наблюдений; r – число отказов. Буквы U, R, M в обозначениях планов наблюдений указывают степень и характер восстановления объектов в процессе наблюдения: U – невосстанавливаемые и незаменяемые в случае отказа; R – невосстанавливаемые, но заменяемые в случае отказа; M – восстанавливаемые в случае отказа. Прочитаем, для примера, некоторые из них: 11 /N, U, N/ – под наблюдение поставлено N объектов, наблюдения ведутся до отказа всех объектов или достижения ими предельного состояния. Отказавшие объекты не восстанавливаются и не заменяются новыми; /N, R, r/ – под наблюдение поставлено N объектов, наблюдения ведутся до возникновения r отказов или предельных состояний. Отказавшие объекты не восстанавливаются, но заменяются новыми; /N, M, T/ – Под наблюдение поставлено N объектов, наблюдение ведется в течение времени T. Отказавшие объекты в случае отказа восстанавливаются. 12 Раздел 2. Законы распределения случайных величин в моделировании показателей надежности электронных средств Тема 2.1. Распределение Вейбулла. Экспоненциальное распределение. В основе большинства процессов, ведущих к возникновению отказов ЭС, лежат общие закономерности. Поэтому распределения случайных величин, описывающие реальные процессы возникновения отказов в ЭС, можно приближенно заменять какими-либо известными в теории вероятностей распределениями. В теории надежности наибольшее распространение получили следующие законы распределения случайных величин: биномиальный закон и распределение Пуассона – для дискретных случайных величин; экспоненциальный и нормальный законы, закон Вейбулла, гамма- распределение и распределение Релея – для непрерывных случайных величин. Закон распределения Вейбулла используется при описании сроков службы подшипников, электронных ламп, усталостной прочности, а также характеристик долговечности механических систем. Функция надѐжности при законе распределения Вейбулла описывается соотношением: t P(t )   e λ(t ) dt  e  λt δ . Плотность распределения закона Вейбулла равна: f (t )  λδt δ-1  e λt δ . Интенсивность отказов определяется по выражению: λ(t )  λδt δ1 . Графики изменения показателей надѐжности при законе распределения Вейбулла приведены на рисунке 5 13 Рисунок 5 - Графики изменения показателей надѐжности при законе распределения Вейбулла Экспоненциальный закон в теории надѐжности нашел широкое применение, так как он прост для практического использования. Почти все задачи, решаемые экспоненциального в теории закона надѐжности, оказываются намного при использовании проще, чем при использовании других законов распределения. Основная причина такого упрощения состоит в том, что при экспоненциальном законе вероятность безотказной работы зависит только от длительности интервала и не зависит от времени предшествующей работы. Функция надѐжности при экспоненциальном законе закона описывается соотношением: Pt   e  λt , Плотность распределения: f t   λ e  λ t . Интенсивность отказов:  (t )  const Графики изменения показателей надѐжности при экспоненциальном распределении приведены на рисунке 3. Экспоненциальное распределение описывает наработку на отказ тех объектов, у которых в результате сдаточных испытаний (выходного контроля) отсутствует период приработки, а назначенный ресурс установлен до окончания периода нормальной эксплуатации. 14 λ(t) f(t) P(t) λ(t) 1 T0 P(t) f(t) t Рисунок 3 - Графики изменения показателей надѐжности при экспоненциальном законе Тема 2.2. Биномиальный закон распределения. Нормальное распределение (Гаусса). Биномиальный закон распределения справедлив в тех случаях, когда ставится вопрос: сколько раз происходит некоторое событие в серии из определенного числа независимых наблюдений (опытов), выполняемых в одинаковых условиях. Для удобства и наглядности будем полагать, что нам известна величина p – вероятность того, что вошедший в магазин посетитель окажется покупателем и (1– p) = q – вероятность того, что вошедший в магазин посетитель не окажется покупателем. Если X – число покупателей из общего числа n посетителей, то вероятность того, что среди n посетителей оказалось k покупателей равна P(X= k) = , где k=0,1,…n Эту формулу называют формулой Бернулли. При большом числе испытаний биномиальное распределение стремиться к нормальному закону распределения. 15 Нормальный закон распределения используется при отказах вследствие износа и старения элементов, и при отказах вследствие влияния большого числа факторов, равнозначных по влиянию. Функция надѐжности при нормальном законе закона описывается соотношением:  ( t  mt )2   2σt2   1 P(t )  1  e   2π  σt 0 t dt где mt, δt – соответственно математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение случайной величины х. Графики изменения показателей надѐжности при нормальном распределении приведены на рисунке 4 (для случая δt<< mt, характерного для элементов, используемых в системах автоматического управления). Рисунок 4 - Графики изменения показателей надѐжности при нормальном законе Плотность распределения: t f ( x)  1 e 2π  σ x 0  ( x  mx )2    2σ 2x   dx . Интенсивность отказов: λ(t )  f (t ) . P(t ) 16 Тема 2.3. Распределение Пуассона. Распределение Пуассона играет важную роль в теории надежности, оно достаточно хорошо описывает закономерность появления случайных отказов в системах разной степени сложности. Этот закон распределения нашел широкое применение при определении вероятности появления и восстановления отказов. Случайная величина X распределена по закону Пуассона в случае, если вероятность того, что эта величина примет определенное значение, выражается формулой где λ – параметр распределения (некоторая положительная величина); m! обозначает факториал числа т = 0, 1, 2,...,е = 2,71828 – основание натурального логарифма. Математическое ожидание и дисперсия случайной величины X для закона Пуассона равны параметру распределения λ: Пример. В мастерскую по обслуживанию и ремонту телевизоров от населения поступают заявки со средней плотностью 5 шт. за рабочую смену, продолжительность которой составляет 10 ч. В предположении, что число заявок на любом временном отрезке распределено по закону Пуассона, найти вероятность того, что за 2 ч рабочей смены в мастерскую поступят две заявки. Решение. Среднее число заявок за 2 ч равно λ = 2 • 5/10 = 1. Применив формулу (4.1), вычислим вероятность поступления двух заявок Ответ: 0,184. 17 Раздел 3. Методики расчета надежности электронных средств Тема 3.1. Классификация методов расчета. Расчеты надежности имеют своей целью получение количественных значений показателей надежности исследуемого объекта. Эти расчеты стали обязательным элементом на всех этапах разработки, создания и использования технических систем. На этапе эскизного проектирования расчет надежности производится с целью прогнозирования ожидаемых показателей надежности. На этапе технического проектирования результаты расчетов надежности используются для обоснования выбора технических средств, входящих в систему, а также для выбора способов резервирования, контроля и диагностики, обоснования структуры системы, требований к надежности комплектующих элементов и программному обеспечению. На этапе испытаний системы расчеты надежности проводятся с целью определения соответствия показателей надежности испытуемой системы заданным требованиям. На этапе эксплуатации системы расчеты надежности используются для выбора и обоснования состава и объема запасных изделий взамен отказавших, а также для обоснованного планирования профилактического обслуживания. При анализе надежности системы основную трудность представляет составление структурной схемы расчета и аналитических (расчетных) формул. Если они имеются (например, взяты из справочника), то расчет не представляет затруднений и получает преимущества перед другими способами исследования надежности. Существующие в настоящее время расчетные формулы получены при большом числе ограничений (допущений). Наиболее часто такими ограничениями являются: 18  обязательность экспоненциального распределения времени до отказа;  объекта и времени восстановления его работоспособности;  исследуемые процессы – марковские, исследуемые потоки событий – простейшие; (Марковский процесс - это процесс, у которого для каждого момента времени вероятность любого состояния объекта в будущем зависит только от состояния объекта в данный момент и не зависит от того, каким образом объект пришел в это состояние);  при расчетах учитываются только средние значения показателей надежности. На практике зависимость интенсивности отказов (λ) от продолжительности эксплуатации (t), характерная для ЭС соответствует показанной на рисунке 2. На ней можно, как правило, различить три периода (зависимость а). λ 1 2 3 а б t Рисунок 2 – Зависимость интенсивности отказов (λ) от продолжительности эксплуатации (t) Первый, начальный период характерен тем, что здесь проявляются так называемые приработочные отказы, интенсивность которых со временем снижается. Повышенная интенсивность отказов в этот период объясняется возможным наличием скрытых производственных дефектов и приработкой деталей. Этот период присущ лишь сложным образцам ЭС, собранных из комплектующих изделий и частей, изготовленных на разных предприятиях, 19 при условии незначительных отклонений от технологического процесса, превышении допустимых величин внешних воздействующих факторов и др. Второй период соответствует нормальной эксплуатации машины. Для этого периода характерен примерно постоянный уровень интенсивности отказов. Отказы первого и второго периодов возникают внезапно. Для изделий, изготовленных на предприятиях с функционирующей сертифицированной системой качества, выпускаемых в строгом соответствии с существующими технологическими процессами, при использовании качественных материалов и комплектующих, первый и второй периоды эксплуатации между собой существенно не отличаются (зависимость б), поэтому стремление разработчиков и изготовителей изделий должно быть направлено на соблюдение этой зависимости. Как правило, реальная зависимость находится между линиями (а) и (б). Третий период характеризуется нарастанием интенсивности отказов. Это связано с износом изделий и старением материалов. В этом периоде, наряду с внезапными отказами, все в большей степени появляются характерные постепенные, износные отказы. Но при правильной и умелой эксплуатации изделия можно отдалить наступление третьего периода. Путем своевременной профилактической замены близких к предельному состоянию деталей и узлов можно предотвратить их отказы в изделии в процессе их эксплуатации и тем самым исключить или свести к минимуму связанные с появлением отказов вредные последствия. При этом, систематическое выявление и изучение причин отказов позволяет устранить эти причины и тем самым повысить надежность объектов. То есть систематический, хорошо организованный сбор и изучение информации об отказах, анализ их физической природы, обнаружение и устранение их скрытых внутренних причин является реальной возможностью повышения надежности объектов. Тема 3.2. Расчет надежности по внезапным отказам при последовательном соединении элементов 20 Сложные системы состоят из более простых объектов (элементов). В зависимости от характера влияния надежности элементов на надежность системы в целом различают два типа соединений элементов – основное (последовательное) и параллельное. Под последовательным соединением, с точки зрения надежности, понимают такое, при котором отказ любого элемента приводит к отказу системы в целом. Под параллельным соединением понимают такое, при котором отказ системы наступает только при отказе всех ее элементов (отказ не наступает, если работоспособен хотя бы один элемент). Пусть система состоит из n элементов, каждый из которых имеет определенные характеристики надежности Pi(t), Qi(t), λi(t). Если аналогичные показатели надежности системы обозначить соответственно через P(t), Q(t), λ(t), то можно получить следующие расчетные зависимости для последовательного и параллельного соединений элементов. Для последовательного соединения элементов. 1. Из определения последовательного соединения элементов следует, что вероятность безотказной работы: n P(t )  P1 (t )  P2 (t )  ...  Pn (t )   Pi (t ) . i 1 2. Вероятность отказа системы равна: n n i 1 i 1 Q(t )  1  P(t )  1   Pi (t )  1  1  Qi (t )  3. Интенсивность отказов системы найдем из соотношения: t P(t )  e   λ( t ) dt n   Pi (t )  e t  n    λi ( t )  dt   0  i 1  , i 1 откуда n λ(t )   λ i (t ) . i 1 В случае постоянной интенсивности отказов [λ(t)=λ=const]: 21 n P(t )  e λt   Pi (t )  e  n   λ( t ) t    i 1   , i 1 откуда n λ   λi . i1 Для параллельного соединения элементов. 1. Из определения параллельного соединения элементов вероятность отказа системы равна: n Q(t )  Q1 (t )  Q2 (t )  ...  Qn (t )   Qi (t ) i 1 2. Вероятность безотказной системы равна: n n i 1 i 1 P(t )  1   Qi (t )  1  1  Pi (t )  1  (λt )n . Допустим, что все элементы одинаковы, находятся в одинаковых условиях эксплуатации и λt(t)=λ0=const. Тогда: Q(t )  (1  e λ0t )n ; P(t )  1  (1  e λ0t )n ; d Q(t ) f (t ) dt λ(t )    P(t ) P(t ) (1  e λ0t ) n  n(1  e λ0t ) n1    e λ0t   .  λ 0t n P(t ) 1  (1  e ) Эти выражения позволяют сделать вывод о том, что при параллельном соединении элементов надежность системы выше, чем надежность составляющих ее элементов. Пример: система состоит из n параллельно соединенных равнонадежных подсистем, вероятность безотказной работы каждой из которых P(t)=e-λt=0,9. Определить потребную кратность резервирования, чтобы вероятность безотказной работы системы была не ниже P0=0,99. Решение: 22 При параллельном соединении элементов P0 (t )  1  1  Pi (t ) . n Подставляем данные: 1-[1-0,9]n≥0,99. 1-0,1n≥0,99 или 0,01≥0,1n Откуда n≥log0,1(0,01), т.е. n≥ ln(0,01/0,1), т.е. n≥2. При параллельном соединении элементов повышается безотказность системы и сохраняется работоспособность системы при отказе отдельных элементов. Эта возможность реализуется при резервировании. Тема 3.3. Прикидочный и ориентировочный расчеты надежности. Существуют ремонтопригодности методы РЭУ расчета различаются показателей степенью безотказности точности и учета электрического режима, условий работы, конструкторско-технологических, функциональных и других особенностей элементов, входящих в состав устройства. Расчеты подразделяются на предварительные (приближенные и ориентировочные) и окончательные. В этом случае учет электрического режима, температуры, других параметров окружающей среды и факторов влияющих на эксплуатационную безотказность элементов, выполняется приближенно с помощью обобщенного эксплуатационного коэффициента КЭ.ОБ. Значение этого коэффициента зависит от вида РЭУ и условий его эксплуатации. Приближенный и ориентировочный расчеты подразумевают ряд следующих допущений:  учитываются только внезапные отказы;  справедлив применяемый экспоненциальный закон распределения времени работы элементов до отказа, т.к. он характерен для сложных систем, состоящих из разнородных элементов с различными интенсивностями отказов; 23  отказы элементов случайны и независимы;  элементы аппаратуры, с точки зрения надежности, соединены последовательно, т.е. отказ одного элемента приводит к отказу всего ФУ;  все однотипные элементы равнонадежны, т.е. независимо от режимов работы имеют одинаковую интенсивность отказов, равную ее среднестатистическому значению;  используется обобщенный эксплуатационный коэффициент КЭ.ОБ.  В качестве исходных данных должно быть известно количество элементов в схеме, их типы и интенсивности отказов элементов.   Суммарную интенсивность отказов РЭУ с учетом электрического режима и условий эксплуатации как m с   Э.ОБ .   ni i i 1  где ni – количество элементов i- го типа; λi – интенсивность отказа элемента i -го типа, 1/ч.; m – количество типов элементов/ Схема электрическая принципиальная усилителя сигнала вибропреобразователя сейсмического типа показана на рисунке 4.1. 24 Рисунок 4.1 - Схема электрическая принципиальная усилителя сигнала Структурная схема расчета надежности составлена согласно схеме электрической принципиальной усилителя сигнала и показана на рисунке 4.2. Схема расчета надежности усилителя сигнала вибропреобразователя сейсмического типа составлена на основе допущения, что элементы аппаратуры, с точки зрения надежности, соединены последовательно, т.е. отказ одного элемента приводит к отказу всего устройства. За отказ усилителя сигнала виброметра индукционного принимаю отсутствие сигнала на выходе схемы. FU1 T1 VD1-VD4 C1-C4 C5-C9 R3-R8 DD1 R1-R2 Рисунок 4.2 - Схема расчета надежности усилителя сигнала FU1 предохранитель DD1 – микросхема VD1 - диоды 25 Важнейшей характеристикой надежности электронных средств является вероятность безотказной работы за время t – P(t), ч: Pt   e ct  e t Tср , (4.1) где e – основание натурального логарифма ( e  2.72 ); t – время безотказной работы устройства, ч; λc – интенсивность отказов устройства, 1/ч; Tср – средняя наработка до отказа, ч. m с   Э.ОБ .   ni i i 1 , (4.2) где ni – количество элементов i- го типа; λi – интенсивность отказа элемента i -го типа, 1/ч.; m – количество типов элементов. Средняя наработка до отказа вычисляется по следующей формуле: Tср  1 с (4.3) Составим таблицу расчета интенсивности отказов системы с учетом всех расчетных элементов схемы (табл. 4.2), в которой значение λс находим согласно формуле 4.2. Таблица 4.2 – Интенсивности отказов элементов усилителя сигнала Наименование компонента ni, шт λi×10-6, 1/ч ni × λi ×10-6 4 0,14 0,56 5 0,05 0,25 λс = ∑ (λi×ni×10-6) Конденсаторы С1,С5-С7 К50-87-50В-1000 мкФ Конденсаторы С2-С4,С8,С9 К10-17б-Н50 3,43×10-6 26 Резисторы R1 – R8 8 0,04 0,32 4 0,2 0,8 1 0,1 0,1 3 0,1 0,3 1 0,8 0,8 1 0,3 0,3 Резистор С2-33Н-0,5 Диоды VD1-VD4 Диод 2Д213А/СО Микросхема DD1 TDA2007 Разъемы штырьковые X1-X3 Г4.0 Гнездо ГОСТ 24733-8 Вставка плавкая FU1 ВП1-1-1,0 А 250 В Трансформатор силовой T1 ТПП-40 Далее следует рассчитать количественные характеристики надежности усилителя сигнала. Средняя наработка до отказа рассчитывается по формуле 4.3: Tср = 1 / (3,43 ×10-6 ) = 291 545,19. Теперь следует определить вероятности безотказной работы для различных значений времени t по формуле 1 (табл. 4.3). Таблица 4.3 – Вероятность безотказной работы усилителя сигнала t, ч 100 P(t) 1 500 1000 5000 8000 0,998 0,997 0,983 0,973 10000 50000 100000 300000 500000 0,966 0,842 0,71 0,357 0,18 На рисунке 4.4 представлен график вероятности безотказной работы усилителя сигнала. 27 1 0.83 0.67 P( t ) 0.5 0.33 0.17 5 10 4 1 10 5 1.5 10 t 5 2 10 5 2.5 10 5 3 10 5 Рисунок 4.4 - Вероятность безотказной работы усилителя сигнала Выводы по расчету. Средняя наработка до отказа разрабатываемого усилителя сигнала составляет 291 545,19 часа. Время безотказной работы аналогичных устройств составляет порядка 60 000 ч. Из графика (рис. 4.4) видно, что в течении данного времени работы надежность спроектированной печатной платы достаточно высока, следовательно все элементы подобраны правильно и устройство является годным к производству и эксплуатации. 28 Раздел 4. Методы повышения надежности электронных средств Тема 4.1. Резервирование как метод повышения надежности систем. Резервирование – метод повышения характеристик надѐжности технических устройств или поддержания их на требуемом уровне посредством введения аппаратной избыточности за счет включения запасных (резервных) элементов и связей, дополнительных по сравнению с минимально необходимым для выполнения заданных функций в данных условиях работы. Резервирование широко применяется на опасных производственных объектах, во многих случаях его необходимость диктуется требованиями промышленной безопасности или государственных правил и стандартов. Некоторые технические устройства изначально в своей конструкции предусматривают резервирование, например предохранительные клапаны непрямого действия – импульсные предохранительные устройства. Также резервирование широко используется в военной технике. Элементы минимизированной структуры устройства, обеспечивающей его работоспособность, называются основными элементами; резервными элементами называются элементы, предназначенные для обеспечения работоспособности устройства в случае отказа основных элементов. Резервирование в технологических системах классифицируют по ряду признаков, основные из которых – уровень резервирования, кратность резервирования, состояние резервных элементов до момента включения их в работу, возможность совместной работы основных и резервных элементов с общей нагрузкой, способ соединения основных и резервных элементов. В резервированном изделии отказ наступает тогда, когда выйдут из строя основное устройство (элемент) и все резервные устройства (элементы). Группа элементов считается резервированной, если отказ одного или нескольких еѐ элементов не нарушает нормальной работы схемы (системы), а 29 оставшиеся исправные элементы выполняют ту же заданную функцию. Такое резервирование называется функциональным резервированием. Кратность резервирования – отношение числа резервных элементов к числу основных элементов устройства. Кратность резервирования принято обозначать m. Например, если m=3, то это означает что: основное устройство – одно, число резервных устройств – три, а общее число устройств равно (три плюс один) четырѐм. Если m=4/2, то это означает резервирование с дробной кратностью, при котором число резервных устройства равно четырѐм, число основных – двум, а общее количество устройств – шести. Сократить дробь нельзя, так как если m=4/2=2, то это резервирование с целой кратностью, при котором число резервных устройств – два, основное – одно, а общее количество устройств – три. Однократное резервирование называется дублированием. По состоянию резервных элементов до момента включения их в работу различают: • нагруженный (горячий) резерв – резервные элементы нагружены так же, как и основные; • облегчѐнный (ждущий) резерв – резервные элементы нагружены меньше, чем основные; • ненагруженный (холодный) резерв – резервные элементы практически не несут нагрузки. Использование облегчѐнного или ненагруженного резерва даѐт возможность снизить расход энергии, потребляемой резервируемой системой и увеличить надежность аппаратуры, так как надѐжность резервных устройств выше, чем основных. Однако следует учитывать, что перерыв на переключение с основного устройства на резервное допустим не во всех схемах. 30 Эффективность резервирования принято оценивать при помощи коэффициента повышения надѐжности γ, который определяют по показателям безотказности из соотношений: γp  P(t ) p P(t ) и γQ  Q(t ) , Q(t ) p где P(t)р, Q(t)р, — вероятность безотказной работы и вероятность отказа для резервируемой системы; P(t) и Q(t) — вероятность безотказной работы и вероятность отказа для не резервируемой системы. Тема 4.1. Обеспечение рационального состава запасных элементов как способ повышения надежности систем. Запасные части, инструмент, принадлежности и материалы (ЗИП) – некоторая совокупность запасов материальных средств, сформированная в зависимости от назначения и особенностей использования технического устройства и предназначенная для обеспечения его эксплуатации и ремонта. В общем случае в состав ЗИП входят: запасные части; инструменты; приспособления; принадлежности; контрольно-измерительная аппаратура; специальное технологическое оборудование для технического обслуживания и ремонта; материалы; эксплуатационная документация. Запасные части - составная часть изделия, предназначенная для замены находящейся в эксплуатации такой же части с целью поддержания или восстановления исправности или работоспособности изделия. Запасные части, как правило, изготавливаются по тем же конструкторским документам, что и основные. Некоторые детали могут изготавливаться с размерами, учитывающими износ сопрягаемых с ними деталей. Например, поршневые и маслосъемные кольца двигателя внутреннего сгорания, компрессора. Инструмент [лат. instrumentum]: 1) в широком смысле, орудие для работы; 2) в узком, - орудие для сборки, разборки и настройки технического устройства (изделия). Инструмент может быть классифицирован по видам 31 работ: слесарный, металлорежущий, деревообрабатывающий, кузнечный, и т.д. Например, слесарным инструментом являются гаечный ключ, отвертка, молоток и т.д. Приспособление - технологическая оснастка, предназначенная для установки или направления предмета производства или инструмента при выполнении технологической операции. Например, съемник отдельной детали (втулки, подшипника и т.п.). Принадлежности – устройства (изделия), входящие в комплект основного изделия, или дополняющие его. Например, защитный футляр прибора, защитный коврик в электроустановке и т.п. Контрольно-измерительная аппаратура предназначена контроля показателей свойств, для настройки и регулировки технического устройства, отыскания неисправности, контроля результатов ремонта и технического обслуживания. Например, шинный манометр для колесного тягача, нагрузочная вилка для аккумуляторной батареи и т.д. Специальное технологическое оборудование для технического обслуживания и ремонта включает в себя испытательные стенды, различного рода имитаторы и эквиваленты. Материалы предназначены для обеспечения технического обслуживания и восстановления работоспособного состояния технического устройства. К ним относятся смазки, масла, технические жидкости, пасты, припои, монтажные провода и другие материалы, необходимые для технического обслуживания и ремонта изделий. Все виды комплектов ЗИП условно делятся на две группы: основные и специальные. К основным видам комплектов ЗИП относятся:  одиночный комплект ЗИП (ЗИП-О);  групповой комплект ЗИП (ЗИП-Г);  ремонтный комплект ЗИП (ЗИП-Р);  ЗИП россыпью. 32 Все основные виды комплектов ЗИП разрабатываются, как правило, для изделий одного наименования. Однако допускается разрабатывать ЗИП-Г и ЗИП-Р для обеспечения эксплуатации изделий нескольких наименований. К специальным видам комплектов ЗИП относятся:  подвижный групповой комплект ЗИП (ЗИП-Пг);  подвижный ремонтный комплект ЗИП (ЗИП-Пр);  монтажный комплект ЗИП (ЗИП-М). Специальные виды комплектов ЗИП разрабатываются по требованию заказчика. В соответствии с ГОСТ B 26441-85 все виды комплектов ЗИП являются составными частями РКК. Совокупность видов комплектов ЗИП устанавливается заказчиком в тактико-техническом задании, которое и является основанием для их разработки. Состав комплектов ЗИП определяется предприятиями-разработчиками. Одиночный комплект ЗИП (ЗИП-О) предназначен для обеспечения замены отказавших и поврежденных составных частей изделия, выполнения технологических операций и проведения ТО силами штатных расчетов. ЗИПО придается каждому агрегату (системе) технологического оборудования и поставляется вместе с ним. Комплект ЗИП-О подвижных агрегатов размещается во встроенных отсеках или нишах, а стационарных – рядом с ними в специальных шкафах или ящиках. Для РН, КА и РБ одиночный комплект ЗИП не разрабатывается. Групповой комплект ЗИП (ЗИП-Г) предназначен для обеспечения устранения отказов и неисправностей изделий, для замены составных частей с ограниченным ресурсом (ограниченным сроком службы) в условиях эксплуатирующей организации (не обязательно штатными расчетами), для проведения технических обслуживаний изделий и пополнения одиночных комплектов ЗИП. Разрабатывается ЗИП-Г для группы однотипных изделий (технологического оборудования, РН, КА, РБ), одновременно находящихся в эксплуатации. Если агрегат (система) эксплуатируется в единственном 33 экземпляре, то комплект ЗИП-Г на него не разрабатывается. В этом случае комплект ЗИП-О выполняет также функции комплекта ЗИП-Г и рассчитывается на срок, задаваемый для ЗИП-Г. Размещается групповой комплект на складах эксплуатирующих организаций или на базах хранения. Ремонтный комплект ЗИП (ЗИП-Р) предназначен для восстановления изделий с использованием составных частей, не включенных в другие комплекты ЗИП, либо для пополнения комплектов ЗИП-Г. Размещается ремонтный комплект на базах хранения или в ремонтных органах. ЗИП россыпью предназначен для непосредственного использования при эксплуатации, ремонте космических средств и для пополнения ЗИП-О. К ЗИП россыпью относятся запасные элементы, поставляемые для пополнения других комплектов ЗИП космических средств, а также запасные элементы космических средств, для которых комплекты ЗИП-Г и ЗИП-Р не разрабатываются. Взаимосвязь между комплектами ЗИП представлена на рисунке 4.1. Поставка составных частей комплектов ЗИП производится следующим образом: ЗИП-О поставляет предприятие-изготовитель вместе с изделием; ЗИП-Г и ЗИП-Р поставляются по указанию заказчика предприятиями-поставщиками изделий. Рисунок 4.1 – Взаимосвязь между видами комплектов ЗИП Пополнение комплектов ЗИП-О осуществляется не реже одного раза в полгода из комплектов ЗИП-Г. Пополнение ЗИП-Г осуществляется на 34 основании заявок эксплуатирующих организаций. Пополнение ЗИП-Р производится за счет плановых поставок составных частей и за счет срочных поставок. Расчет показателей достаточности системы ЗИП, сводится к определению следующих основных показателей: КГзип – стационарный коэффициент готовности системы ЗИП; t – среднее время задержки удовлетворения заявок на ЗЧ. Математические модели показателей достаточности систем ЗИП аппаратуры должны соответствовать ГОСТ РВ 27.1.03-2005 (РДВ 319.01.1998) [54, 64]. Оптимизация запасов в системе ЗИП проводится методом «покоординатного спуска». «Ручной» расчет показателей безотказности и ремонтопригодности аппаратуры проводится в следующей последовательности: 1. Составляется структурная схема системы ЗИП аппаратуры. 2. Структурная схема системы ЗИП составляется на основе анализа состава и конструктивных особенностей аппаратуры с учетом установленного регламента технического обслуживания и ремонта. 3. Идентифицируется структурная схема системы ЗИП в соответствии с классификацией ГОСТ РВ 27.1.03-2005 (РДВ 319.01.19-98) [54, 64]. При отсутствии в ГОСТ РВ 27.1.03-2005 (РДВ 319.01.19-98) [54, 64] структурных схем систем ЗИП следует использовать общие методы расчета показателей надежности, приведенные в разделе 7. 4. Определяется номенклатура запасных частей. Номенклатура запасных частей определяется на основе ДГ аппаратуры с учетом их показателей надежности. 5. Для каждого типа запаса определяется вид стратегии пополнения и назначаются ее параметры. 35 Вид и параметры стратегии пополнения выбираются на основе анализа особенностей эксплуатации аппаратуры с учетом установленного регламента технического обслуживания и ремонта. 6. Идентифицируется стратегии пополнения запаса в соответствии с классификацией ГОСТ РВ 27.1.03-2005 (РДВ 319.01.19-98) [54, 64]. При отсутствии в ГОСТ РВ 27.1.03-2005 (РДВ 319.01.19-98) [54, 64] стратегий пополнения запасов следует использовать общие методы расчета показателей надежности, приведенные в разделе 7. 7. Выбирается тип решаемой задачи: - расчѐт показателей достаточности системы ЗИП для заданного количества составных частей. - расчѐт оптимальных запасов системы ЗИП, обеспечивающих заданный уровень коэффициента готовности – «прямая» задача оптимизации; - расчѐт запасов системы ЗИП, удовлетворяющих заданному ограничению по суммарным затратам (массе, объему) - «обратная» задача оптимизации). 8. Для каждой ЗЧ рассчитываются интенсивности замен по формуле: t ТО n  λiТО  i  λiХ Ti mi – коэффициент интенсивности эксплуатации; iР, iОЖ, iХ, – λ Зi  [ КИЭ  λiР  (1  КИЭ )  λiОЖ ]  (1  δОШ )  где КИЭ интенсивности отказов составных частей i -го типа в режимах работы, ожидания, хранения; OШ – доля ошибочных изъятий составных частей i-го типа; tΣТО – суммарное время нахождения аппаратуры в режиме технического обслуживания за период Ti; iТО – интенсивность профилактических замен при техническом обслуживании; mi - общее количество составных частей i-го типа; ni – начальный уровень запаса ЗЧ i-го типа. Коэффициент интенсивности эксплуатации аппаратуры (КИЭ) определяется по формуле: К ИЭ  t Р t Р  t ОЖ 36 где: tΣР, tΣОЖ – суммарные времена нахождения аппаратуры в режимах работы и ожидания (хранения) за период Ti. Доля ошибочных изъятий составных частей i-го типа (относительно общего потока их отказов) устанавливается по опыту эксплуатации изделийаналогов (прототипов). Расчет интенсивностей отказов СЧ в режимах работы, ожидания, хранения проводится по методикам, изложенным в разделах 2.1, 2.2, 3.1 и 3.2. 9. По результатам расчетов заполняется таблица 6.1. Таблица 6.1. Исходные данные для расчета показателей достаточности системы ЗИП Наименование запасных частей I0 1 2 mi0, λЗi0∙106, Ci0, шт. ч-1 у.е. 3 4 5 αi0 6 Тio, ч. 7 βi0 8 ni0, шт. 9 где I0 – номер п/п; mi0 – количество СЧ i-го типа в аппаратуре; λЗi0 – интенсивность замен; Ci0 – стоимость ЗЧ i-го типа; αi0 – номер стратегии пополнения; Тio, βi0 – параметры стратегии пополнения; ni0 – начальный уровень запаса. 10. Проводится расчет показателей достаточности системы ЗИП по соответствующей методике ГОСТ РВ 27.1.03-2005 (РДВ 319.01.19-98) [54, 64]. При расчете показателей достаточности по методике решения «прямой» задачи оптимизации требуемое значение КГзип определяется на основе следующих соотношений: - если значение коэффициента готовности аппаратуры (КГА) не известно, то: 37 К Гзип  К ГТЗ , где КГтз – заданное в ТЗ значение коэффициента готовности. - если значение КГА аппаратуры известно (рассчитано по методике, изложенной в разделе 9 настоящего стандарта), то: К Гзип  К ГТЗ . К ГА После расчета «оптимального» начального уровня запасов системы ЗИП по методикам «прямой» и «обратной» задач оптимизации, необходимо провести расчѐт показателей достаточности системы ЗИП по методике ГОСТ РВ 27.1.03-2005 (РДВ 319.01.19-98). Этот расчет необходим, т.к. в методиках расчета оптимальных начальных уровней запасов ЗЧ системы ЗИП не учитывается увеличение Зi при увеличении ni. 38 Раздел 5. Автоматизированные средства расчета надежности электронных средств. Тема 5.1. Общие сведения о современных средствах автоматизированного расчета надежности и тенденциях их развития. На рынке программных комплексов (ПК) представлен ряд зарубежных и отечественных ПК, позволяющих проводить автоматизированный расчет надежности ЭС. Наиболее распространенными среди зарубежных ПК являются: RELEX (Relex software Corporation, США); A.L.D.Group (Израиль); Risk Spectrum (Relcon AB, Швеция); ISOGRAPH (Великобритания). Среди отечественных ПК, которые применяются на ряде предприятий: ПК АСОНИКА-К (МИЭМ-ASKsoft); ПК АСМ (ПК для автоматизированного структурно-логического моделирования и расчета надежности и безопасности систем, ОАО «СПИК СЗМА»); ПК «Универсал» (для расчетов надежности и функциональной безопасности технических устройств и систем, ФГУП «ВНИИ УП МПС РФ»); ИМК КОК (инструментальномоделирующий комплекс для оценки качества функционирования информационных систем, ФГУП «3 ЦНИИ МО РФ») и др. Для расчета надежности ЭС также широко используют автоматизированную справочно-информационную систему (АСРН) (ФГУП «22 ЦНИИИ МО РФ»), автоматизированную систему расчета надежности (АСРН-2000, ОАО «РНИИ ―ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ‖»), АСРН-1 (для ЭС народнохозяйственного назначения, ОАО «РНИИ ―ЭЛЕКТРОНСТАНДАРТ‖»). Рассмотрим наиболее популярные зарубежные и отечественные ПК с точки зрения их использования для расчета надежности ЭС. ПК Relex и Risk Spectrum позволяют проводить логико-вероятностный анализ надежности и безопасности технических систем, например, расчет надежности современных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), оптимизацию техногенного риска и 39 определение оптимальных параметров системы технического обслуживания потенциально опасных объектов. Основное применение ПК Risk Spectrum получил в вероятностном анализе безопасности объектов атомной энергетики на стадии проектирования. Комплекс Spectrum используется более чем на 50% атомных станций мира, включен в перечень программных средств, аттестованных Советом по аттестации программных средств Госатомнадзора России в 2003 г. ПК АСМ Наиболее известным из отечественных ПК является программный комплекс автоматизированного структурно-логического моделирования (ПК АСМ). Теоретической основой является общий логиковероятностный метод системного анализа, реализующий все возможности основного аппарата моделирования алгебры логики в базе операций «И», «ИЛИ», «НЕ». Форма представления исходной структуры системы – схема функциональной целостности, позволяющая отображать практически все известные виды структурных моделей систем. Комплекс автоматически формирует расчетные аналитические модели надежности и безопасности систем и вычисляет вероятность безотказной работы, среднюю наработку до отказа, коэффициент готовности, среднюю наработку на отказ, среднее время восстановления, вероятность отказа восстанавливаемой системы, вероятность готовности смешанной системы, а также значимость и вклад элементов в различные показатели надежности системы в целом. ПК АСМ позволяет также автоматически определять кратчайшие пути успешного функционирования, минимальные сечения отказов и их комбинации. На отечественном рынке представлена успешно развивающаяся подсистема АСОНИКА-К (по мнению разработчиков, АСОНИКА-К перерастет в программный комплекс, поэтому в дальнейшем будем называть 40 ее ПК АСОНИКА-К) — программное средство решения задач анализа и обеспечения надежности в рамках автоматизированного проектирования ЭС (6). По своим возможностям подсистема АСОНИКА-К не уступает RBDмодулям зарубежных ПК A.L.D. Group (RAM Commander), Relex, Isograph и др. Ее использование является более предпочтительным, так как АСОНИКАК позволяет вести расчет надежности РЭА, производимой в России, на основе данных, приведенных в отечественных справочниках «Надежность электрорадиоизделий», «Надежность электрорадиоизделий зарубежных аналогов». Отвечает требованиям комплекса военных стандартов «Мороз-6» для РЭА ответственного применения и стандарту США MIL-HDBK-217 и стандарту КНР GJB/z 299B. Тема 5.2. Основные положения виртуального проектирования с применением системы САПР Под виртуальным взаимосвязанной проектом электронной понимается конструкторской, совокупность технологической, эксплуатационной и другой информации и виртуального макета изделия. Виртуальный макет изделия — это структурированные определенным образом взаимосвязанные комплексные модели электрических, тепловых, механических и результатами их аэродинамических анализа. (гидравлических) Взаимодействие происходит с помощью методик, с процессов виртуальным с макетом предусмотренных CALS-технологией, через систему электронного документооборота (PDM). Виртуальный макет изделия позволяет обращаться с ним, как с материальным оригиналом, т.е. оценивать соответствие выходных характеристик изделия требованиям параметров и технического задания, стандартам и другой нормативной документации, а также принимать обоснованные решения для внесения изменений при проектировании в целях улучшения изделия, оптимизации показателей его качества и надежности. 41 Таким образом, виртуальный проект изделия позволяет улучшать показатели процессов проектирования и изготовления, т.е. стоимость, сроки выполнения и содержание работ на тех или иных этапах. Очень эффективна, например, замена натурных испытаний физического макета или опытного образца математическим моделированием. Виртуальный проект изделия формируется при проектировании, однако внесение изменений в него, обусловленных реальными условиями производства и эксплуатации, возможно на всех фазах изготовления и эксплуатации. Например, при изготовлении может возникнуть необходимость замены материалов и технологических режимов, а при эксплуатации — необходимость получения разрешений на применение изделия в новых условиях эксплуатации, а также на продление времени его эксплуатации. Подобные разрешения выдаются разработчиками изделия после дополнительного исследования виртуального виртуальный проект изделия постоянно организации, а производящей и электронном виде передаются макета. Поэтому хранится в головной проектной эксплуатирующей организациям в только части этого проекта, т.е. технологическая и эксплуатационная документация. Еще на виртуального этапе проекта концептуального позволяет проектирования провести анализ использование существующих и альтернативных вариантов изделия и выбрать наиболее верное решение. При конструировании виртуальное макетирование помогает оценить внешние формы отдельных частей изделия, возможность их стыковки и согласованность друг с другом. Применение виртуальных макетов повышает наглядность и упрощает процесс Управления проектированием изделий в распределенной среде корпоративной сети. 42 Тема 5.3. Подсистема анализа показателей безотказности радиоэлектронных средств САПР. Рассмотрим структуру взаимодействия в процессе проектирования изделия в рамках CALS-технологий подсистемы управления данными при моделировании АСОНИКА-УМ с другими подсистемами в целях формирования электронной модели изделия (рис. 10.). Рис. 1 – Структура взаимодействия подсистемы АСОНИКА-УМ С помощью специального графического редактора электрическая схема вводится в базу данных проектов в подсистеме АСОНИКА-УМ и в виде файла передается в системы анализа электрических схем (PSpice) и размещения и трассировки системы PCAD печатных плат (PCAD). Выходной pcb-файл сохраняется в подсистеме АСОНИКА-УМ, а также 43 передается в системы AutoCAD, КОМПАС, ProEngineer, SolidWorks для создания чертежей. Чертежи сохраняются в подсистеме АСОНИКА-УМ, а также передаются (7) в подсистему анализа механических процессов в шкафах и блоках РЭС — АСОНИКА-М и в подсистему (3) анализа тепловых процессов в шкафах и блоках РЭС — АСОНИКА-Т. Полученные в результате моделирования механические напряжения, перемещения, ускорения и температуры в конструкциях шкафов и блоков передаются (2, 4) для хранения в подсистему АСОНИКА-УМ. Чертежи печатных узлов и спецификации к ним, а также pcb-файлы передаются (5) из подсистемы АСОНИКА-УМ в подсистему комплексного анализа тепловых и механических процессов в печатных узлах АСОНИКА-ТМ. Кроме того, в эту подсистему передаются (6) температуры воздуха в узлах модели, полученные в подсистеме АСОНИКА-Т, а также ускорения опор, полученные в подсистеме АСОНИКА-М. Результаты моделирования в подсистеме АСОНИКА-ТМ температуры и ускорения ЭРИ сохраняются (7) в подсистеме АСОНИКА-УМ. Перечень ЭРИ, а также файлы с их электрическими характеристиками, температурами и ускорениями передаются (8) из подсистемы АСОНИКАУМ в подсистему анализа показателей надежности РЭС АСОНИКА-К (АСОНИКА-Б). Полученные показатели надежности РЭС сохраняются (9) в подсистеме АСОНИКА-УМ. Перечень ЭРИ и файлы с их электрическими характеристиками, температурами и ускорениями передаются (10) из подсистемы АСОНИКА-УМ в подсистему формирования карт рабочих режимов АСОНИКА-Р, которые затем поступают на сохранение в подсистему АСОНИКА-УМ. Реализация описанных подсистем положила начало развитию и внедрению CALS-технологий для создания радиоэлектронной приборостроительной продукции в России. Интеграция продуктов позволяет осуществлять сквозное и программных автоматизированное 44 проектирование радиоэлектронной аппаратуры на основе комплексного моделирования физических процессов. Язык интерфейса пользователя с программами является максимально приближенным к языку разработчика РЭС. На освоение предлагаемых программ требуется сравнительно малое время. Их внедрение обеспечивает достаточно хорошую скорость решения задач моделирования и значительную экономию материальных средств за счет сокращения числа испытаний, повышая при этом надежность и качество проектируемых РЭС. Информационную согласованность автоматизированной системы АСОНИКА обеспечивает электронная модель РЭС, информация в которой представлена в виде совокупности взаимосвязей между ними, информационных объектов и регламентированных стандартом ISO 10303 STEP. При этом исключается Дублирование информации. 45