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第一部分 概念和模型1

第1章 可靠性评估概述1

1.1 质量与可靠性1

1.1.1 质量1

1.1.2 可靠性（长寿命和鲁棒性）1

1.1.3 寿命2

1.1.4 鲁棒性3

1.1.5 关于鲁棒性试验的注意事项3

1.1.6 可靠性是长寿命和鲁棒性4

1.2 故障的描述4

1.2.1 故障模式和故障机理4

1.2.2 突发故障（与事件有关）5

1.2.3 突发故障（与时间有关）5

1.2.4 渐变退化故障（与时间有关）5

1.2.5 潜在缺陷故障5

1.3 故障物理学5

1.3.1 第一阶段：故障模式分析6

1.3.2 第二阶段：消除或减轻故障的根本原因6

1.3.3 第三阶段：故障概率的定量估计8

1.3.4 PoF实例：灯泡9

1.4 确定性的可靠性建模11

1.5 经验可靠性模型12

1.5.1 单应力加速模型：Arrhenius模型12

1.5.2 单应力加速模型：Coffin-Manson模型13

1.5.3 双应力加速模型：热应力和非热应力15

1.5.4 双应力加速模型：热应力和非热应力相关16

1.6 评估可靠性的方法16

1.6.1 外场使用16

1.6.2 使用条件下的实验室老化19

1.6.3 加速老化实验室试验20

1.7 可靠性估计值的可信度22

1.7.1 可信度：基于现场返修故障的估计22

1.7.2 可信度：实验室样本、老化和建模23

1.7.3 两个例子24

1.7.4 关于可靠性评估的补充述评26

1.8 降额和冗余27

1.8.1 例子：降额和冗余同时使用的仿真算例28

1.9 故障分类29

1.9.1 浴盆曲线29

1.9.2 正常故障（耗损）30

1.9.3 非正常故障（早期缺陷和故障）31

1.10 可靠性保证工作中的各阶段33

1.10.1 预先合格鉴定33

1.10.2 验证（通过筛选的可靠性）39

1.10.3 合格鉴定42

1.10.4 监察43

1.10.5 再次合格鉴定43

附录1A：例——光检测元件老炼44

参考文献45

第2章 随机性的概念50

2.1 随机、确定性和不规则（CHAOS）50

2.1.1 随机50

2.1.2 随机性与确定性：混合的情况51

2.1.3 确定论52

2.1.4 不规则（chaos）52

2.2 可靠性中的随机概念62

2.2.1 例2-1：灯泡失效62

2.2.2 例2-2：原子核和原子的自发放射63

2.2.3 例2-3：掷硬币（“最后一个站着的人”）63

2.2.4 例2-4：假定的电阻失效65

2.2.5 例2-5：假定的电容失效66

2.3 随机的和有代表性的样本68

参考文献68

第3章 概率与抽样71

3.1 概率定律简介71

3.2 概率定律71

3.3 二项式分布72

3.3.1 示例：购买5个轮胎73

3.3.2 上限和置信水平74

3.4 泊松分布81

3.4.1 示例：购买5个轮胎82

3.4.2 上限和置信水平82

3.5 使用泊松近似法的局限84

3.6 示例：比特错误率的范围88

3.7 示例：卡方法90

附录3A：由N个单元组成的系统的失效概率的范围91

参考文献92

第4章 可靠性函数93

4.1 引言93

4.2 可靠性函数93

4.2.1 生存函数93

4.2.2 故障函数（CDF）94

4.2.3 概率密度函数94

4.2.4 故障率95

4.3 平均故障率96

4.4 故障率单位97

4.5 竞争风险模型98

4.6 混合分布模型100

4.7 竞争风险混合模型101

4.8 可靠性函数关系总结102

4.8.1 给定f（t）102

4.8.2 给定F（t）102

4.8.3 给定S（t）102

4.8.4 给定λ（t）103

参考文献103

第5章 可靠性模型：指数模型105

5.1 引言105

5.2 指数模型105

5.3 指数模型应用：不可修产品107

5.3.1 案例5-1：汽车轮胎故障107

5.3.2 案例5-2：记录错误108

5.3.3 案例5-3：放射性衰变和自发辐射109

5.3.4 案例5-4：冲击故障109

5.4 指数模型应用：可修产品111

5.4.1 案例5-5：巴士发动机故障112

5.4.2 案例5-6：灯泡故障仿真112

5.4.3 案例5-7：轮胎故障仿真112

5.5 指数模型推导114

5.5.1 放射性衰变观测114

5.5.2 机会法则115

5.5.3 齐次泊松过程115

5.5.4 量子化学117

5.5.5 系统故障观测118

5.6 案例：零故障老化试验置信上限估计118

5.6.1 指数模型在零故障加速老化试验中的应用118

5.6.2 Weibull模型在零故障加速老化试验中的应用122

5.6.3 指数模型和使用环境下的零故障老化试验124

5.6.4 指数模型和现场环境下的零故障老化124

5.7 案例：部分故障老化试验置信上限估计125

5.7.1 零故障（n＝0）125

5.7.2 一个样本故障（n＝1）126

5.7.3 多个样本故障（n〉0）127

5.8 零故障（n＝0）点估计128

5.8.1 方法一128

5.8.2 方法二129

5.9 无记忆性129

5.10 指数模型在耗损型故障产品中的近似应用130

附录5A：边界热激活能130

参考文献131

第6章 可靠性模型：Weibull模型和对数正态模型134

6.1 引言134

6.2 Weibull模型134

6.2.1 Weibull模型的一些应用136

6.2.2 Weibull模型的数学性质137

6.3 对数正态模型139

6.3.1 对数正态模型的一些应用140

6.3.2 对数正态模型的数学根据140

6.3.3 对数正态型耗损：平均寿命延长145

参考文献146

第7章 人类和组件的浴盆曲线150

7.1 人类死亡浴盆曲线150

7.2 人类死亡统计学150

7.3 人类死亡浴盆曲线举例151

7.4 人类死亡寿命的对比解释154

7.5 人类和其他生物的统计寿命模型155

7.6 人类死亡的Gompertz模型：估计实例155

7.7 人类死亡率的回归模型：估计实例158

7.8 人类死亡的Weibull模型：估计实例162

7.9 蠕虫死亡率回归模型（1）：估计实例162

7.10 蠕虫死亡率Weibull模型（2）：估计实例164

7.11 Gompertz模型和高龄非老化（Late-Life Nonaging）：解释实例165

7.12 Logistic模型和高龄非老化：解释实例166

7.13 寿命不一致性以及高龄非老化167

7.13.1 表观遗传：寿命不一致的潜在原因167

7.13.2 表观遗传：寿命不一致性试验168

7.14 组件浴盆曲线169

7.15 组件浴盆曲线建模171

7.16 经验浴盆曲线案例175

7.16.1 案例7-1：机械系统175

7.16.2 案例7-2：真空管176

7.16.3 案例7-3：CMOS集成电路阵列177

7.16.4 案例7-4：非霍奇金淋巴瘤178

7.16.5 结论：经验浴盆曲线179

7.17 传统浴盆曲线的三大区域179

7.17.1 寿命初期的故障（早期故障和畸形故障）179

7.17.2 工作或使用寿命阶段：恒定故障率模型189

7.17.3 耗损阶段192

7.18 人类和组件的故障率200

参考文献200

第二部分 案例研究206

第8章 故障数据建模介绍206

8.1 概述206

8.2 统计学建模的动机206

8.2.1 早期故障消除206

8.2.2 安全寿命或故障树间隔估计207

8.2.3 质量控制208

8.3 统计学寿命模型208

8.4 双参数模型选择209

8.4.1 不受早期故障影响的数据210

8.4.2 受早期故障影响的数据210

8.4.3 结果对剔除的敏感性212

8.5 三参数模型选择218

8.5.1 示例1：具有阈值的理想Weibull分布219

8.5.2 示例2：具有阈值的仿真Weibull分布220

8.5.3 示例3：镍金属丝疲劳222

8.5.4 示例4：焊接疲劳223

8.5.5 示例5：电迁移故障224

8.5.6 示例6：拒绝利用三参数Weibull模型的原因225

8.6 Weibull混合模型226

8.7 相似模型描述227

8.7.1 Weibull模型和正态模型227

8.7.2 对数正态模型和正态模型230

8.8 故障阈值或安全寿命的估计231

8.9 模型参数的估计231

8.10 统计学拟合优度检验232

8.11 样本大小的限制233

8.11.1 仿真1233

8.11.2 仿真2237

8.11.3 仿真3243

8.11.4 仿真研究结论概述244

8.12 解释的限制244

8.13 数据集分析组织245

8.14 分析结果概述246

8.15 未预测到的结果：表8.5和表8.6250

8.16 疲劳故障统计学模型251

8.16.1 Weibull模型251

8.16.2 对数正态模型252

8.16.3 Gamma模型252

8.16.4 Birnbaum-Saunders（BS）模型252

8.17 结论253

参考文献253

第9章 50台理想Weibull设备258

9.1 分析1258

9.2 分析2261

9.3 结论262

参考文献263

第10章 50台理想对数正态设备264

10.1 分析1264

10.2 分析2267

10.3 分析3268

10.4 分析4269

10.5 结论272

参考文献273

第11章 50台理想正态设备274

11.1 分析1274

11.2 分析2276

11.2.1 情况1276

11.2.2 情况2277

11.3 分析3280

11.4 结论281

参考文献282

第12章 50台理想Weibull和对数正态设备283

12.1 5台理想Weibull设备283

12.2 5台理想对数正态设备285

12.2.1 分析1285

12.2.2 分析2285

12.2.3 分析3287

12.3 结论289

参考文献290

第13章 9个不确定组件291

13.1 分析1291

13.2 分析2293

13.3 结论295

第14章 10个绝缘电缆样本297

14.1 绝缘电缆样本：类型1297

14.1.1 分析1297

14.1.2 分析2298

14.1.3 分析3300

14.1.4 结论：类型1301

14.2 绝缘电缆样本：类型2303

14.2.1 分析1303

14.2.2 分析2305

14.2.3 结论：类型2306

14.3 绝缘电缆样本：类型1和类型2结合306

14.3.1 分析1307

14.3.2 分析2308

14.3.3 结论：类型1和类型2309

参考文献310

第15章 10个钢样本311

15.1 设置1（应力A）311

15.1.1 分析1311

15.1.2 分析2312

15.1.3 分析3313

15.1.4 结论：设置1（应力A）314

15.2 设置2（应力B）314

15.3 设置3（应力C）315

15.3.1 分析1316

15.3.2 结论：设置3（应力C）317

15.4 设置4（应力D）317

15.4.1 分析1317

15.4.2 结论：设置4（应力D）318

15.5 结论：总体318

参考文献319

第16章 12个电气绝缘样本320

16.1 电气绝缘：A型320

16.1.1 分析1320

16.1.2 分析2322

16.1.3 分析3322

16.1.4 分析4323

16.1.5 结论：A型324

16.2 电气绝缘：B型325

16.2.1 分析1325

16.2.2 分析2327

16.2.3 分析3327

16.2.4 分析4329

16.2.5 结论：B型329

16.3 电气绝缘：A型和B型结合330

16.3.1 分析1330

16.3.2 分析2332

16.3.3 分析3333

16.3.4 结论：A型和B型组合333

参考文献335

第17章 13个飞机部件336

17.1 分析1336

17.2 分析2337

17.3 分析3338

17.4 结论339

参考文献340

第18章 15件装备341

18.1 分析1341

18.2 分析2343

18.3 分析3343

18.4 结论345

参考文献346

第19章 18个未知产品347

19.1 分析1347

19.2 分析2349

19.3 分析3351

19.4 分析4352

19.5 结论353

参考文献353

第20章 19辆运兵车354

20.1 分析1354

20.2 分析2356

20.3 分析3357

20.4 结论359

参考文献360

第21章 19个绝缘液体样本（34kV）361

21.1 分析1361

21.2 分析2362

21.3 分析3363

21.4 分析4364

21.5 分析5365

21.6 分析6366

21.7 结论：19个样本（34kV）366

21.8 附加分析368

附录21A：15个绝缘液体样本（36kV）369

附录21B：15个绝缘液体样本（32kV）372

参考文献376

第22章 20个不明确样本377

22.1 分析1377

22.2 分析2379

22.3 分析3380

22.4 分析4381

22.5 结论382

参考文献383

第23章 20个电介质样本384

23.1 分析1384

23.2 分析2385

23.3 分析3386

23.4 结论387

参考文献389

第24章 20个电池390

24.1 分析1390

24.2 分析2392

24.3 分析3392

24.4 分析4394

24.5 分析5394

24.6 结论395

附录24A396

参考文献399

第25章 20个环氧绝缘样本400

25.1 分析1400

25.2 分析2401

25.3 分析3402

25.4 分析4403

25.5 结论404

参考文献405

第26章 20辆电动汽车406

26.1 分析1406

26.2 分析2407

26.3 分析3409

26.4 结论410

参考文献411

第27章 20组电线和捆扎绳412

27.1 分析1412

27.2 分析2414

27.3 结论415

参考文献415

第28章 20个电绝缘样本416

28.1 分析1416

28.2 分析2418

28.3 分析3419

28.4 分析4420

28.5 结论422

参考文献423

第29章 23个深沟球轴承424

29.1 分析前综述424

29.2 分析1425

29.3 分析2427

29.4 分析3428

29.5 分析4428

29.6 分析5429

29.7 分析6430

29.8 结论431

参考文献433

第30章 25个深沟球轴承故障数据的重新解释435

30.1 分析1：19个故障，6个剔除436

30.2 分析2：18个故障，7个剔除437

30.3 分析3：13个球故障，12个剔除439

30.4 分析4：12个球故障，13个剔除440

30.5 分析5：12个球故障，13个剔除441

30.6 结论442

参考文献443

第31章 24份钢样本444

31.1 分析1444

31.2 分析2445

31.3 分析3446

31.4 结论447

参考文献449

第32章 24支晶体管450

32.1 分析1450

32.2 分析2451

32.3 分析3452

32.4 结论453

参考文献454

第33章 25个纱线样本455

33.1 分析1455

33.2 结论456

参考文献456

第34章 25根钢棒457

34.1 分析1457

34.2 分析2458

34.3 结论459

参考文献459

第35章 25份未公开的样本460

35.1 分析1460

35.2 分析2462

35.3 结论463

参考文献463

第36章 26个碳纤维树脂（L＝75mm）464

36.1 分析1464

36.2 分析2466

36.3 结论467

参考文献467

第37章 26个雷达系统故障468

37.1 分析1468

37.2 分析2469

37.3 分析3470

37.4 分析4472

37.5 分析5473

37.6 结论474

参考文献475

第38章 28个碳纤维束（L＝20mm）476

38.1 分析1476

38.2 分析2478

38.3 分析3479

38.4 分析4479

38.5 分析5480

38.6 结论481

参考文献482

第39章 29个碳纤维束（L＝300mm）484

39.1 分析1484

39.2 分析2486

39.3 分析3487

39.4 结论488

参考文献490

第40章 30个激光焊接头491

40.1 计划表1，30个零件491

40.1.1 分析1491

40.1.2 分析2493

40.1.3 分析3493

40.1.4 计划表1的结论494

40.2 计划表2，30个零件495

40.2.1 分析1495

40.2.2 分析2497

40.2.3 分析3498

40.2.4 计划表2的结论498

40.3 计划表3，30个零件499

40.3.1 分析1499

40.3.2 分析2501

40.3.3 计划表3的结论503

40.4 总结论（计划表1、2、3）503

参考文献504

第41章 32台离心泵505

41.1 分析1505

41.2 分析2507

41.3 分析3509

41.4 分析4511

41.5 结论512

参考文献513

第42章 34个晶体管514

42.1 分析1514

42.2 分析2515

42.3 分析3516

42.4 结论517

参考文献519

第43章 35个钢槽样本520

43.1 分析1520

43.2 分析2522

43.3 分析3522

43.4 结论524

参考文献525

第44章 36个电气装置526

44.1 分析1527

44.2 分析2528

44.3 结论529

参考文献529

第45章 一个500MW发电机的36个故障530

45.1 分析1530

45.2 分析2531

45.3 结论532

参考文献533

第46章 40个未指定零件534

46.1 分析1534

46.2 分析2535

46.3 结论536

参考文献537

第47章 43个真空管538

47.1 分析1538

47.2 分析2540

47.3 分析3542

47.4 结论542

参考文献543

第48章 收发机的46次维修544

48.1 分析1544

48.2 分析2545

48.3 结论546

参考文献547

第49章 47个薄膜器件548

49.1 分析1548

49.2 分析2550

49.3 结论552

参考文献552

第50章 50个油门553

50.1 分析1553

50.2 分析2555

50.3 分析3556

50.4 结论557

参考文献558

第51章 50个未知项559

51.1 分析1559

51.2 分析2560

51.3 分析3562

51.4 分析4563

51.5 分析5564

51.6 小结564

参考文献566

第52章 50个电子元器件567

52.1 分析1567

52.2 分析2569

52.3 分析3569

52.4 小结570

参考文献571

第53章 50个轴承572

53.1 分析1572

53.2 分析2574

53.3 分析3575

53.4 小结576

参考文献577

第54章 50个深槽滚球轴承578

54.1 分析1579

54.2 分析2581

54.3 分析3581

54.4 小结582

参考文献583

第55章 57组铝样本584

55.1 分析1584

55.2 分析2585

55.3 分析三587

55.4 小结588

参考文献589

第56章 57组碳纤维（L＝1mm）590

56.1 分析1590

56.2 分析2592

56.3 小结593

参考文献593

第57章 59组铝导线595

57.1 分析1595

57.2 分析2597

57.3 分析3599

57.4 分析4600

57.5 分析5603

57.6 分析6604

57.7 小结605

参考文献606

第58章 60组电器607

58.1 分析1607

58.2 分析2608

58.3 分析3609

58.4 小结610

参考文献611

第59章 64组碳纤维（L＝10mm）612

59.1 分析1612

59.2 分析2614

59.3 小结615

参考文献616

第60章 66组碳纤维（L＝50mm）617

60.1 分析1617

60.2 分析2619

60.3 分析3619

60.4 小结620

参考文献621

第61章 70根碳纤维（L＝20mm）622

61.1 分析1622

61.2 结论622

61.3 单碳纤维的主要结论623

参考文献625

第62章 72个T7987合金样本626

62.1 分析1626

62.2 分析2628

62.3 结论629

参考文献630

第63章 85个胶黏剂样本631

63.1 分析1631

63.2 分析2633

63.3 分析3635

63.4 结论635

参考文献636

第64章 96次机车控制637

64.1 分析1637

64.2 分析2639

64.3 分析3641

64.4 分析4642

64.5 结论643

参考文献644

第65章 98个刹车片645

65.1 分析1645

65.2 分析2647

65.3 分析3648

65.4 分析4649

65.5 结论649

参考文献650

第66章 100个熔断丝651

66.1 分析1651

66.2 分析2652

66.3 结论653

参考文献654

第67章 100股凯芙拉纤维线655

67.1 分析1655

67.2 分析2657

67.3 分析3657

67.4 分析4659

67.5 分析5660

67.6 结论661

67.7 两种混合模型评估结果的比较662

参考文献662

第68章 100个未命名的产品663

68.1 分析1663

68.2 分析2664

68.3 分析3665

68.4 结论666

参考文献666

第69章 100个未指定的样品667

69.1 分析1667

69.2 分析2669

69.3 分析3670

69.4 结论671

参考文献673

第70章 101块铝板（21kpsi）674

70.1 分析1675

70.2 分析2678

70.3 分析3681

70.4 分析4684

70.5 分析5686

70.6 分析6686

70.7 结论687

参考文献687

第71章 101块铝板（31千磅／英寸2）689

71.1 分析1689

71.2 分析2690

71.3 分析3694

71.4 结论694

参考文献695

第72章 102件铝试样（26千磅／英寸2）697

72.1 分析1697

72.2 分析2700

72.3 分析3704

72.4 结论707

72.5 结论：三种应力水平（21，26和31 kpsi）707

参考文献708

第73章 104个砷化镓激光器709

73.1 分析1709

73.2 分析2711

73.3 分析3711

73.4 分析4713

73.5 分析5713

73.6 分析6714

73.7 分析7716

73.8 结论716

参考文献717

第74章 107个无线电发射机718

74.1 分析1718

74.2 分析2720

74.3 结论720

参考文献721

第75章 109次矿难722

75.1 分析1722

75.2 分析2724

75.3 分析3725

75.4 结论726

参考文献727

第76章 110条轮胎728

76.1 分析1728

76.2 分析2729

76.3 结论731

参考文献732

第77章 137根碳纤维733

77.1 分析1734

77.2 分析2736

77.3 分析3737

77.4 分析4738

77.5 结论740

参考文献741

第78章 148组深沟球轴承742

78.1 分析1743

78.2 分析2744

78.3 分析3745

78.4 结论746

参考文献747

第79章 153件飞机挡风玻璃748

79.1 分析1749

79.2 分析2751

79.3 分析3752

79.4 结论754

参考文献755

第80章 417个灯泡756

80.1 分析1757

80.2 分析2759

80.3 分析3761

80.4 分析4762

80.5 分析5763

80.6 分析6764

80.7 结论765

附录80A 50个电灯泡（质量检测的前5周）767

附录80B 100个电灯泡（质量检测的前10周）772

附录80C 200个电灯泡（质量检测的前20周）777

参考文献781