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시스템 신뢰성 향상을 위한 확률적 부하경감설계
Derating Design for Improving System Reliability by Using a Probabilistic Approach 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.6=no.297, 2010년, pp.743 - 749  

손영갑 (안동대학교 기계자동차공학과)

초록
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본 논문은 시스템 신뢰성 향상을 위한 확률적 접근을 이용한 부하경감설계방법을 제안한다. 제안하는 설계방법은 부품 수준이 아닌 시스템 수준에서 온도와 전류와 같은 스트레스의 경감 수준을 선정하는 것이다. 직렬 시스템의 신뢰도 모델을 이용하여, 스트레스와 시간의 함수로 주어진 부품들의 신뢰도값들을 이용하여 시스템 신뢰도를 평가한다. 기존의 부하경감설계에서는 고려되지 않았지만, 본 연구에서는 환경 및 동작 조건에서 시스템이 받게 되는 스트레스의 변량을 고려하였다. 시스템 신뢰도 향상을 위한 최적화 문제를 정의하고, FORM을 적용하여 해를 구함으로써 최적의 부하경감설계를 수행하였다. 전기 시스템에 대한 설계를 통하여 제안한 설계방법에 대한 자세한 설명과 응용가능성을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper proposes a derating design method for improving system reliability by using a probabilistic approach. In the proposed design, the focus is upon system levels in determining derated levels of stresses such as temperature and current, unlike recent design approaches that focus on component ...

주제어

#부하경감설계   #확률적   #시스템 수준   #스트레스 변량  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 수명평가에만 국한되어 왔던 신뢰성 분석을 응용하여 신뢰성 향상을 구현할 수 있는 부하경감설계 방법론을 제안하고자 한다. 제안하는 방법론은 스트레스 변량을 고려한 시스템 신뢰도의 평가방법을 제안하고 시스템 신뢰도를 최적화 할 수 있는 스트레스 수준을 정함으로써 궁극적으로 시스템의 신뢰도를 향상시키고자 한다.
  • 본 연구에서는 여러 부품들로 구성되는 시스템이 다양한 스트레스 환경에서 동작할 때, 시스템의 신뢰도를 향상하기 위한 시스템 수준의 부하 경감 설계기법을 제안하였다. 제안한 설계기법은 고장률 함수를 이용하지 않고 신뢰도 함수를 이용하기 때문에 다양한 수명분포를 따르는 부품들로 구성된 시스템에 적용할 수 있다.
  • 통계적인 공정 제어가 부품 제어의 한 가지 방법이다. 설계제어는 부품의 변량 및 열화에 둔감한 시스템을 설계하는 것이다. 강건(robust) 설계의 특성을 반영하여 부품 수준의 변량 및 열화가 시스템 성능에 미치는 영향을 최소화하는 것이 설계 제어이다.
  • 정전압 IC, 증폭용(amplifier) IC, 알루미늄 전해 커패시터, 녹색 LED로 구성된 오디오 시스템을 고려해 보자. 임의 시점 td에서 오디오 시스템의 신뢰도를 최대화하기 위한 부하경감수준을 결정하기 위해 제안한 설계방법론을 적용한다.

가설 설정

  • N개의 부품들이 직렬로 결합된 시스템이 r개의 스트레스 S = [S1, S2, S3,… Sr]를 받고 있다고 가정하자.
  • 임의 시점 td에서 오디오 시스템의 신뢰도를 최대화하기 위한 부하경감수준을 결정하기 위해 제안한 설계방법론을 적용한다. 본 논문에서는 문헌에 공개된 신뢰도함수들을 이용하였는데, 이러한 신뢰도함수들은 각 부품의 고장모드와 고장모드를 유발하는 스트레스를 이용하여 수행한 가속수명시험결과로부터 와이블분포를 가정하여 실험적으로 추정된 형상 및 척도 모수 값들을 이용하여 정의되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
부품 제어란 무엇인가? 제품의 신뢰성 향상을 위해 크게 부품 제어, 설계 제어, 부하경감에 대한 연구가 수행되고 있다. 부품 제어는 공정 설계를 통하여 부품들의 변량과 열화를 제어함으로써, 사용되는 부품의 동작 환경에서 고려된 시점까지 부품의 성능을 유지하는 것이다. 통계적인 공정 제어가 부품 제어의 한 가지 방법이다.
설계 제어는 어떻게 수행되는 것인가? 설계제어는 부품의 변량 및 열화에 둔감한 시스템을 설계하는 것이다. 강건(robust) 설계의 특성을 반영하여 부품 수준의 변량 및 열화가 시스템 성능에 미치는 영향을 최소화하는 것이 설계 제어이다. 따라서 설계 제어는 부품의 변량 및 열화가 시스템 성능에 미치는 영향을 제거하거나 최소화하는 기법이다.
시스템 고장률 예측에 기반을 둔 부하경감설계가 일정한 고장률을 가지는 지수분포에 국한되어 적용되는 단점이 생기는 이유는 무엇인가? 시스템 고장률 예측에 기반을 둔 부하경감설계는 시스템을 구성하는 부품의 수명분포가 서로 독립적(independent)이며 일정한 고장률을 가지는 지수분포에 국한되어 적용되는 단점이 있다. 일반적으로 부품은 시간이 증가함에 따라 고장률이 감소하는 초기고장, 고장률이 일정한 우발고장, 그리고 고장률이 증가하는 마모고장 특성을 나타낸다. 따라서 고장률이 일정하지 않은 부품들로 구성된 시스템의 경우, 기존에 제시된 방법을 이용한 시스템 부하경감설계가 어렵다.
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참고문헌 (10)

  1. Son, Y.K. and Savage, G.J., 2007, "Optimal Probabilistic Design of the Dynamic Performance of a Vibration Absorber," Journal of Sound and Vibration, Vol. 307, No.1/2, pp. 20-37. 

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  2. Edson, B. and Tian, X., 2004, "A Prediction Based Design-for-Reliability Tool," Annual Reliability and Maintainability Symposium, pp. 412-417 

  3. Tian, X., 2005, "Design-for-Reliability and Implementation on Power Converters," Annual Reliability and Maintainability Symposium, pp. 89-95 

  4. Melchers RE., 1987, Structural Reliability Analysis and Prediction. Wiley: Chichester 

  5. Rosenblatt, M., 1952, "Remarks on a Multivariate Transformation," Annual of Mathematical Statistics, Vol. 23, pp. 470-472. 

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  6. Drezner, Z., Wesolowsky G. O., 1990, "On Computation of the Bivariate Normal Integral," Journal of Statistical Computation and Simulation, Vol. 35, pp. 101-107. 

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  7. Lee, J.-S., Kim, J.-J., and Kwack, K.-D., 2006, "Accelerated Life Test for Regulator IC," Proceeding of the KSME 2006 Fall Annual Meeting, pp. 2396-2401. 

  8. Min, D.-J., Kim, J.-J., Son, Y.K., and Kwack, K.-D., 2007, "Derating Design Approach of Aluminum Electrolytic Capacitor for Reliability Improvement," Proceeding of the KSME 2007 Spring Annual Meeting, pp. 1712-1717. 

  9. Lee, J.-H., Choi, J.-W., Chang, M.-S., Shin, S.-J., and Kwack, K.-D., 2007, "Lifetime Estimation and Comparison of RGB LEDs for Electric Signs Use," Proceeding of the KSME 2007 Fall annual meeting, pp. 1272-1277. 

  10. Lee, H.-Y., Chang, M.-S., and Kwack, K.-D., 2008, "Lifetime Estimation of Amplifier IC due to Electromigration Failure," Proceeding of the KSME 2008 Fall Annual Meeting, pp. 1265-1270. 

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