郑州航院可靠性工程课程设计报告.docx

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郑州航院可靠性工程课程设计报告

航空工业管理学院

课程设计报告

—届专业—班级

课程名称可靠性工程课程设计

题目

FTA分析与可靠性增长分配

姓名学号

指导教师职称

二0一五年六月五日

课程设计任务书

、设计题目

基于电池续航寿命的手机通话系统FTA分析与可靠性增长分配

、设计依据

1、智能手机平台总体结构图2、基础数据：

除了电池的续航可靠度未知之外，其它各组件的故

障率均为0.001/h；FTA分析的时间位置为t?

1.96?

;通话系统设计可

靠度要求R（t）=0.95;手机各部件可靠性增长与投入成本之间的关系为

Ri1ei（Xii）,i1,2,,14，各部件参数见下表1:

表1各部件可靠性增长与投入成本之间的关系

部件名称

a

部件名称

a

电池

0.9

4.0

应用处理器

0.6

2.0

调谐&解调器

0.6

3.0

条件接收模块

0.9

3.0

存储器

0.9

1.0

蓝牙耳机

0.9

1.0

蓝牙/WIFI

0.8

2.0

LCD模块

0.6

2.0

耳机

0.9

1.0

扬声器

0.9

；2.0

音频解码器

0.6

4.0

射频&基带处理器模块

0.6

3.0

传声器

0.9

1.0

摄像头模块

0.9

2.0

2、电池的续航可靠度根据个人收集的电池续航时间数据进行分析和计算得到；

3、可靠性数据分析步骤及要求，FTA分析步骤及要求，可靠性分配模型；

4、可靠性数据及FTA分析案例，可靠性分配示例。

三、设计容

以智能手机通话系统为分析对象，根据实测数据，识别和检验手机电池续航寿命分布；基于智能手机平台总体结构图，建立手机通话系统故障树，并根据已知和前述分析所得数据对故障树进行定性、定量分析;

基于前述相关分析结果，根据通话系统设计可靠度要求，以及应用处理器可靠性增长、电池续航寿命可靠性增长与成本的关系函数，基于最优成本对通话系统的应用处理器和电池进行可靠性增长分配，并计算最优成本值。

2015年4月26日

序、课程设计简介1

一、课程设计的目的1

二、课程设计的容1

三、课程设计的具体要求2

四、课程设计进度安排2

一、系统简介3

1、智能手机系统功能的分析与介绍3

2、系统部件构成4

二、手机电池续航可靠性分析5

1、收集电池充电间隔时间5

2、根据收集的数据识别电池续航寿命分布6

3、对电池续航寿命分布进行检验7

4、计算电池相关时刻的可靠度8

三、手机通话系统的故障树分析9

1、故障树的建立9

2、故障树定性分析10

3、故障树的定量分析10

四、通话系统的可靠性增长分配11

1、建立系统设计可靠性与单元可靠性增长变量之间的关系函

数11

3、可靠性增长分配和最优成本结果的计算12

五、总结15

参考文献16

基于电池续航寿命的手机通话系统FTA分

析与可靠性增长分配

学号：

120510115:

盼云

序、课程设计简介

一、课程设计的目的

通过这次课程设计，较好地掌握可靠性工程的相关理论与方法，

能灵活应用可靠性工程理论知识和方法，达到如下目的：

（1）了解和掌握可靠性数据分析、FTA可靠性分配等可靠性工程理论和方法；

（2）培养分析问题和解决问题的实践能力；

（3）对可靠性工程理论知识和方法与生产实践的结合有更深入的

感性认识。

二、课程设计的容

以智能手机通话系统为分析对象，根据实测数据，识别和检验手机电池续航寿命分布；基于智能手机平台总体结构图，建立手机通话系统故障树，并根据已知和前述分析所得数据对故障树进行定性、定量分析；基于前述相关分析结果，根据通话系统设计可靠度要求，以及应用处理器可靠性增长、电池续航寿命可靠性增长与成本的关系函数，基于最优成本对通话系统的应用处理器和电池进行可靠性增长分配，并计算最优成本值。

三、课程设计的具体要求

1.收集手机电池充电间隔期数据（不低于50个数据）；

2.根据收集数据识别手机电池续航寿命分布并进行假设检验；

3.根据手机平台总体结构对通话故障进行故障树分析，并基于已知和

计算数据进行故障树的定性、定量分析；

4.根据系统可靠度设计要求及其它已知条件，对应用处理器和电池进行最优成本的可靠性增长分配分析，计算最优分配结果。

四、课程设计进度安排

1、每人单独1组，独自完成。

2、时间和进度安排：

时间为10-11周，共两周；

第13周周日之前交于各自指导教师，由各指导教师安排答辩和评分。

系统简介

1、智能手机系统功能的分析与介绍

（1）人性化：

可以根据个人需要扩展机器功能。

根据个人需要，实时扩展机器置功能，以及软件升级，智能识别软件兼容性，实现了软件市场同步的人性化功能。

（2）功能强大：

扩展性能强，第三方软件支持多。

（3）运行速度快：

随着半导体业的发展，核心处理器（CPU发展迅速，使智能手机在运行方面越来越极速。

（4）具备无线接入互联网的能力：

即需要支持GSM网络下的GPRS或者CDM网络的CDMA1或3G（WCDMACDMA-2000TD-CDMA网络，甚至4G（HSPA+FDD-LTETDD-LTE。

（5）具有PDA的功能：

包括PIM（个人信息管理）、日程记事、

任务安排、多媒体应用、浏览网页。

（6）具有开放性的操作系统：

拥有独立的核心处理器（CPU和存，可以安装更多的应用程序，使智能手机的功能可以得到无限扩展。

2、系统部件构成

智能手机系统部件的构成如下图1-1所示:

图1-1智能手机平台总体结构

二、手机电池续航可靠性分析

1、收集电池充电间隔时间

智能手机电池充电间隔时间的数据收集如下表2-1所示:

表2-1电池充电间隔时间

C

丄

2

HMH

2010/3/23

J机死电时劉

17:

10

子UL电世荒电同Psi期」散

3

2015/3/24

20:

03

27.&3

4

2O1G/3/25

C:

!

3417:

DC

日.C8L』_・3T

S

NCi]5/3/ZE.

12:

2722:

04

IN.2S9.&2

6

201Fi/3/27

1S：

4S

18.7

7

2015/3/26

23;30

7.73

8

2015/3/29

14:

02

14.53

吕

^□15/3/30

12：

3B1G：

31

22,S已SS

tO

11

2015/3/31

2015/

12:

272S:

3O

12:

20

119.93LI.6

12.S3

12

^Olb/4/L3

12=4221:

47

12.3T9..08

13

2O1B/4/3

15-4=/

18

14

2015/4^4

18-2^

S2

1n

201Fj/47E

20：

18

25-9

1G

201G/4/&

21

24*98

17

2015/4/7

13:

37

IQ.□□

ia

7：

O15/斗丿B

1320919:

29

2言.534a昌旨

201Fi/4：

/9

16l1722:

10

S3R,BS

20

2015/4/1Q

11=23

16,22

Zl

3015/4=/_L1

Zl

si.e

22

2015/<4?

12

22:

1B

24..32

23

2015/4/13

13:

4021:

3：

1

15.377.56

24

2015/4/14

13:

2220:

31

15.Q57.15

"S

201S/4/15

13；L!

O

16.as

2&

2Olta/4/IE；

9=iU721:

丄3

19.7HI2.Ili

27

201574717

12=14

23,17

za

201b/4/18

20:

41

32,74

201b/4/丄Q

19:

16

22.bB

3LI

201b/4720

L4:

SS

19.7

31

201D/4/31

i5:

32IS:

43

15,579,18

3Z

2015/4/22

10:

48

19

33

20H-i/4/23

20：

15

33.53

3+2015/4/Z4

1H：

U3

Zl.9

315

2DI5/4/2!

?

i

13:

41

6,53

35

2015/斗/占B

22:

47

33.1

37

2015/斗/ZT

12:

50

14,。

日

201S/4/28

23：

A7

34.28

2Q15/4/29

15:

24

1G.28

斗o

2015/4/30

14:

50

23.43

41

201H/S/1

13:

53

23.OS

+2

201R/5/2

1G：

3S

2A.7S

+3

2O1S/S/3

7=5418：

29

15,2fiIO,58

2O15/S/4

22:

03

27b4

45

2Ol!

d/5/5

13:

58

15.92

2OlLi/!

zi/ei

13:

19

23-35

4=7

2015/5/7

19:

41

3O_37

4=5

2015/5^9

17:

09

21.47

4

2015/S^S

1S；4821；40

沁OS5.97

£0

2015/5yi0

15；48

is.13

SI

2015/5^11

1S：

4119；53

21.366.20

52

2015/5^12

2O:

1G

24.3S

上表中手机充电时刻有时为两个记录数据，代表在该天手机充电

次数为2次，故对应的手机电池充电间隔时间也为2个

2、根据收集的数据识别电池续航寿命分布

将智能手机电池充电间隔时间的数据收集好之后输入Minitab

软件，得直方图如下图2-1所示：

©手雌池立电洵馬期救的直启罔r^~irB~ir^n-

图2-1手机电池充电间隔期数的直方图

由上图手机电池充电间隔期数的直方图可知手机电池续航寿命近似服从正态分布。

3、对电池续航寿命分布进行检验

对电池续航寿命分布进行卡方检验，得描述性统计量:

此外，由表2-1可知样本中值为：

M=（16.28+18）/2=17.41

由图2-1可知样本均值为18.07;因为正态分布识别一般准则为：

样本均值和样本中值大致相同，所以可以大致判定手机电池续航寿命服从正态分布。

根据表2-1中的数据，以95%勺置信水平建立时间间隔的置信区间：

n=641-a=0.05s2=63.68其中，查2分布表得：

X2a/2（n1）x20.0256388.°04

X21/2（n1）x20.9756342.950

率密度为:

4、计算电池相关时刻的可靠度

当t?

1.96?

=2.4292时，利用Matlab软件可得手机电池续航寿

命的可靠度如下图2-2所示：

图2-2手机电池续航寿命的可靠度

所以，当t=2.4292时，手机电池续航寿命的可靠度为:

2.4292

R（t）I-。

2

2*7.982

（t18.07）

1

x27.98

dt0.9868

三、手机通话系统的故障树分析

1、故障树的建立

手机通话系统的故障直接由手机应用处理器故障引起，由智能手

机系统部件的构成图1-1分析可知手机通话系统的故障树如下图3-1

所示：

图3-1手机通话系统的故障树

2、故障树定性分析

由上图3-1分析可知：

T二A1+A2+A3+A4+A5+A6+A7+A8+A9+X10

=X1+B1+X3+X4+B2+B3+X7+X8+X9+X10

=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10

即系统的最小割集为：

{X1}{X2}{X3}{X4}{X5}{X6}{X7}{X8}{X9}{X10}。

3、故障树的定量分析

将最小割集进行不交化处理并简化：

T=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10

X1X1X2X1X2X3X1X2X3X4X1X2X3X4X5

X1X2X3X4X5X6X1X2X3X4X5X6X7X1X2X3X4X5X6X7X8X1X2X3X4X5X6X7X8X9X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10

由实验指导书知其他部件不可靠度为：

F（t）1et1e0.001*2.42922.426*10-3，由上面的分析计算可知电池的不可

靠度为：

F（t）=1-R（t）=0.0132,则系统的不可靠度为：

333323

Fs（t）2.462*10"（1-2.462*10"）*2.462*10"（1-2.462*10-）*2.462*10

（1-2.462*10-3）*2.462*10-3（1-2.462*10-3）4*2.462*10-3（1-2.462*10-3）5*2.462*10-3

（1-2.462*10'3）6*2.462*10-3（1-2.462*10-3）7*2.462*10-3（1-2.462*10-3）8*2.462*10-3

（1-2.462*10'3）9*0.0132

0.0345

四、通话系统的可靠性增长分配

1、建立系统设计可靠性与单元可靠性增长变量之间的关系函数

可靠性分配是指在产品系统的工程设计阶段，将规定的系统可靠度总体指标合理分配给各个组成单元，明确各单元的指标要求，从而使得系统总体可靠度指标得到保证的过程。

可靠性分配程序：

1明确系统可靠性参数指标要求：

除电池的续航可靠度之外，其它各组件的故障率均为0.001/h；

2分析系统特点：

手机应用处理器中任何一个部件故障都会导致应用处理器故障进而导致手机通话系统故障，所以这些部件之间为串联模型关系；

3选取分配方法：

等分配法（对系统中全部单元分配以相等可靠度的方法）；

④进行可靠性分配：

1/n

n个单元组成的串联模型Ri=R;

⑤验算可靠性指标要求，调整优化：

FTA分析的时间位置为

t=2.4292h;通话系统设计可靠度要求R（t）=0.95。

由以上分析可知，对系统设计可靠性与单元可靠性采取串联模型下的等分配法，所以系统设计可靠性与单元可靠性增长变量之间的关

1/n

系函数为：

Ri=R其中，i=1,2,3,……,10

2、建立可靠性增长和成本关系函数

因为已知应用处理器可靠性增长（△R）、手机电池的续航可靠性增长（△F2）与投入成本之间Xi的关系分别为

R1ei（Xii）,i1,2,,（a,0.6,〔2.0;20.9,24.0）。

所以应用处理器可靠性增长（△F）与投入成本之间Xi的关系为：

错误!

未找到引用源。

手机电池的续航可靠性增长（△R）与投

入成本之间X的关系为：

错误!

未找到引用源。

3、可靠性增长分配和最优成本结果的计算

因为已知应用处理器可靠性增长（△F）、手机电池的续航可靠性增长（△R）与投入成本之间Xi的关系分别为

Ri1ei（Xii）,i1,2,（a,0.9,,4.0;20.6,22.0），此外，通话系

统设计可靠度要求R（t）=0.95，所以可用拉格朗日乘子法将系统可靠度分配给应用处理器和手机电池，并使系统的费用最小。

这是一个在

1=1

（i-1,2,3，…

2

•…，10）约束条件下，求使

f3=》冯

i-l

为最小的问题，n=2。

弓I入拉格朗日乘子错误！

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拉格朗日函数为：

l（xa）=m—九入00=》旳—九®-「[明

1=1注1

将错误!

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代入上式，并用变量R代替X得

L（RK=工屆一ln（l一％｝/%]-X（RS一RxR2）

【二丄

解方程组

错误!

未找到引用源

（11

—_亦&-町厂_%・应-®i）]

lRg=R1R2

将已知数据代入上式得

将上式输入Matlab软件中如下图4-1所示:

图4-1解方程组

Matlab软件输出的结果为：

错误！

未找到引用源。

R1=0.9796R2=0.9698

其中x代表R,错误!

未找到引用源。

y代表F2。

将其代入可靠性关系成本将其输入Matlab软件中如下图4-2所示:

祠Editor・D；\woric\Untiti?

dl2.m

图4-2解方程组

Matlab软件输出的结果为：

X1=8.3247X2=7.8222

故最小总成本为：

X=X1+X2=8.3247+7.8222=16.1469

五、总结

通过这次课程设计，我了解和掌握了可靠性数据分析、FTA可

靠性分配等可靠性工程理论和方法；并且培养分析问题和解决问题的实践能力；此外，也对可靠性工程理论知识和方法与生产实践的结合有更深入的感性认识。

本次课程设计主要容是：

以智能手机通话系统为分析对象，根据实测数据，识别和检验手机电池续航寿命分布；基于智能手机平台总体结构图，建立手机通话系统故障树，并根据已知和前述分析所得数据对故障树进行定性、定量分析；基于前述相关分析结果，根据通话系统设计可靠度要求，以及应用处理器可靠性增长、电池续航寿命可靠性增长与成本的关系函数，基于最优成本对通话系统的应用处理器和电池进行可靠性增长分配，并计算最优成本值。

在这次课程设计过程中，整个过程进行的并不是那么顺利，很多次都不知道如何进行下去，但是我通过与同学之间的不断交流，最终把困难都一一克服了，这让我深刻的体会到了相互交流的重要性。

这不仅锻炼了我的沟通能力，而且还进一步增进了同学之间的友谊。

此外，我还学会了把Matlab和visio软件知识运用到本次课程设计中，实现了知识的融会贯通。

最重要的是，通过这次课程设计，我了解和掌握了可靠性数据分析、FTA可靠性分配等可靠性工程理论和方法，并且培养分析问题和解决问题的实践能力，也对可靠性工程理论知识和方法与生产实践的结合有更深入的感性认识。

整个课程设计过程虽然有些磕磕绊绊，但是我感到很充实快乐。

参考文献

[1]公绪，静•新编质量管理学[M].:

高等教育，2003,8

[2]金伟娅，康达•可靠性工程•：

化学工业•

[3]新利，陆长捷•工程可靠性工程教程•：

国防工业•

[4]宋保维•系统可靠性设计与分析•：

西北工业大学•

⑸卢明银，徐人平•系统可靠性•：

机械工业•

[6]PatrickD.T.0'Connor等著，莉等译•实用可靠性工程（第四版）•：

电子工业

[7]宇•可靠性数据分析•：

国防工业•

课程设计答辩评语

成绩答辩组长签名年月日

附：

答辩小组成员:

姓名

职称

工作单位

备注