樂(lè)洪宇，李朝榮，李 永，郭寶錄，王艷軍

(1．空軍駐錦州地區(qū)軍事代表室，遼寧錦州121000;2．東北電子技術(shù)研究所，遼寧錦州121000)

1 產(chǎn)品的的可靠性

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力，它是與產(chǎn)品性能指標(biāo)同樣重要的質(zhì)量特性之一。裝備性能指標(biāo)日益提高，產(chǎn)品的復(fù)雜性和技術(shù)含量均不斷提供，使產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)增長(zhǎng)問(wèn)題也日益突出，因此在產(chǎn)品研制過(guò)程中要抓好可靠性工作，通過(guò)設(shè)計(jì)逐次迭代來(lái)提高產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)，并對(duì)可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，找出可靠性設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，并指明潛在故障發(fā)生的位置和原因，成為可靠性設(shè)計(jì)中一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題?？煽啃宰鳛橐婚T(mén)系統(tǒng)工程科學(xué)，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展已經(jīng)形成了較為完整、健全的體系，在許多領(lǐng)域都取得了豐碩成果。雖然傳統(tǒng)可靠性增長(zhǎng)方法能夠準(zhǔn)確對(duì)產(chǎn)品可靠性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，但其費(fèi)用較高、周期長(zhǎng)，已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足裝備高可靠性的需求。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真技術(shù)在可靠性研究上的應(yīng)用，形成了可靠性仿真，可靠性仿真技術(shù)作為一門(mén)新興的可靠性技術(shù)正在興起，它必將為可靠性設(shè)計(jì)工作提供一種強(qiáng)有力的工具［1］?？煽啃苑抡婕夹g(shù)與傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)方法對(duì)比如表1所示。

表1 可靠性仿真方法與傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法對(duì)比

2 可靠性仿真試驗(yàn)

產(chǎn)品的可靠性仿真試驗(yàn)，主要包括:流程、故障預(yù)計(jì)、可靠性評(píng)估等［2］。

2．1 流 程

可靠性仿真試驗(yàn)共5個(gè)步驟，流程圖如圖1所示。

圖1 可靠性仿真試驗(yàn)流程

2．2 環(huán)境試驗(yàn)剖面

試驗(yàn)環(huán)境剖面如圖2所示。試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)力包括溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力。

圖2 可靠性仿真試驗(yàn)綜合剖面

(1)仿真試驗(yàn)溫度應(yīng)力包括4個(gè)條件，量值如表2所示。

表2 溫度應(yīng)力條件表

(2)仿真試驗(yàn)振動(dòng)應(yīng)力包括3個(gè)條件，振動(dòng)量級(jí)如表3所示。

表3 振動(dòng)應(yīng)力量級(jí)表

2．3 仿真分析

(1)信息收集。收集的信息包括PCB設(shè)計(jì)信息、全部元器件信息的模塊共7塊，30余種1000余只元器件，包括型號(hào)、封裝、質(zhì)量、尺寸等相關(guān)信息。信息收集表如表4所示。

表4 信息收集表

(2)數(shù)字樣機(jī)建模。產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)組成說(shuō)明如表5所示。

表5 產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)組成說(shuō)明表

根據(jù)收集的產(chǎn)品信息，經(jīng)過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化建立的產(chǎn)品CAD數(shù)字樣機(jī)如圖3所示。

圖3 受試產(chǎn)品CAD數(shù)字樣機(jī)

結(jié)合產(chǎn)品CAD數(shù)字樣機(jī)，并根據(jù)熱設(shè)計(jì)信息建立產(chǎn)品CFD數(shù)字樣機(jī)如圖4所示。

圖4 受試產(chǎn)品CFD數(shù)字樣機(jī)

結(jié)合產(chǎn)品CAD數(shù)字樣機(jī)，并根據(jù)耐振動(dòng)設(shè)計(jì)信息建立產(chǎn)品FEA數(shù)字樣機(jī)如圖5所示。

圖5 受試產(chǎn)品FEA數(shù)字樣機(jī)

2．4 模型修正與驗(yàn)證

為保證數(shù)字樣機(jī)的準(zhǔn)確性及數(shù)字樣機(jī)模型與物理樣機(jī)的一致性，通過(guò)對(duì)物理樣機(jī)采用熱測(cè)量試驗(yàn)的方法，得到物理樣機(jī)關(guān)鍵器件點(diǎn)溫度測(cè)試結(jié)果，對(duì)已建立的CFD初始模型進(jìn)行了修正，從而保證了CFD數(shù)字樣機(jī)的準(zhǔn)確性;通過(guò)對(duì)物理樣機(jī)采用模態(tài)試驗(yàn)的方法，對(duì)FEA數(shù)字樣機(jī)的初始模型進(jìn)行了修正，試驗(yàn)首先對(duì)電路板、空機(jī)箱及整機(jī)進(jìn)行自由模態(tài)分析，保證建模的準(zhǔn)確性，然后對(duì)電路板進(jìn)行約束條件下的模態(tài)分析，以保證仿真分析設(shè)置的邊界條件的準(zhǔn)確性，最后對(duì)整機(jī)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，驗(yàn)證數(shù)字樣機(jī)模型與物理樣機(jī)的一致性［3］。

根據(jù)熱測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)產(chǎn)品CFD數(shù)字樣機(jī)的邊界條件、器件參數(shù)等部分進(jìn)行修正，修正后的CFD數(shù)字樣機(jī)如圖6所示。

圖6 受試產(chǎn)品修正后CFD數(shù)字樣機(jī)

將模型修正之后的溫度應(yīng)力分析結(jié)果與熱測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比如表6所示，對(duì)比結(jié)果誤差滿(mǎn)足要求，表明了溫度應(yīng)力分析采用模型的正確性。

表6 溫度應(yīng)力分析結(jié)果與熱測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)物理樣機(jī)試驗(yàn)的模態(tài)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了修正，修正后的FEA數(shù)字樣機(jī)如圖7所示。

圖7 受試產(chǎn)品修正后的FEA數(shù)字樣機(jī)

網(wǎng)格劃分采用了掃掠、單元大小控制及多區(qū)域劃分法，分別對(duì)機(jī)箱殼體，各模塊殼體以及電路板組件進(jìn)行單獨(dú)劃分，以保證網(wǎng)格質(zhì)量能夠滿(mǎn)足要求。最終計(jì)算得到的網(wǎng)格數(shù)量為76855，網(wǎng)格質(zhì)量檢驗(yàn)采用Skewness算法。

將模型修正之后的振動(dòng)應(yīng)力分析結(jié)果與模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果誤差滿(mǎn)足要求，表明了振動(dòng)應(yīng)力分析采用模型的正確性。

2．5 應(yīng)力分析

(1)溫度應(yīng)力分析。采用Mentor Graphics公司的FloTHERM V9．1對(duì)產(chǎn)品CFD數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，溫度應(yīng)力分析結(jié)果如圖8所示，圖8為在平臺(tái)環(huán)境溫度70℃條件下的整機(jī)溫度場(chǎng)分布結(jié)果。箱體表面的最高溫度為73℃，比平臺(tái)環(huán)境溫度高3℃。為評(píng)估產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)效果將平臺(tái)環(huán)境溫度70℃定為第一參考溫度條件，將箱體表面平均溫度(通過(guò)表面積加權(quán)計(jì)算)定為第二參考溫度條件。機(jī)箱和模塊溫度分布結(jié)果如表7和表8所示。

圖8 整機(jī)溫度分布

表7 機(jī)箱溫度分析結(jié)果

表8 各模塊溫度分析結(jié)果

(2)振動(dòng)應(yīng)力分析。采用ANSYS公司的ANSYSWorkbench 12．1對(duì)產(chǎn)品FEA數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算，整機(jī)模態(tài)分析的前7階頻率結(jié)果，如表9所示。

表9 整機(jī)諧振頻率及位置

(1)電源濾波模塊前三階頻率結(jié)果如表10所示。

表10 電源濾波模塊諧振頻率及位置

(2)控制模塊前三階頻率結(jié)果如表11所示。

表11 控制模塊諧振頻率及位置

(3)點(diǎn)火模塊前三階頻率結(jié)果如表12所示。

表12 點(diǎn)火模塊模塊諧振頻率及位置

(4)整機(jī)及模塊最大響應(yīng)量值和位置如表13所示。

表13 整機(jī)及模塊最大響應(yīng)量值和位置

2．6 故障預(yù)計(jì)

(1)故障預(yù)計(jì)分析模型。采用CalcePWA軟件建立受試產(chǎn)品的故障預(yù)計(jì)分析模型，如圖9～圖11所示。

圖11 電源濾波模塊故障預(yù)計(jì)模型

(2)故障預(yù)計(jì)結(jié)果。采用CalcePWA軟件開(kāi)展受試產(chǎn)品的故障預(yù)計(jì)，結(jié)果如下:

圖12 點(diǎn)火模塊M1的潛在故障點(diǎn)位置

圖13 點(diǎn)火模塊M1故障預(yù)計(jì)分析結(jié)果

圖14 控制模塊M的潛在故障點(diǎn)位置

(a)點(diǎn)火模塊潛在故障點(diǎn)位置如圖12所示，故障預(yù)計(jì)結(jié)果如圖13所示。由于在預(yù)期壽命內(nèi)綜合電源模塊未發(fā)現(xiàn)故障器件，故主要故障信息矩陣不再列出。

(b)控制模塊的潛在故障點(diǎn)位置如圖14所示，故障預(yù)計(jì)結(jié)果如圖15所示。由于在預(yù)期壽命內(nèi)綜合電源模塊未發(fā)現(xiàn)故障器件，故主要故障信息矩陣不再列出。

圖15 控制模塊M的故障預(yù)計(jì)分析結(jié)果

2．7 可靠性評(píng)估結(jié)果

利用Matlab軟件根據(jù)故障預(yù)計(jì)所輸出的潛在故障點(diǎn)的故障時(shí)間、仿真計(jì)算數(shù)據(jù)，采用競(jìng)爭(zhēng)失效的原則，通過(guò)單點(diǎn)故障密度分布擬合、多點(diǎn)故障密度分布融合分析等方法得到受試產(chǎn)品整機(jī)和各模塊可靠性仿真評(píng)估結(jié)果如表14所示。

表14 可靠性仿真評(píng)估結(jié)果

2．8 分析結(jié)果

(1)電源濾波模塊PCB板正面偏左處的電源模塊G1左下角處加速度均方根值及位移均方根值較大，如圖 16 所示［4］。

圖16 電源模塊故障報(bào)告

(2)機(jī)箱后部的后面板轉(zhuǎn)接板偏右處加速度均方根值與位移均方根值較大，如圖17所示。

圖17 機(jī)箱后面板轉(zhuǎn)接板故障報(bào)告

(3)可靠性評(píng)估結(jié)果:受試產(chǎn)品平均首發(fā)故障時(shí)間為67065 h。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)可靠性仿真試驗(yàn)在型號(hào)產(chǎn)品中的具體應(yīng)用，使我們對(duì)可靠性仿真試驗(yàn)有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)可靠性仿真試驗(yàn)的理解，掌握了可靠性仿真試驗(yàn)實(shí)施流程、分析方法及開(kāi)展時(shí)機(jī)?？煽啃苑抡嬖囼?yàn)具有經(jīng)濟(jì)性好、應(yīng)用范圍廣、通用性好、難度小等優(yōu)點(diǎn)，我們相信可靠性仿真試驗(yàn)作為仿真技術(shù)在可靠性領(lǐng)域的研究成果，作為一種全新的、有效的可靠性研究方法，在產(chǎn)品高可靠性需求下，必將在產(chǎn)品研制生產(chǎn)的可靠性工程中取得更大的應(yīng)用和更好的效果。

［1］ Wan Bo，F(xiàn)u Guicui，Zou Hang．Research on data processingmethod in reliability simulation and prediction of avionics［J］．Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2011，(1):5 －9．(in Chinese)萬(wàn)博，付桂翠，鄒航．航空電子產(chǎn)品可靠性仿真預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)處理方法研究［J］．電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2011，(1):5 －9．

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