建立故障树等模型为侵彻测试系统做更完备的可靠度研究
导读：侵彻测试系统对捕获信号的成功率还比较低，为此建立了故障树等模型，对它的可靠性的提高和关键部件的设计进一步的改进。由本站硕士论文中心整理。
绪论
本课题研究工作的目的和意义
现代战争中，出现了各种高强度、不同形式的综合防护目标，如机场跑道、机库、航母和高级指挥要地等，为了攻击这些高价值目标，一些“智能型”的钻地弹药相继出现。为了在弹体达到对目标的最大毁伤效果时引爆，要求弹载电子装置既具有识别不同目标的能力，又能抵抗穿过各种软硬不同形式的防护层时产生的多次高冲击。另外，电子引信和弹载电源，能否在不同着角下，抗多次高过载是一个关键。因此，要使引信在高冲击下适时作用，就必须现场测试侵彻过程的加速度信号。
侵彻测试系统(以侵彻测试电路为例)是现场测试侵彻过程的加速度信号的有效工具。在现场侵彻测试实验中通过在弹体内部安装侵彻测试系统，能够真实有效地采集到弹体侵彻目标是的过载信号。
但是在弹体侵彻目标的过程中测试装置往往要承受住非常高的过载冲击，比如:炮弹发射时冲击加速度可达15000g}5000馆;子母弹空中抛撒时子弹将承受1000008以上的过载;在进行弹体的飞行姿态测试中，弹体落地时若撞击上岩石类硬目标，将产生1000008以上的加速度。在如此恶劣的高过载环境下测试系统要想成功准确的捕获信号对测试系统可靠性的要求是非常高的.
目前侵彻测试系统捕获信号的成功率还比较低，同时又面临着侵彻测试实验的高成本和高费用，所以侵彻测试系统可靠性的提高是非常紧迫和必要的。文章运用可靠性的有关理论，对侵彻测试系统进行了可靠性框图、故障树、故障模式和影响分析，找出测试系统中提高可靠性的关键部件。通过可靠性试验和可靠性评估寻找提高关键部件可靠性的方法，最终得到整体测试系统可靠性的提高。
文章运用了可靠性的分析方法对侵彻测试系统进行了理论分析，建立了故障树等模型，为以后侵彻测试系统可靠性的提高和关键部件的设计改进提供了理论根据和借鉴经验。
2当前国内、外研究动态
2.1侵彻测试技术的发展现状
最早的关于弹体侵彻实验的研究可以追溯到1892年，当时法国的庞克莱(Poncelet )对弹体侵彻土壤等软目标的过载情况进行了研究，得到了一些经验公式。后来随着武器技术的发展，打击目标的种类不断增加，硬目标侵彻技术的研究逐渐发展起来。
20世纪70年代国外开始了弹载侵彻测试系统的研究，20世纪80年代初开始有相关文献报道。1973年Rohani等进行了沙质粘土中弹丸侵彻加速度的测量;1975年Chen给出了Antelop地区岩石侵彻时弹丸的加速度;1976年Wagner等测量了科罗拉多大峡谷附近凝灰岩侵彻过程中弹丸的加速度;1981年Forrestal等测量了弹丸侵彻地质材料目标的加速度;1992年Forrestal等报告了弹丸在侵彻混凝土时的加速度实测结果，峰值加速度在1200g左右;2000年Forrestal等完成了强度为23MPa和39MPa两种混凝土靶体在质量为13kg的弹丸和速度在140}-460m/s范围内侵彻时弹丸加速度的测量;2002年Frew等研究了混凝土靶尺寸对弹丸加速度和侵彻深度的影响[fll0
在侵彻测试系统可靠性方面美国桑地亚国家重点实验室(SNL Sandia national laboratory)和美国陆军水道实验站(WES )做了大量的研究工作，总结了一些经验公式。Sandia国家实验室对高g值加速度计的冲击校准和失效分析进行了大量的研究工作，开发了发射和碰撞条件下2-D和3-D加速度计封装的模型，其试验结果表明，对高速碰撞下环氧树脂封装的电子部件，其安全系数高于2.5。在抗高过载研究方面，加拿大Controlex公司研制的非易失性固态记录仪能够承受100000g的侵彻过载。其抗高冲击的实现方法主要是采用冲击吸能材料和阻挡层来隔离记录和对电子电路采取特殊灌封材料整体灌封，以避免内部任何元件的物理移动。此外，在电路设计采用相对于其它工艺能够承受更大的冲击过载的高质量的塑封集成电路，同时电路元器件全部选用表面贴集成电路芯片、小封装电阻电容四层布线结构电路板以减小系统体积。
瑞典某公司研制的高g值弹道飞行数据记录器(FDR flight data recorder)，如图1.1所示，体积尺寸为232mmx65mm，重缝约3.58kg。通过对敏感的电路部分和电池(抗冲击氧化银电池)使用环氧树脂材料进行灌封，并加钢外壳进行保护该公司成功测得了90000g的最大加速度，信号峰值脉宽约200微秒，如图1.2所示f210
国内在侵彻测试技术研究方面也开展了很广泛的研究，并且取得了一些成就。北京理工大学利用弹载存储测试技术测量引信小构件的冲击应力、爆炸抛洒中的引信过载，侵彻过程中弹体上某点的动态应力。在混凝土目标高g值侵彻研究方面，李科杰教授的课题组对记录电路以及加速度传感器都进行了系统的研究;华中理工大学的刘小虎等人采用反弹道技术，在空气炮上测量了弹丸质量为O.Skg的半球形头部钢弹以150^' 400m/s速度垂直侵彻混凝土靶的减加速度时间历程曲线，测量得到的过载峰值为3000^}4000g;中北大学电子测试技术国防重点实验室在祖静教授的带领下较早地在国内开展了这方面的工作，在动态测试与智能仪器领域开展了多方面卓有成效的研究工作，在国内较早全面系统的研究了弹载存储测试技术，并且成功测试出弹体侵彻钢筋混凝土钢板等硬目标的过载曲线，比如成功测试了弹体速度为690m/s的情况下侵彻钢筋混凝土的加速度
2. 2可靠性理论的发展状况
目前国内外侵彻测试系统的测试成功性仍然不高，测试装置在侵彻过程中往往会出现一些意想不到的意外。同时侵彻测试现场试验具有以下特点:1.弹体价格昂贵，试验成本高。2.实验设备复杂，试验成本高。3.测试环境恶劣，破坏性极大。这些特点就对侵彻测试系统的成功捕获数据的能力提出了很高的要求。目前国内外对其进行可靠性研究的文献还比较少，往往都是通过一些实践经验来改进测试系统以提高测试成功率。
可靠性是指:产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。这种能力可以用概率、寿命等参数来表示。
可靠性在上世纪中期诞生在美国，在这50多年来取得了长足的发展，特别是在军事装备和航天领域得到了广泛应用取得了巨大成功。
在第二次世界大战中，由于纳粹德国发射的V 1, V 2火箭的不可靠及美国运往远东的航空无线电设备有60%不能工作，引起了对可靠性问题的认识。1944年纳粹德国用V2火箭袭击伦敦，有80枚火箭没有起飞就在起飞台上爆炸，还有不少火箭没有到达伦敦就掉进英吉利海峡。当时美国海军统计，电子设备在规定的工作期内仅有so%的时间能有效地工作。在此期间，因可靠性问题损失飞机2100架，这是被击落飞机的1.5倍。通过大量现场调查和故障分析，采取了对策，诞生了可靠性这门学科[3].
当时德国在V1火箭研制后期，提出并运用了串联系统模型，得出火箭系统可靠度等于所有元器件、零部件数目乘积的结论。根据可靠性乘积定律，计算出该火箭的可靠度为0.75。因此，V1成为第一个运用系统可靠性理论的实例。美国对运往远东的航空无线电设备的可靠性问题进行了调查统计分析，找出主要原因是电子管的可靠性太差。于是，在1943年成立了电子管研究委员会，专门研究电子管的可靠性问题。20世纪40年代被认为是可靠性萌芽时期。
20世纪50年代是可靠性兴起和形成的年代0为解决军用电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题，美国军方及工业界有组织的开展了可靠性研究。在此期间具有影响的是1952年美国国防部成立了一个由军方、工业部门和学术界组成的电子设备可靠性咨询组( AGREE ) a 1957年 AGREE发表了题为《军用电子设备可靠性》的研究报告。该报告确定了美国可靠性工程发展的方向，成为了可靠性发展的奠基性文件，标志着可靠性已经成为一门独立的学科。
20世纪60年代是可靠性工程全面发展的阶段，也是美国武器系统研制全面贯彻可靠性大纲的年代。在这期间，美国先后开发了F-111A, F-15A战斗机、“民兵”导弹、“水星”和“阿波罗”宇宙飞船等装备。这些新一代装备对可靠性提出了更加严格的要求。在这些新一代装备的研制中，都不同程度地制订了较完善的可靠性大纲，规定了定量的可靠性要求，进行可靠性分配及预计，开展故障模式及影响分析(FMEA)和故障树分析 ( FTA )，采用余度设计，开展可靠性鉴定试验，验收试验和老练试验，进行可靠性评审等，使这些装备的可靠性有了大幅度的提高。
20世纪70年代是可靠性工程步入成熟的阶段。在这10年中，尽管美国及整个资本主义世界遇到经济困难，军费紧缩，但是可靠性作为降低武器系统寿命周期费用的一种有效工具得到进一步发展。在这一阶段建立了集中的可靠性管理机构，负责组织、协调国防部范围的可靠性政策、标准、手册和重大研究课题。美国空军的F-16A和海军的F/A-8A战斗机、陆军的M1主战坦克体现了70年代的特点。
80年代以来，可靠性工程向着更深、更广的方向发展。美国采取的这一系列可靠性措施，促使了美国军用产品和航天事业可靠性的大大提高，也使美国可靠性工程得到了突破性的发展。日本在50年代开始引进可靠性管理经验，取得了世人瞩目的成果。原苏联、英国、法国等国家也在可靠性理论方面进行了一系列深入的研究，取得了显著成就。
我国在50年代后期开始重视可靠性工作，比如钱学森同志提出用两个不太可靠的元器件组成一个可靠的系统。六十年代初，拓性工作。(七零五所)1965年在钱学森同志的建议下，原电子工业部五所就进行了可靠性评估的开原电子工业部成立了可靠性质量管理研究所。但建所不久，文革开始，七零五所被迫解散。
70年代初，航天事业的发展证明航天产品必须要经过严格的筛选，因此可以说我国在可靠性工程领域首先进行的工作是筛选。此后为了为了提高电子元器件的固有可靠度，发展了“七专”产品。“七专”产品初步满足了航天的需要，使元器件失效率大体上降低了一个数量级左右。
80年代我国可靠性工程得到了全面快速的发展。在军事技术领域对部分型号和较大系统提出了定量的可靠性要求，并为此而开展了设计过程中的可靠性分配及预计工作。由于航天事业发展的需要，延寿工作提到议事日程。各有关部门、军兵种越来越重视可靠性管理工作，加强了可靠性设计、可靠性信息管理等基础工作的研究。全国军用电子设备可靠性数据交换网已经成立。空军、航天工业部、总参通讯部、中船总公司等部门先后建立可靠性数据交换网等等(810
但是我国开展可靠性工作较晚，目前和发达国家相比还处于比较落后的水平，大致相当于美国60年代的水平。由于军事的特殊需要，可靠性技术应在军事领域得到领先的发展，但在我国这种领先的优势并不明显，可靠性工程技术队伍和管理人员的数量和素质与工作需求很不适应。加强各类人员对可靠性的认识，加强可靠性管理水平，是推动可靠性工程发展的关键。
3.本文主要完成的工作
(1)系统论述了可靠性工程的理论基础和相关的可靠性分析方法，介绍了可靠性中的各种概念。为侵彻测试系统(以侵彻测试电路为例)的可靠性分析提供理论依据。
(2)分析侵彻测试系统的系统构成，建立详尽的系统原理框图。总结多年来侵彻测试研究中和现场测试中所遇到的各种与可靠性有关的问题。建立系统的可靠性模型框图，分析系统失效的原因和提高可靠性的关键路径。运用可靠性理论中故障树(曰A)的分析方法对侵彻测试系统进行故障数分析，更加清晰的看到测试系统在工作中产生失效的原因。从而能够更加快捷的找到提高系统可靠性的关键部件。对测试系统进行故障模式及影响分析(FMECA)，针对以往遇到的各种故障进行分析，确定其影响程度和改善措施。
(3)针对可靠性理论的分析结果计算侵彻测试系统的可靠度。通过可靠性试验和可靠性评估的方法对可靠性较低的部件进行筛选和改进，从而达到可靠性提高的目的。
参考文献
[1]金壁辉.系统可靠性工程[M]，北京:国防工业出版社.2004
[2]郭波，武小悦.系统可靠性分析{M]，长沙:国防科技大学出版社.2002
[3]美国陆军武器装备司令部.吴志革译.可靠性设计指[M]，北京:第五机械工业部科学研究院系统工程研究室.1983
[4]刘明治.可靠性试验[M]，北京:电子工业出版社.2004
[5]顾瑛.可靠性工程数学[M)，北京:电子工业出版社.2004
[6]李伯成.嵌入式系统可靠性设计[M]，北京:电子工业出版社.2006
[7]孙青，庄奕琪，王锡吉，刘发.电子元器件可靠性工程[M)，北京:电子工业出版社.2002
[8]姜兴渭，宋郑吉，王晓晨.可靠性工程技术[M]，哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.2003
[9]任鸿秋，祖静.存储测试系统的可靠性研究.测试技术学报[[J],1994 Vof.B,No.2,147-152.
[10]任鸿秋一种对电子测压蛋电路的可靠性预计方法.华北工学院学报[[7) , 1999Vo1.209 No.1，60-63.
[11]谭文芳.复杂系统可靠性的Bayes分析!M)。重庆:西南交通大学，2002.
[12]信永生。航空兵器系统可靠性管理及数据分析的研究「M).长春:吉林大学，2003.
[13] Barlow, R.E, System reliability: foundations, in Theory of Reliability, Soc.Italiana,’ 1985,67-85.
[14] Barlow，R.E，Hunter tarry C. reliability analysis of one-unit system, OpnsRes,9,1996,200-208.
[15] Burke,L.W., E.S.Irwin, R.J.Faulstich, C.E.Newnham,and N.Scholey. High-g powersources for the U.S. army's HSTSS programe. Journal of powersource,vo1,65,263}270,1997
[16] Shigeru Yamada, Koichi Tokuno.etc.Software Reliability Measurement in Imperfect Debugging Environment and its application
[17] Shanthikuman J. } Software Reliability Models: A Review，Microelectronics and Reliabilitvy, 1983, 23(5):903-943
[18] Ang A H-S, Tang W H. Probability Concepts Design, Vol. 1，Basic Principles. New York: John in Engineering Planning and Wiley&Sons, Inc., 1975.
[19] Frangopol D M, Moses F. Reliability-Based Structural Optimization, in: H.Adeli伍d.),Advances in Design Optimization. London: Chapman-Hall, 1994.
[20] Rackwitz R. Reliability and Optimization of Structural Systems. New York: Chapman and Hall, 1995.
摘要 4-5
ABSTRACT 5-6
1.绪论 10-16
1.1 本课题研究工作的目的和意义 10-11
1.2 当前国内、外研究动态 11-15
1.2.1 侵彻测试技术的发展现状 11-12
1.2.2 可靠性理论的发展状况 12-15
1.3 本文主要完成的工作 15-16
2.系统可靠性的数学理论基础 16-24
2.1 可靠性的定义 16
2.2 可靠性参数与指标 16-20
2.2.1 可靠度R(t) 17-18
2.2.2 故障(失效)率λ(t) 18-19
2.2.3 失效分布函数F(t) 19
2.2.4 平均寿命θ 19-20
2.3 系统可靠性指标 20-22
2.3.1 可靠性验证指标 21
2.3.2 可靠性设计指标 21-22
2.4 可靠性评定中常用的分布 22-23
2.5 小结 23-24
3.侵彻测试系统的可靠性模型分析 24-38
3.1 侵彻测试系统工作原理及其故障总结 24-30
3.1.1 侵彻测试系统工作原理框图 24-25
3.1.2 侵彻测试系统故障总结 25-29
3.1.3 现场侵彻测试试验统计 29
3.1.4 实验室下的失效统计 29-30
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
4.侵彻测试系统的FMECA分。。。。 38-58
4.1 侵彻测试系统的FMECA分析 38-42
4.1.1 FMEA中的常用术语 38-39
4.1.2 FMEA分析的基本方法 39
4.1.3 侵彻测试系统的FMEA分析过程 39-42
4.1.4 侵彻测试系统的CA分析 42
4.2 侵彻测试系统的故障树分析(FTA)方法 42-47
4.2.1 侵彻测试系统故障树的建造方法 44-45
4.2.2 故障树中的符号 45-47
4.3 侵彻测试系统的故障树(FTA)的建立 47-50
4.4 侵彻测试系统故障树的分析 50-54
4.4.1 故障树的定性分析 50-52
4.4.2 故障树的定量分析 52-54
4.5 不同侵彻测试系统的失效概率分析 54-57
4.5.1 第一代侵彻测试系统失效概率分析 54-56
4.5.2 第二代侵彻测试系统失效概率分析 56-57
4.6 小结 57-58
5.可靠性试验与人的因素 58-71
5.1 可靠性试验的分类与意义 58-59
5.2 电池部件的可靠性增长试验 59-65
5.2.1 高冲击加载试验介绍 59-60
5.2.2 电池在高冲击下的失效分析 60-64
5.2.3 提高电池可靠性的方法 64-65
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硕士期间发表的论文及参与的科研工作 82-83
致谢 83
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