王文智 張尊偉

（1.中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 西安 710119）（2.東北電子技術(shù)研究所 錦州 121000）

1 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，重功能輕質(zhì)量，功能設(shè)計(jì)與質(zhì)量設(shè)計(jì)嚴(yán)重脫節(jié)的現(xiàn)象貫穿了裝備研制的全過(guò)程。該種研制模式（或思維方式）造成了裝備可靠性低、故障多、維修頻繁、維修工作量大、維修費(fèi)用高等方面問(wèn)題，并導(dǎo)致裝備列裝后遲遲不能形成戰(zhàn)斗力。上世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著我軍數(shù)種主戰(zhàn)裝備先后投入研制，裝備質(zhì)量問(wèn)題受到軍方和研制單位的高度重視，功能與質(zhì)量一體化設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)措施已逐步得到推廣，并廣泛應(yīng)用于裝備的研制過(guò)程中，使我軍裝備質(zhì)量有了較大的提高。

2 環(huán)境應(yīng)力對(duì)裝備質(zhì)量的影響

由于裝備應(yīng)用環(huán)境[1]的復(fù)雜性和特殊性，裝備質(zhì)量、可靠性及戰(zhàn)備完好性受到眾多因素的影響。在影響裝備質(zhì)量與可靠性的諸多因素中，環(huán)境對(duì)裝備來(lái)說(shuō)是一個(gè)無(wú)法回避，必須加以考慮和重視的因素，下面僅對(duì)幾種環(huán)境因素對(duì)裝備質(zhì)量的影響展開(kāi)討論。

2.1 高溫環(huán)境

高溫環(huán)境對(duì)裝備質(zhì)量的影響主要有以下幾個(gè)方面：

2.1.1 材料膨脹系數(shù)的影響

由于各種材料的膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致材料變形程度不同。如果膨脹系數(shù)差別較大的材料以不同方式結(jié)合在一起，在溫度發(fā)生變化時(shí)由于材料變形程度不同，將在材料間和結(jié)合方式上形成拉力或扭力，造成材料或結(jié)合方式的損壞，從而引起裝備故障。

應(yīng)用于某裝備的金屬封裝的大規(guī)模表貼集成電路裝焊到印制板（為非金屬材料）表面，環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，集成電路與印制板將產(chǎn)生不同程度的變形，集成電路與印制板間將通過(guò)連接方式（管腳和焊錫）產(chǎn)生一種拉力，該拉力將作用到集成電路、印制板間、管腳和焊錫四者之間，由于該拉力長(zhǎng)期、持續(xù)的作用，導(dǎo)致焊錫疲勞并出現(xiàn)開(kāi)焊現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致裝備故障。

2.1.2 元器件電參數(shù)變化的影響

裝備中所使用的各種元器件不同程度的損耗電能，并將電能轉(zhuǎn)化成熱能。該熱能將導(dǎo)致元器件溫度上升，并使元器件電參數(shù)發(fā)生變化，最終影響裝備的電性能（例如：晶體管、集成電路中的PN結(jié)在高溫狀態(tài)下阻值變大在通過(guò)相同電流的情況下，產(chǎn)生的熱量較大，結(jié)溫升高，電阻值再變大，結(jié)溫再升高，最終燒毀PN結(jié)，導(dǎo)致器件損壞并影響裝備質(zhì)量）。

2.2 低溫環(huán)境

低溫環(huán)境對(duì)裝備質(zhì)量的影響主要有以下幾個(gè)方面：

2.2.1 非金屬材料的影響

·低溫環(huán)境下裝備中所用的非金屬材料彈性降低，并產(chǎn)生破裂，可能導(dǎo)致以該非金屬材料為絕緣材料的絕緣功能降低或喪失，裝備功能部件出現(xiàn)短接，導(dǎo)致裝備故障；

·低溫環(huán)境下裝備中所用的非金屬密封墊圈等柔韌性材料的彈性降低，并產(chǎn)生破裂，可能導(dǎo)致以該非金屬材料為密封材料的密封功能降低或喪失，裝備整體密封功能下降，導(dǎo)致裝備故障；

·低溫環(huán)境下裝備中所用的非金屬?gòu)椥越档停a(chǎn)生破裂，可能導(dǎo)致以該非金屬材料為絕緣介質(zhì)的部件或元器件絕緣介質(zhì)功能降低或喪失，高壓部件或元器件發(fā)生放電而產(chǎn)生高壓脈沖，該高壓脈沖以輻射和傳導(dǎo)方式引入低壓電路中并燒毀低壓電路，導(dǎo)致裝備故障；

·低溫環(huán)境下裝備中所用的非金屬材料彈性降低，可能導(dǎo)致以該非金屬材料為主要功能部件的受力能力降低，該部件在承受相同外力時(shí)產(chǎn)生破裂，導(dǎo)致裝備故障。

2.2.2 元器件電參數(shù)變化的影響

·低溫環(huán)境下裝備中所用的晶體管、集成電路PN結(jié)中電子活躍程度降低，形成的電流降低，驅(qū)動(dòng)能力下降，導(dǎo)致裝備功能喪失；

·低溫環(huán)境下裝備中所用的電阻阻值增大，提供的電流變小驅(qū)動(dòng)能力下降，導(dǎo)致裝備功能喪失；

·低溫環(huán)境下裝備中各功能部件參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致對(duì)電能的需求增加，在裝備電源設(shè)計(jì)容量偏小的情況下將形成保護(hù)模式，導(dǎo)致裝備功能喪失；

·低溫環(huán)境下裝備中各功能部件參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致對(duì)電能的需求增加，為保證裝備正常工作，功率器件將增加功率輸出，如此該器件將產(chǎn)生較大的熱量，使結(jié)溫升高，燒毀PN結(jié)，器件損壞，導(dǎo)致裝備功能喪失。

2.3 振動(dòng)環(huán)境

振動(dòng)環(huán)境對(duì)裝備質(zhì)量的影響主要有以下幾個(gè)方面：·振動(dòng)環(huán)境對(duì)裝備結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響主要是變形、彎曲、裂紋、斷裂等；

·振動(dòng)環(huán)境對(duì)裝備工作性能的影響主要是使動(dòng)作部件工作不正常（如繼電器產(chǎn)生誤動(dòng)作）；

·使體積較大、重量較重的元器件管腳斷裂；

·連接導(dǎo)線與機(jī)箱或?qū)Ь€之間產(chǎn)生摩擦而損壞，從而導(dǎo)致工作不正常、不穩(wěn)定、甚至不能工作；

·振動(dòng)環(huán)境對(duì)裝備工藝質(zhì)量的影響主要是緊固件松動(dòng)、連接件和焊點(diǎn)脫開(kāi)等。

2.4 低氣壓環(huán)境

低氣壓環(huán)境主要考核裝備中使用的元器件氣密特性及對(duì)裝備功能的影響。因此，按裝備使用元器件類(lèi)型低氣壓環(huán)境對(duì)裝備質(zhì)量的影響主要有以下幾個(gè)方面：

2.4.1 繼電器

非固態(tài)繼電器一般由線圈、數(shù)組觸點(diǎn)組成，通過(guò)線圈工作方式的變化而改變數(shù)組觸點(diǎn)接通和斷開(kāi)狀態(tài)。一般情況下，該器件相關(guān)觸點(diǎn)與電源連接，觸點(diǎn)間的通／斷將形成一種充放電模式。在非密封狀態(tài)下可能產(chǎn)生火花和高溫進(jìn)而產(chǎn)生氧化，最終導(dǎo)致器件失效。

2.4.2 高壓線包

絕緣介質(zhì)的質(zhì)量將影響高壓線包的質(zhì)量。一般情況下高壓線包所灌封的材料既起到固定線圈的作用，又作為線圈的絕緣介質(zhì)。如果灌封存在問(wèn)題（材料的均勻性、灌封的氣密性、線圈排布的均勻性等方面），在正常大氣條件下，空氣亦是高壓線包的線圈之間或線圈與機(jī)箱之間的絕緣介質(zhì)，在一定程度上彌補(bǔ)高壓線包絕緣性能的不足，輔助阻止高壓線包產(chǎn)生放電現(xiàn)象的產(chǎn)生；在低氣壓條件下，將出現(xiàn)真空狀態(tài)，高壓線包的絕緣特性降低，將可能導(dǎo)致高壓線包線圈間或線圈與機(jī)箱間的擊穿并產(chǎn)生放電現(xiàn)象，高壓線包產(chǎn)生的放電將形成高壓脈沖，該高壓脈沖以輻射和傳導(dǎo)方式引入低壓電路中并燒毀低壓電路，導(dǎo)致裝備故障。

2.4.3 高壓器件

高壓器件內(nèi)部一般充有惰性氣體或灌封其它絕緣介質(zhì)。一般情況下，高壓器件內(nèi)部各引線間的壓差較大（特別是近距離壓差較高的管腳）。在低氣壓環(huán)境條件下，絕緣介質(zhì)發(fā)生變化、絕緣性能降低時(shí)，可能產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象并使器件失效，導(dǎo)致裝備故障。

3 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)上述幾種主要環(huán)境因素對(duì)裝備質(zhì)量的影響，在裝備研制中應(yīng)采用如下各項(xiàng)質(zhì)量控制措施和可靠性設(shè)計(jì)措施，以保證裝備質(zhì)量[2]。

3.1 可靠性設(shè)計(jì)與分析

裝備可靠性工作[3]應(yīng)包括可靠性分析和可靠性設(shè)計(jì)兩部分。鑒于可靠性設(shè)計(jì)方法在眾多可靠性設(shè)計(jì)文件均有介紹，本文只對(duì)可靠性分析工作加以闡述?？煽啃苑治龉ぷ鹘⒃谘b備功能需求分析及功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)裝備功能需求及功能設(shè)計(jì)進(jìn)行可靠性分析，發(fā)現(xiàn)裝備在總體功能和功能設(shè)計(jì)上存在的質(zhì)量問(wèn)題，并據(jù)此指導(dǎo)裝備總體功能和功能設(shè)計(jì)的改進(jìn)設(shè)計(jì)[4]。可靠性分析與裝備功能設(shè)計(jì)是往復(fù)循環(huán)的過(guò)程，在裝備研制的各個(gè)階段均開(kāi)展可靠性分析工作，并指導(dǎo)裝備功能設(shè)計(jì)的改進(jìn)工作。可靠性分析（主要針對(duì)裝備的電氣性能）工作主要有如下兩方面：

3.1.1 可靠性預(yù)計(jì)

一般情況下，裝備可靠性均有定量要求。通過(guò)對(duì)裝備功能設(shè)計(jì)開(kāi)展可靠性預(yù)計(jì)[5]工作，發(fā)現(xiàn)裝備功能設(shè)計(jì)是否滿足可靠性定量指標(biāo)要求。通過(guò)可靠性預(yù)計(jì)，裝備不滿足可靠性指標(biāo)要求時(shí)，需對(duì)功能設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)方式有：開(kāi)展環(huán)境設(shè)計(jì)，改善裝備環(huán)境質(zhì)量（針對(duì)低溫環(huán)境開(kāi)展升溫設(shè)計(jì)，針對(duì)高溫開(kāi)展通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)及相關(guān)散熱設(shè)計(jì)）；開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分利用各元器件資源實(shí)現(xiàn)多功能共用，并選用高性能元器件，減少元器件數(shù)量；開(kāi)展集成化設(shè)計(jì)，優(yōu)化裝備構(gòu)成，減少元器件數(shù)量，并提高設(shè)計(jì)、工藝質(zhì)量；提高元器件質(zhì)量等級(jí)，以提高元器件抗惡劣環(huán)境的能力。

3.1.2 故障模式影響及危害度分析

故障模式影響及危害度分析方法是近期裝備研制過(guò)程中普遍要求的一種可靠性、安全性分析方法。該種分析方法重點(diǎn)突出各種故障方式對(duì)裝備的影響程度，并根據(jù)分析結(jié)果要求裝備改進(jìn)設(shè)計(jì)以消除或降低該種故障模式對(duì)裝備的影響程度。故障模式影響及危害度分析方法以裝備元器件失效率為基礎(chǔ)，結(jié)合元器件對(duì)裝備功能影響程度開(kāi)展分析，并根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)裝備改進(jìn)功能設(shè)計(jì)的工作[6]。對(duì)于單點(diǎn)（不允許開(kāi)展冗余設(shè)計(jì)）、危害等級(jí)較大的故障，應(yīng)提高元器件質(zhì)量等級(jí)并進(jìn)一步開(kāi)展降額設(shè)計(jì)工作。對(duì)于單點(diǎn)、危害等級(jí)較大的故障，開(kāi)展冗余設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)工作，以進(jìn)一步提高元器件質(zhì)量等級(jí)。

3.1.3 可靠性仿真

可靠性仿真是對(duì)軍事裝備設(shè)計(jì)的一種可靠性分析與評(píng)估方法。通過(guò)對(duì)裝備的熱分布和振動(dòng)應(yīng)力分布的仿真分析，明確找出裝備存在的設(shè)計(jì)缺陷，并對(duì)裝備完善和改進(jìn)設(shè)計(jì)、解決可能導(dǎo)致故障的各種設(shè)計(jì)缺陷，并最終提高裝備的可靠性具有建設(shè)性的指導(dǎo)作用。

圖1 可靠性仿真試驗(yàn)流程

可靠性仿真工作一般應(yīng)用與裝備的初級(jí)設(shè)計(jì)階段，亦可應(yīng)用于裝備可靠性增長(zhǎng)階段?？煽啃苑抡嬉话惴譃槲鍌€(gè)步驟，流程圖如圖1所示。

通過(guò)某裝備電源模塊振動(dòng)應(yīng)力的可靠性仿真試驗(yàn)案例，說(shuō)明可靠性仿真試驗(yàn)對(duì)裝備設(shè)備的指導(dǎo)作用。表1分別說(shuō)明了一階、二階和三階模態(tài)[7～8]下，電源模塊的諧振頻率點(diǎn)及產(chǎn)生最大位移點(diǎn)的位置，圖2為三階模態(tài)仿真分析結(jié)果。

表1 電源模塊諧振頻率及位置

圖2 電源模塊三階模態(tài)分析結(jié)果

表1、圖2表明了裝備電源模塊存在的設(shè)計(jì)缺陷，裝備根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)電源模塊進(jìn)行了加裝冷板、改變大型元器件安裝方式等設(shè)計(jì)措施，解決了該設(shè)計(jì)缺陷。

3.2 抗溫度環(huán)境的應(yīng)對(duì)措施

為保證裝備在規(guī)定的溫度環(huán)境下正常工作，主要采用降額、余度和散熱等設(shè)計(jì)措施，現(xiàn)介紹如下：

3.2.1 降額設(shè)計(jì)

降額設(shè)計(jì)是適當(dāng)降低功能部件和元器件的使用應(yīng)力值，以確保功能部件和元器件在高溫、常溫和低溫環(huán)境下，參數(shù)特性發(fā)生漂移后的輸出特性不超出自身應(yīng)力范圍和不被損壞，從而保證裝備正常工作。例如裝備中使用的電阻器件應(yīng)對(duì)其功率進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，電容器件應(yīng)對(duì)其耐壓能力進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，晶體管應(yīng)對(duì)其功率及耐壓進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，集成電路應(yīng)對(duì)其驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，電源模塊輸出功率應(yīng)大于裝備常溫實(shí)際使用功率的40%（在低溫環(huán)境下，裝備實(shí)際使用功率大于常溫使用功率的20%）。

3.2.2 容差設(shè)計(jì)

高溫、常溫和低溫環(huán)境下，由于元器件參數(shù)特性發(fā)生漂移，前級(jí)元器件輸出信號(hào)在時(shí)間、幅度、功率等方面將有一定的變化范圍，后級(jí)元器件應(yīng)能接收并正確識(shí)別前級(jí)元器件的具有一定的變化范圍輸出信號(hào)，從而保證裝備在各種溫度環(huán)境下正常工作。

3.2.3 熱設(shè)計(jì)

裝備中使用的元器件不同程度地?fù)p耗電能，并將電能轉(zhuǎn)化成熱能，該熱能將導(dǎo)致元器件溫度上升，并使元器件電參數(shù)發(fā)生變化，最終影響裝備的電性能。裝備研制過(guò)程中需開(kāi)展如下各項(xiàng)熱設(shè)計(jì)措施：

·開(kāi)展裝備熱分析工作，了解、掌握各分機(jī)的功耗和熱容量，并據(jù)此開(kāi)展有針對(duì)性的熱設(shè)計(jì)工作；

·針對(duì)功耗和熱容量較小的分機(jī)，采用自然環(huán)境冷卻設(shè)計(jì)方式，機(jī)箱表面結(jié)構(gòu)應(yīng)采用易于散熱的結(jié)構(gòu)方式（例如暖器片結(jié)構(gòu)形式）；

·各功能模塊的印制板應(yīng)采用表面表貼金屬冷板的設(shè)計(jì)方式，元器件通過(guò)導(dǎo)熱絕緣膠與冷板緊密連接，確保元器件產(chǎn)生的熱量通過(guò)冷板傳導(dǎo)到機(jī)箱；

·功能模塊的安裝方式應(yīng)實(shí)現(xiàn)金屬冷板與機(jī)箱最大面積的接觸，以利于熱量通過(guò)冷板傳導(dǎo)到機(jī)箱；

·功能模塊設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理布置熱容量較大的元器件，不應(yīng)使其排布過(guò)于集中而不利于散熱，而使局部過(guò)熱，導(dǎo)致材料變形較大造成裝備故障。

3.3 抗振動(dòng)環(huán)境的應(yīng)對(duì)措施

為保證裝備在規(guī)定的振動(dòng)環(huán)境下正常工作，一般采用減振和抗振兩種設(shè)計(jì)措施。兩種設(shè)計(jì)措施可分別使用或同時(shí)使用。

3.3.1 減振設(shè)計(jì)

通過(guò)某種設(shè)計(jì)措施降低振源傳導(dǎo)到產(chǎn)品上的振動(dòng)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法為減振設(shè)計(jì)。減振設(shè)計(jì)一般應(yīng)用于惡劣的振動(dòng)環(huán)境（惡劣環(huán)境減振設(shè)計(jì)與抗振設(shè)計(jì)措施應(yīng)同時(shí)采用），主要有如下兩種設(shè)計(jì)措施：

·通用設(shè)計(jì)方法是通過(guò)在振源與產(chǎn)品之間加裝減振器實(shí)現(xiàn)，該種設(shè)計(jì)措施的使用一般受裝備安裝空間的限制較大；

·在振源與產(chǎn)品之間加裝減振材料，該種材料通過(guò)吸收一定的振動(dòng)強(qiáng)度來(lái)降低傳導(dǎo)到產(chǎn)品的振動(dòng)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)，該種設(shè)計(jì)措施一般受裝備安裝空間的限制較小。

3.3.2 抗振設(shè)計(jì)

不降低振源傳導(dǎo)到產(chǎn)品上的振動(dòng)強(qiáng)度，而通過(guò)加固產(chǎn)品的方式提高產(chǎn)品抗振強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法為抗振設(shè)計(jì)?？拐裨O(shè)計(jì)一般應(yīng)用于相對(duì)較好振動(dòng)環(huán)境中，主要有如下幾種設(shè)計(jì)措施：

·印制板設(shè)計(jì)一般應(yīng)采用印制板＋冷板的設(shè)計(jì)形式，主要作用是增加印制板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗振強(qiáng)度和散熱能力；

·應(yīng)合理排布元器件，對(duì)體積、重量較大的元器件應(yīng)合理分布，盡可能降低該類(lèi)元器件和印制板模塊的重心；

·元器件安裝（主要是集成電路）應(yīng)通過(guò)導(dǎo)熱絕緣膠與冷板表面連接，主要作用是增強(qiáng)元器件耐振動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高元器件散熱能力；

·元器件點(diǎn)封應(yīng)能提高元器件耐振動(dòng)能力，體積較大的元器件應(yīng)通過(guò)點(diǎn)封膠與冷板表面連接并實(shí)現(xiàn)固定。點(diǎn)封膠應(yīng)點(diǎn)封于元器件主體部分（在振動(dòng)過(guò)程，元器件對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)是元器件主體部分，而非元器件管腳），以增強(qiáng)元器件抗振動(dòng)能力。

4 結(jié)語(yǔ)

近年我國(guó)裝備研制實(shí)踐表明，在裝備方案階段、研制階段及生產(chǎn)過(guò)程中，全面開(kāi)展質(zhì)量控制與管理，開(kāi)展一體化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)工作，注重可靠性分析工作對(duì)裝備設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，可以有效降低環(huán)境應(yīng)力對(duì)裝備質(zhì)量的影響，并全面提高裝備質(zhì)量。

[1]陸江艷.電子對(duì)抗裝備例行試驗(yàn)項(xiàng)目的選擇及應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)2008，5：26－155.

[2]殷世龍.武器裝備研制工程管理與監(jiān)督[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.

[3]GJB450－88.裝備研制與生產(chǎn)的可靠性通用大綱[S].

[4]GJB813－1990.可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計(jì)[S].

[5]楊志飛，李平.以故障為核心的工程可靠性[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

[6]夏泓，鄭鵬周.電子元器件失效分析及應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

[7]易當(dāng)祥.自行火炮行動(dòng)系統(tǒng)疲勞斷裂可靠性分析與仿真研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005.

[8]熊光楞，彭毅先.可靠性設(shè)計(jì)與仿真環(huán)境[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997.