(中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

1 引言

電連接器作為基礎(chǔ)元器件，主要用于實(shí)現(xiàn)電信號的傳輸、控制及電子與電氣設(shè)備間的電連接，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、通訊等領(lǐng)域[1]，其可靠性的高低對系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著舉足輕重的作用[2]。電連接器的可靠性預(yù)計工作，不僅可以定量的評估其可靠性水平，而且可以有效指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計從而提高其可靠性[3,4]。GJB/Z 299C《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》中對電連接器的失效率預(yù)計模型為[5]：

λp=λbπEπQπPπKπC

(1)

其中，λp為工作失效率，λb為基本失效率(僅考慮電應(yīng)力和溫度作用)。近年來，工程領(lǐng)域?qū)σ勒丈鲜瞿Ｐ烷_展的元器件失效率預(yù)計工作的缺陷已有了廣泛的共識[6,7]。對應(yīng)美軍標(biāo)MIL-HDBK-217F早已停用，GJB/Z 299C目前也正在進(jìn)行換版修訂。

傳統(tǒng)模型除了缺少相關(guān)數(shù)據(jù)支撐以外，其缺陷還主要表現(xiàn)在：模型中并未充分考慮電連接器的設(shè)計、生產(chǎn)和使用過程對其失效率的影響，使得預(yù)計結(jié)果無法體現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)際可靠性水平，也無法表現(xiàn)出不同研制、使用方案的差異或優(yōu)劣。電連接器的工作失效率應(yīng)當(dāng)是由其基本失效率、設(shè)計因素、生產(chǎn)因素和使用因素的綜合作用的結(jié)果，即：

λ=f(λb，Dn，Pm，Uk)

(2)

其中，λb——產(chǎn)品基本失效率；Dn——Design，設(shè)計因素；Pm——Produce，生產(chǎn)過程因素；Uk——Use，使用過程因素。

設(shè)計因素Dn是指，在電連接器設(shè)計過程中，由技技術(shù)條件本身及設(shè)計水平的高低所引起可能會導(dǎo)致產(chǎn)品失效的因素。(2)式中將影響失效率的設(shè)計因素量化為Dn(Dn>1)。如何分析影響產(chǎn)品失效率的各種設(shè)計因素，并將其量化為一個綜合性指標(biāo)Dn，是本文研究的問題。

2 電連接器設(shè)計因素的確定

2.1 關(guān)鍵設(shè)計因素集合

根據(jù)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)及以往的失效數(shù)據(jù)構(gòu)建電連接器設(shè)計因素集合。設(shè)計因素共21項(xiàng)如表1所示。主要包含通用因素、主要部件因素和其他零部件因素。

通用因素：標(biāo)識問題、標(biāo)準(zhǔn)問題、更改問題、新技術(shù)新產(chǎn)品應(yīng)用問題；

主要部件因素：接觸件規(guī)格尺寸、插孔結(jié)構(gòu)、接觸件端接方式、接觸件材料、接觸件密封性結(jié)構(gòu)、絕緣體材料，絕緣體結(jié)構(gòu)、絕緣體尺寸、殼體連接方式、殼體材料、殼體灌膠、殼體鍵位、殼體螺紋；

其他零部件因素：其他零部件結(jié)構(gòu)、其他零部件材料、其他零部件尺寸、附件問題。

表1 設(shè)計因素集合

2.2 關(guān)鍵設(shè)計因素確定

不同設(shè)計因素對產(chǎn)品失效率的影響是不同的。針對某一類型電連接器，需要對全部設(shè)計因素進(jìn)行重要度分析和排序。從提高質(zhì)量的方面來說，關(guān)注重要度高的設(shè)計因素可以改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計從而提高產(chǎn)品質(zhì)量；從對產(chǎn)品失效率預(yù)計方面來說，設(shè)計因素指標(biāo)中體現(xiàn)對產(chǎn)品失效影響重要度高的設(shè)計因素，不會造成信息流失，同時也能夠簡化計算。

層次分析法(Analytic hierarchy process,簡稱AHP法)是處理綜合評價問題的有效模型[8,9,10]，它可以將人主觀判斷的定性分析進(jìn)行定量化，同時幫助決策者保持思維過程的一致性，其具體步驟為：

1.明確問題。弄清楚需要確定的問題的范圍、所包含的因素和各因素之間的關(guān)系等。

2.建立層次結(jié)構(gòu)。將因素進(jìn)行分組，按最高層、若干中間層以及最低層的形式排列起來。

3.構(gòu)造判斷矩陣。針對上一層次中的某元素而言，評定該層次中各有關(guān)元素相對重要性的狀況。

4.層次單排序。確定本層次與之有聯(lián)系的元素重要性的權(quán)重值。

5.層次總排序。利用層次單排序的結(jié)果計算針對上一層次的本層次所有元素的重要性權(quán)重值。

6.一致性檢驗(yàn)。為了評價層次排序的計算結(jié)果的一致性，需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

采用該方法對某型號電連接器設(shè)計因素集合(表1)進(jìn)行分析。

2.2.1 建立電連接器層次結(jié)構(gòu)模型

某型號電連接器，現(xiàn)需要獲得該產(chǎn)品的關(guān)鍵設(shè)計因素以便進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)。運(yùn)用AHP法對影響產(chǎn)品失效率的所有設(shè)計因素進(jìn)行重要度分析和排序，構(gòu)建設(shè)計因素集合的層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示：

圖1 某型號電連接器設(shè)計因素層次結(jié)構(gòu)模型

2.2.2 建立判斷矩陣

確定產(chǎn)品的設(shè)計因素層次結(jié)構(gòu)模型上下兩層的隸屬關(guān)系，按照AHP法的一般步驟，構(gòu)造同一層次因素的兩兩判斷矩陣。設(shè)兩兩判斷矩陣為aij，aij>0，aij=1/aji(i,j=1,2,…,n)，n為矩陣階數(shù)。以影響電連接器失效率的設(shè)計因素A為目標(biāo)層，根據(jù)通用因素，主要部件因素和其他零部件因素在產(chǎn)品設(shè)計過程中相對比重來確定各因素的重要性，構(gòu)造該級別的判斷矩陣。一般用1～9的標(biāo)度對重要性結(jié)果進(jìn)行量化，如表2所示：

表2 重要度判斷標(biāo)度含義

由多位專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對能夠影響該產(chǎn)品設(shè)計可靠性的不同類別設(shè)計因素之間和同一類別設(shè)計因素之間的重要度做出標(biāo)度判斷，綜合后形成矩陣，見表3～6。

表3 判斷矩陣A-B

表4 判斷矩陣B1-C

表5 判斷矩陣B2-C

表6 判斷矩陣B3-C

由于產(chǎn)品復(fù)雜性和人們認(rèn)知中存在的主觀偏差以及數(shù)字標(biāo)度的限制，需要對專家們給出的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以確定評分沒有邏輯上的混亂。一致性檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)為：

(3)

其中，λmax為判斷矩陣最大特征值，IR為平均隨即一致性指標(biāo)，數(shù)值可在表7中查詢：

表7 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IR數(shù)值

各矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果計算如下，各矩陣CR值均小于0.1，具有滿意的一致性。

CRA-B=0.012<0.1

CRB1-C=0.030<0.1

CRB2-C=0.020<0.1

CRB3-C=0.089<0.1

2.2.3 計算各層次因素的權(quán)重系數(shù)并進(jìn)行綜合評分

由2.2.2中的得到電連接器設(shè)計因素各判斷矩陣，對各因素的重要度指標(biāo)值進(jìn)行幾何平均：

(4)

(i,j=1,2,…,n，n為矩陣階數(shù)，aij為矩陣第i行，第j列的元素)

將其規(guī)范化，得到的向量W=(w1,w2,…,wn)T，是該層指標(biāo)對上一層指標(biāo)的權(quán)重向量。

得到因素B對因素A的權(quán)重WB-A和因素C對因素B的權(quán)重WC-B后，因素C對頂層因素A的權(quán)重也可以通過下式得到：

WC-A=WC-B·WB-A

(5)

所得結(jié)果如表8所示：

表8 權(quán)重值表

WC={0.0960 0.0143 0.0443 0.0120

0.1869 0.0899 0.0899 0.0215

0.0183 0.0899 0.0865 0.0336

0.0633 0.0141 0.0192 0.0124

0.0141 0.0604 0.0082 0.0213

0.0041}T

對該型號電連接器設(shè)計因素對其失效率影響權(quán)重值WC進(jìn)行從大到小排序:

WC5>WC1>WC6=WC7=WC10>WC11>WC13>WC18>WC3>WC12>WC8>WC20>WC15>WC9>WC2>WC14=WC17>WC16>WC4>WC19>WC21

從權(quán)重值排序可看出，各設(shè)計因素對產(chǎn)品失效率影響權(quán)重值排列前6位的分別是：接觸件規(guī)格尺寸C5、標(biāo)識問題C1、插孔結(jié)構(gòu)C6、接觸件端接方式C7、接觸件密封性結(jié)構(gòu)C10、絕緣體結(jié)構(gòu)C11，說明這幾個因素對該產(chǎn)品失效有較大影響。

3 設(shè)計因素指標(biāo)的估算

以某型號電連接器的產(chǎn)品歷史故障庫為基礎(chǔ)，初步得到設(shè)計因素Dn值，稱為對比法。具體步驟為：

1.收集關(guān)于該電連接器有效失效案例共214件，按之前確定21種設(shè)計因素，進(jìn)行分類統(tǒng)計：

表9 某產(chǎn)品設(shè)計因素影響統(tǒng)計表(共214例)

2.將重要度值最小的設(shè)計因素指標(biāo)Qmin為附件問題C21，將其設(shè)計因素值記為1，即Dn0=1；

3.在表9中找到由Qmin造成的產(chǎn)品失效的個數(shù)，記為k0，k0=2；

4.統(tǒng)計樣本中所有設(shè)計因素導(dǎo)致產(chǎn)品失效的個數(shù){kCj}：

kC1=12；kC2=6；kC3=9；kC4=4；kC5=20；kC6=13；kC7=12；kC8=6；kC9=5；kC10=12；kC11=13；kC12=8；kC13=11；kC14=4；kC15=6；kC16=3；kC17=4；kC18=35；kC19=10；kC20=19

5.設(shè)計因素值記做{DnCj}，按照對比關(guān)系，各設(shè)計因素值的確定通過公式(6)得到：

(6)

DnC1=6；DnC2=3；DnC3=4.5；DnC4=2；DnC5=10；DnC6=6.5；DnC7=6；DnC8=3；DnC9=2.5；DnC10=6；DnC11=6.5；DnC12=4；DnC13=5.5；DnC14=2；DnC15=3；DnC16=1.5；DnC17=2；DnC18=17.5；DnC19=5；DnC20=9.5

6.采用加權(quán)計算來估算設(shè)計因素指標(biāo)Dn值：

(7)

結(jié)合前一節(jié)內(nèi)容，權(quán)重值前6位的設(shè)計因素為：接觸件規(guī)格尺寸C5、插孔結(jié)構(gòu)C1、絕緣體材料C6、接觸件端接方式C7、絕緣體結(jié)構(gòu)C10、殼體連接方式C11。選擇這六個設(shè)計因素參與計算不會造成設(shè)計影響因素主要信息的流失，同時簡化計算。根據(jù)比例關(guān)系相應(yīng)得到：

DnC5=10.0000；DnC1=6.0000；DnC6=6.5000；

DnC7=6.0000；DnC10=6.0000；DnC11=6.5000；

則有：

Dn=(DnC5DnC1DnC6DnC7DnC10DnC11)

(WC5WC1WC1WC6WC7WC10WC11)T

=10.0000×0.1868+6.0000×0.0960+6.5000×0.0899+6.0000×0.0899+6.0000×0.0899+6.5000×0.0865

=4.6694

保留兩位小數(shù)，得到此型號電連接器的設(shè)計因素指標(biāo)Dn為4.67。

4 總結(jié)

本文對電連接器失效率模型中的設(shè)計因素Dn進(jìn)行了描述，并以某型號電連接器為例，應(yīng)用層次分析法和對比法，討論了Dn的分析和估算方法，為電連接器失效率預(yù)計的優(yōu)化提供了新的思路。需要說明的是：

1. 本研究中確定的電連接器設(shè)計因素及其重要度排序，是建立在某典型產(chǎn)品的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計方法基礎(chǔ)上的，符合產(chǎn)品實(shí)際。但隨著產(chǎn)品種類、功能、結(jié)構(gòu)的日益豐富，電連接器關(guān)鍵設(shè)計因素及重要度排序也可能不斷變化；

2. 本研究中得到的電連接器設(shè)計因素定量指標(biāo)Dn，可用于公式(2)中以支撐電連接器可靠性預(yù)計模型的優(yōu)化。在Dn建模過程中獲得設(shè)計因素重要度排序從而反饋產(chǎn)品的設(shè)計，使得Dn也具有較高的工程實(shí)用價值。