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威布尔分布的可靠性应用

我们谈可靠性,往往离不开开篇大幅统计学介绍。很多可靠性参考书,第一章也都是失效模型、可靠度函数、失效率函数、MTBF等。不吹不尬,可靠性确实离不开概率统计。

比如我们了解到很多实验设计中的数量选择都不是凭空虚设,也并非经验论的拍脑袋,大多都是依据失效函数、置信度等进行计算;再如我们预设的产品寿命是通过加速实验推算的数值,如果某家公司真的执行了诚意满满的寿命估算,估计做一批数量的样品,保证十年的使用寿命,客户和市场也该等的花都谢了;又如我们建立的很多数学模型都不可能完全印证实际情况,当丰满理想遭遇骨感现实,概率就可以跳出来为你不敢做保票的那一步找个台阶下。

图中是常用的可靠性分布及其对应的应用场景,主要分为离散和连续分布。

可靠性常用概率分布

今天我们主要聊聊Weibull分布,也就是图中故意卖关子的这一项。威布尔分布表达式异常复杂,在可靠性中使用范围却很广。其中失效密度函数表示如下:


m: 形状参数,表示函数的走势,m>1,表示失效率随时间增加,m<1, 表示失效率随时间减小。

t0: 参数或特征寿命,表示函数的缩放。

γ :位置参数,且 γ >0; 表示设备在[0, γ ]之间不会发生故障。

威布尔分布之所以好用,是因为通过调整不同参数,可以表征整个产品生命周期,即可靠性常提到的浴盆曲线,分为早期失效、随机失效和老化失效三个阶段。

早期失效,产品在开始使用时,失效率很高,但随着产品工作时间的增加,失效率迅速降低。这一阶段失效的原因大多是由于设计、原材料和制造过程中的缺陷造成的。

随机失效期,是失效率较低,且较稳定,往往可近似看作常数,可以用指数分布表示。这一时期是产品的良好使用阶段, 偶然失效主要原因是质量缺陷、材料弱点、环境和使用不当。

老化阶段,失效率随时间的延长而急速增加, 主要由磨损、疲劳、老化和耗损等原因造成。这个阶段也可以用正态分布来做模拟。

Weibull分布参数与失效模型之间的关系:

假设给我们一组数据,是实验中给定时间段内的失效样品数量统计,将这组数据在minitab中做直方图,我们可以大概感觉这组数据是处于产品的早期失效阶段,用分布进行拟合,如下分别用威布尔三参分布、双参指数分布、三参数对数正态分布、三参数伽玛分布都可以来表示这组数据的分布。

根据分布函数拟合,我们也可以反推,到样品失效数量达到一定百分比所用的实验时间。

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