Модель экспресс-оценки и модель напряжения MIL-HDBK-217 (Part Stress & Part Count)

 


Данное руководство было разработано Министерством обороны США при содействии военных ведомств, федеральных агентств и агентств по промышленности. MIL-217 является наиболее известным и наиболее используемым руководством по прогнозированию надежности. Коммерческие компании используют данное руководство наравне с оборонной промышленностью во всем мире. Оно содержит модели интенсивности отказов для различных электронных компонентов, таких как интегральные схемы, транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, реле, датчики, блоки соединения и другие.

 

Прогнозирование надежности – это важный инструмент для создания компромиссных решений в разработке и оценке надежности разрабатываемой системы. Прогнозирование часто выполняется для создания решений по поддержке первых образцов изделия/продукта. Например, можно выяснить, сколько требуется запасных частей для поддержки систем в эксплуатации. Неточное прогнозирование может привести к излишне консервативным разработкам и/или к переизбытку запасных частей, которые повлекут за собой дополнительные расходы на стоимость жизненного цикла (СЖЦ).

 

Руководство MIL-HDBK-217 включает серию эмпирических моделей интенсивности отказов, которые охватывают все электрические/электронные компоненты в 14-ти вариантах условий окружающей среды в эксплуатации, таких как «на земле», «в воздухе» и т.д. Существует два основных подхода прогнозирования: модель напряжения (part stress) и модель экспресс-оценки (part count). Как видно из этих названий, модель напряжения требует знания об уровнях напряжения на каждом компоненте, чтобы определить их интенсивность отказов. Модель экспресс-оценки содержит средний уровень напряжения, что позволяет предоставить раннюю оценку интенсивности отказов. Традиционные показатели, которые используются, чтобы определить интенсивность отказов, включают температурный показатель (πT), показатель мощности (πP), показатель мощности напряжения (πS), показатель качества (πQ), показатель условий окружающей среды (πE) в добавление к базовой интенсивности отказов (λb). Например, модель интенсивностии отказов для резистора имеет следующий вид:



λResistor = λb πT πP πS πQ πE
 

Где λResistor – это расчетный уровень отказов для резистора (resistor) на 1 миллион рабочих часов. Руководство не включает модели отказов для уровня скрытых отказов в нерабочих условиях.

Методы “Анализа напряжения на элемент” (PSA) и “анализа экспресс-оценки” (PCA) различаются количеством информации для их применения. Анализ PSA требует большего количества информации и используется позже в процессе разработки, когда цепные структуры становятся доступными. Анализ PCA требует только статистику, уровни качества и условия эксплуатации, что делает его менее точным, но полезным на ранних этапах разработки и во время формирования предложения или “спецификации пробного устройства”.

 

 

Сходство между анализами PCA и PSA в том, что оба метода прогнозирования используют аналогичные формулы. Для анализа PCA используются только расчетные величины, а для анализа PSA используются вычисленные величины или измеренные величины. Существует сходство между большинством моделей компонентов. Формула интенсивности отказов будет выглядеть следующим образом:

 
 λP = λbπEπQ

λP = интенсивность отказов компонента
λ
= базовая интенсивность отказов, зависящая от температуры и приложенного напряжения
π
= коэффициент перегрузки в данных условиях применения и другие параметры, которые влияют на надежность
πE
= коэффициент перегрузки, вызванной окружающими условиями

πQ  = коэффициент повышения надежности

 
Условия окружающей среды и качество используются для большинства компонентов, в то время как остальные p–переменные зависят от определенного компонента. Базовая интенсивность отказов обычно выражается моделью с использованием электрических и температурных напряжений и нагрузок на элемент. Одним из характерных элементов многих моделей является взаимосвязь между температурой и интенсивностью отказов. Эти модели используют тепловые нагрузки, которые выражаются законом Аррениуса. Другие коэффициенты перегрузки представлены коэффициентом перегрузки p. Данные, которые используются, чтобы выразить эти коэффициенты перегрузки, берут по большей части из данных производителей и данных эксплуатации. С помощью этого метода возможно смоделировать результаты использования того или иного компонента в определенных условиях окружающей среды, а также результаты использования специальных методов контроля качества компонента и др.

 

В идеале метод экспресс-оценки применяется на ранних стадиях этапа разработки, чтобы определить, что прогнозируемая надежность удовлетворяет требованиям надежности. Как только больше подробных данных по разработке становятся доступными, например, подробные схемы электрических соединений, прогнозирование должно быть обновлено, чтобы отражать уровень напряжений используемого компонента. Это требует переключения на более подробную методологию прогнозирования надежности моделей напряжения, что повлечет за собой значительно большее использование рабочих часов для анализа схем, чтобы вычислить фактический уровень напряжения для эксплуатации каждого компонента. Некоторые организации просто используют результаты модели экспресс-оценки как заключительную оценку средней наработки на отказ (MTBF), даже если результаты могут быть устаревшими из-за погрешностей в показателях уровня напряжения, существующих в методологии, которые иногда могут привести к дополнительным затратам, таким как снабжение дополнительными запасными сборочными единицами.

 

Хотя некоторые компании устанавливают правила разработки схем, такие как степень ограничения рабочих характеристик компонента, они не получают выгоду от своей политики в экспресс-модели оценки прогнозирования надежности, потому что в MIL-HDBK-217 установлены погрешности в показателях степени напряжения. Выходом из данного положения может быть использование полного метода модели напряжения или выполнение анализа "псевдо"-модели напряжения, который учитывает средний уровень напряжения, основывающийся на политике компании по разработке.

 

Эти два метода отличаются количеством информации, требуемой для их выполнения. Метод анализа модели напряжения требует большего количества подробной информации, а также является обычно более применимым на поздних этапах разработки. Напряжением на компонент в стандарте считаются фактические условия эксплуатации, такие как условия окружающей среды, температура, величина напряжения, ток, мощность, в условиях которого функционирует этот компонент. Стандарт MIL-217 группирует компоненты и сборочные единицы по главным категориям, каждая из которых имеет свои подгруппы. Например, “постоянный электролитический алюминиевый конденсатор” является подкатегорией группы “конденсаторы”. Каждому компоненту и сборочной единице и их подгруппам присвоена уникальная формула или модель для расчета интенсивности отказов этого компонента или сборочной единицы.

 

Метод анализа модели экспресс-оценки требует меньшее количество информации, такой как статистика, уровень качества и условия применения. Данный метод наиболее широко используется на ранних этапах разработки и стадии предложения по проекту.

 

Для оборудования, функционирующего в различных условиях окружающей среды, вычисления должны быть выполнены для некоторой части оборудования в каждых условиях окружающей среды.

Стандарт MIL-217 предоставляет таблицы для групп компонентов (те же группы, что и в анализе модели напряжения) с перечисленными общими отказами и параметрами качества для разных условий MIL-217.

 

Анализ модели экспресс-оценки не учитывает многочисленные переменные и использует самые серьезные общие отказы или базовые отказы и pi-факторы. Результатом метода модели экспресс-оценки обычно может стать повышенная интенсивность отказов или пониженная надежность системы, что выдаст более устаревший результат, чем метод модели напряжения.


Скачать ПО MIL-HDBK-217 по прогнозированию надежности RAM Commander
Скачать бесплатный калькулятор MTBF