可靠性設計及其重要作用

可靠性是指產品在規定的條件下、規定的時間內完成規定功能的能力，也就是系統、設備、元件的功能在時間上的穩定性。可靠性工程是為了適應產品的高可靠性要求而發展起來的新興學科。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計研究、系統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用、與產品制造實際過程緊密結合，并且以做實驗為教學和工程基礎，通過設備進行產品試驗，不斷積累數據，逐步形成了有工程需求、有設備、有產品、科學實驗的良性正循環，并且不斷帶動可靠性工程的整體發展。
可靠性設計決定產品的“優生”，可靠性設計是可靠性工程的最重要的階段。在產品設計階段，通過采用產品可靠性壽命試驗、加速壽命試驗等可靠性試驗設計，以產品實際使用試驗信息為基礎，進行試驗數據統計分析，進而改善產品設計缺陷，以實現產品設計能力的不斷提升，對于產品可靠性和質量有著重要的作用。特別是在航天行業等軍工產品的研發設計工作中，適時、有效進行產品的可靠性設計、分析工作，對提高軍工產品的質量尤為重要和迫切。

可靠性設計面臨的困境

當前，我國軍品研發設計制造，即便在CAD/CAE技術已經應用多年后，因為產品可靠性數據建模的缺失，可靠性仍然主要采用產品可靠性試驗單一的檢測模式。例如在應用CAE進行系統仿真方面，由于數據的缺乏，“仿真驅動研發”依然沒有滲透到產品研發設計的前端，即概念設計、產品研發流程，而是更多的應用于產品設計后端的工程分析，極大地阻礙了我國產品可靠性設計的發展。

將信息化軟件工具應用于設計，實現產品可靠性設計，是未來的發展趨勢。但就目前的情況而言，數學建模是研究和工程應用存在的關鍵問題和工程瓶頸。從目前軍工行業和企業產品研發工程實踐來看，產品可靠性設計缺乏數學建模、建模不準確的現象非常嚴重，導致在有限元計算過程中缺少剛度系數、阻尼系數，以及材料數據等相關數據，數據不準確、數據缺失，使得產品可靠性計算數據結果與實際情況不符。

由于缺少數據，當前的可靠性設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計改進。例如，在進行疲勞性能材料可靠性研究上，只有當PSN曲線(產品失效概率、載荷、壽命)等這些基礎數據具備以后，再采用CAD、CAE等軟件進行產品設計，建模，進行可靠性計算和分析，才有可能從產品研發的源頭提高產品的可靠性，增加產品壽命。但由于當前國內缺乏相應的PSN曲線供研究使用，從而制約了我國整體產品可靠性設計的發展。

綜上所述，缺乏基礎性的實驗數據，并以此進行相關的可靠性實驗建模，已經成為制約我國軍工產品可靠性設計和整體可靠性工程的重要難題，嚴重阻礙了我國軍工產品的可靠性發展。

進行可靠性實驗設計的數據的收集，需要進行可靠性實驗，一般而言，實驗次數越多，收集的數據越多，后續的分析建模就會愈加精準。但從實踐操作來看，實驗次數的增加，意味著成本的增加，此外，產品實驗周期過長，產品質量的因子的多樣性等等現實問題，也增加了我們對于實驗數據的收集和后續的分析的難度。如何解決這些問題，將是我們進行可靠性數據的收集和分析面臨的關鍵。

針對數據的收集和分析建模，我們需要在以下幾個問題上給予解決，才能更好的進行產品的可靠性設計工作：

第一， 小樣本實驗數據問題。從理論上來說，準確的正態分布參數統計需要50個樣本、多分布統計需要37個樣本，才能夠達到產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，或者制定最為經濟的樣本量的實驗設計方案，是我們進行數據收集面臨的首要問題。

第二， 不同來源數據的比較和融合。我們收集的數據往往來自不同的來源，例如為了彌補實驗室數據的不足，我們也將產品實際使用的數據融入到產品分析中來，。但由于不同來源的數據所處環境等因素的不同，如何進行數據比較、融入，也是我們在收集數據，處理數據中將要面臨的挑戰之一。

第三， 多種加速影響因子的交互作用。一般而言，產品在實際的使用環境下，往往受到的是溫度、應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，是我們在數據建模中亟待解決的難題。

第四， 從單一元器件到產品整體可靠性研究。軍工產品構造復雜，部件多，結構復雜，如何從單一部件失效試驗發展到多部件失效分析，從而實現產品整體的系統可靠性實驗分析，也是我們產品可靠性分析建模的關鍵和重點。

JMP，作為SAS（全球最大的統計學軟件公司）推出的一種交互式可視化統計發現軟件系列，在SAS算法的基礎上，強調以統計方法的實際應用為導向，交互性、可視化能力強，使用方便，給業務人員的數據分析極大的幫助，其可靠性和生存分析平臺，整合了產品可靠性分析的各項需求，實現了從可靠性實驗設計，到產品元件分析直到產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計和分析過程中的種種難題。

可靠性實驗設計

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果。在JMP的實驗設計平臺，我們可以根據實驗部件的壽命分布曲線，根據不同的實驗精度來制定樣本數量和實驗刪失時間，從而實現更為經濟和快速的可靠性實驗設計。此外，JMP還提供加速壽命實驗設計，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計。

圖1：可靠性實驗樣本數量和刪失時間的設計

不同種類數據的比較分析

在JMP的實驗設計平臺，我們可以根據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。通過不同種類數據的比較分析，使得用戶能夠更加清晰的認識到各組數據之間的差異性。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較少的失效模式，將問題聚焦到主要模式上，實現對于問題的快速定位。

圖2：基于不同組數據的可靠性比較分析

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品壽命的影響，在JMP中，我們都能利用擬合平臺進行相關數據的擬合建模。為了保證模型構建的準確性，JMP還提供例如預測方差刻畫和 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和因子設定點，并通過模擬器，幫助用戶去設定實際工作的效果。

圖3：基于多個因子的預測客戶器

多個部件的可靠性研究

產品是由多個部件構成的，產品的部件越多，相互關系越復雜，產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雜的產品結構，從而實現產品整體可靠性的分析建模。

圖4：使用可靠性框圖，進行系統可靠性分析

從軍工到民用，可靠性設計大有可為

可靠性設計和可靠性分析對于軍工產品質量有著重要的影響，是關系到國防安全和國家戰略發展的大問題。近年來，隨著我國經濟產業的不斷發展和產業升級，可靠性試驗不僅在航空航天等軍工行業有很大的戰略需求和產品市場發展空間，在一些民用市場，可靠性分析的需求也日益迫切，可靠性設計和分析的市場空間和發展潛力巨大，可靠性設計大有可為。