摘 要

可靠性评价方法研究是对机械研究的重要工作内容，正确地评价系统的各项可靠性指标，有助于发现系统的重要薄弱环节，及时甚至提前给出修改意见，使得系统可靠性得到持续性增长。

本论文主要介绍了可靠性的含义、目的、意义及评价过程，以及可靠性关于故障而言两种常用的评价方法，还介绍了数字制造系统的含义、功能和具体组成，最后基于这两种故障分析方法，以数控机床为例，较为具体介绍了数字制造系统的可靠性评价过程。

本文的特色：着重介绍了三种先进的可靠性模型建模方法，即是贝叶斯网络、蒙特卡洛模拟法和马尔科夫链，方便对于更复杂的系统进行可靠性评价，就本文的研究对象，解决了试验样本过少的问题，以及减少可靠性评价过程中的工作量，实用流行。还介绍了最近研究很火热的Copula理论，就关联系统的评价方法给出了解决意见。

关键词：数字制造；可靠性；建模手段；系统评价

Abstract

The research of reliability evaluation method is an important part of the research on mechanical research. It is helpful to evaluate the reliability index of the system correctly, and to find out the important weak links of the system, and to give the modified opinions in time, so that the system reliability is sustained increase.

This paper mainly introduces the meaning, purpose, meaning and evaluation process of reliability, and the two commonly used evaluation methods for reliability. It also introduces the meaning, function and concrete composition of digital manufacturing system. Finally, Fault analysis method to CNC machine tools, for example, a more detailed description of the digital manufacturing system reliability evaluation process.

In this paper, three advanced reliability model modeling methods are introduced, namely Bayesian network, Monte Carlo simulation method and Markov chain, which can be used to evaluate the reliability of more complex systems. Research object, solve the problem of too little test sample, and reduce the reliability of the evaluation process of the workload, practical popular. It also introduces the recently studied Copula theory, and gives the solution to the evaluation method of the associated system.

Key Words：Digital manufacturing; reliability; modeling means; system evaluation

目录

第一章 绪论 1

1.1. 可靠性的含义、作用及定位 1

1.2. 可靠性工程的现状 1

1.3. 可靠性的发展趋势 2

1.4. 可靠性的发展趋势 3

第二章 可靠性基础 5

2.1. 可靠性的定义 5

2.1.1. 可靠性的构成要素 5

2.1.2. 可靠性的分类 5

2.2. 常用的可靠性度量指标 6

2.2.1. 可靠度 6

2.2.2. 可维度 7

2.2.3. 可用度 7

2.2.4. 保能度 7

2.2.5. 失效率 8

2.3. 寿命的特征量（系统） 8

2.3.1. MTTF 8

2.3.2. MTBF 8

2.3.3. MTTR 9

2.3.4. 可靠寿命 9

2.4. 浴盆曲线模型 10

2.5. 可靠性评价 10

2.5.1. 可靠性评价的含义 10

2.5.2. 可靠性评价的目的 10

2.5.3. 可靠性评价的意义 11

2.6. 可靠性评价的内容和流程 11

2.7. 本章小结 11

第三章 可靠性模型与计算方法 12

3.1. 可靠性模型的概述 12

3.1.1. 串联系统 12

3.1.2. 并联系统 12

3.1.3. 混联系统 13

3.2. 可靠性模型目的分类 13

3.2.1. 基本可靠性模型 14

3.2.2. 任务可靠性模型 14

3.3. 建模手段 14

3.3.1. 贝叶斯网络 14

3.3.2. 蒙特卡洛模拟法 20

3.3.3. 马尔科夫模型 22

3.4. 本章小结 24

第四章 可靠性评价方法 25

4.1. 可靠性评价方法概述 25

4.1.1. 可靠性框图 25

4.1.2. 威布尔分布 27

4.2. 故障模式影响及危害性分析法（FMECA） 28

4.2.1. 故障模式影响及危害性分析法概述 28

4.2.2. 故障模式及影响分析 29

4.2.3. 危害性分析 30

4.2.4. FMECA运用流程和注重点 31

4.3. 故障树分析（FTA） 32

4.3.1. 故障树分析概述 32

4.3.2. 故障树的建立 32

4.3.3. 定性分析 35

4.3.4. 定量分析 37

4.3.5. 故障树的结构函数简述 37

4.3.6. 故障树与贝叶斯网络转换举例 37

4.4. 系统级集成 38

4.4.1. copula函数概述 38

4.4.2. copula函数定义，分类及定理 39

4.4.3. 基于Copula的串并联系统可靠性模型 41

4.4.4. 基于Copula函数的系统建模概述 42

4.5. 本章小结 43

第五章 数字制造系统 44

5.1. 数字制造系统概述 44

5.1.1. 数字制造系统含义 44

5.1.2. 数字制造系统发展历程及意义 44

5.2. 数字制造系统的分析 45

5.2.1. 系统的功能要求 45

5.2.2. 系统的组成和概况 45

5.3. 本章小结 47

第六章 数字制造系统的可靠性方法应用 48

6.1. 数字制造系统的寿命分布 48

6.2. 基于故障模式影响及危害分析评价系统 48

6.2.1. 故障部位分析 48

6.2.2. 故障模式分析 49

6.2.3. 故障原因分析 50

6.2.4. 危害性分析 50

6.3. 基于故障树评价系统 51

6.3.1. 确定故障事件并建立故障树 51

6.3.2. 定性分析 53

6.3.3. 故障树分析结果 53

6.4. 本章小结 53

第七章 结论 54

致谢 55

参考文献 56

第一章 绪论

可靠性的含义、作用及定位

“可靠性”是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定的功能的能力，其概率称为可靠度。根据对象的不同，又有系统可靠性和产品可靠性。对于系统而言，其中，“规定条件”是指系统的环境条件、使用条件、维修条件和工作方式等。“规定的时间”是该定义的核心，将可靠性用时间直接或间接地描述出来（涉及系统的寿命）。“规定的功能”则是指系统重要的性能指标和技术要求。当然，这其中又会涉及几个概念，比如维修性，测试性，环境适应性等。由此可见，可靠性是用来描述系统或者产品质量性能指标中重要的一点。

可靠性自从20世纪40年代诞生开始，就饱受关注。但是许多人对于可靠性的作用和意义一直不是很了解。许多人认为产品只要生产出来，质量好；系统正常运行就行了，这是不对的。人们应该认识到可靠性是产品与系统的核心竞争力，因为可靠性工程对于产品与系统的生产维护有着重要意义。对于系统而言：①可靠性工程可以降低系统失效率以及提高系统工作寿命，因为可靠性工程可以对系统进行预维护，及时发现系统薄弱部分，这样可以减少维修费用和维修时间，延迟系统工作寿命；②社会与人们需要可靠性系统，对于不管制造系统还是网络系统等，可靠性都是其性能的重要指标。人们需要可靠性高的系统，这样可以减少安全事故的发生以及信息泄露，对于社会稳定有着很大的意义；③可靠性是系统的核心竞争力，在这不断发展不断前行的时代，如果你的系统无法在“大环境“下稳定运行，需要花费大量的维修与维护费用，也会耽搁工作时间进行维修，则企业无法积攒信誉，发展只会胎死腹中；④可靠性方面取得的成果将会是衡量企业乃至国家科技发展水平的重要指标。

可靠性工程的现状

可靠性诞生于20世纪40年代末，至今已有70多年的历史。20世纪50年代，欧美各国开始创立可靠性方面的理论，我国开始从国外引进可靠性方面理论和技术。20世纪60 年代，可靠性理论和工程技术开始全面发展，取得明显成果。从20世纪70年代开始，可靠性工程技术趋于成熟。

可靠性的发展趋势

从20世纪80年代开始，可靠性工程向更复杂的方向发展。美军在20世纪90年代末引进民用领域的CBM，目的是对装备状态进行实时监控，根据结果确定最佳维修时机和策略，以提高装备的可用性和任务可靠性。后来研制交完善的PHM系统，并在2000年将PHM技术列入《军用关键技术》报告中。美国国防工业协会在2006年4月公布了NDIA电子产品预测技术工作组的最终报告草案，该报告针对PHM技术明确了在专业领域的开发需求。

而在国内，自21世纪以来，国内对于可靠性工作的投入一直在升温。2010年，国务院和中央军委联合颁布了《装备质量管理条例》，对装备全寿命周期的可靠性等工作提出了明确要求，并将该工作纳入法制轨道。2014年8月，总装备部门颁布《装备通用质量特性管理规定》，确定了装备全寿命周期通用质量特性工作（含可靠性等）的主要内容和要求。