孫旭朋，白樺

（北京圣濤平試驗工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，北京 100089）

引言

水下航行器設(shè)計型式繁多，技術(shù)密集度高，屬于公認的高技術(shù)領(lǐng)域，是當今世界各國研究工作的熱點。如今隨著人工智能、計算機與微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，水下航行器向著尺寸小、重量輕、造價低、集成化、模塊化的目標前進。小型水下航行器體積小、重量輕，便于存儲、布放和回收，具有環(huán)境適應(yīng)能力強、活動范圍大、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等諸多優(yōu)勢[1,2]。在軍事上，隨著近代高新技術(shù)的飛躍發(fā)展，水下武器裝備已經(jīng)融合了火箭、魚雷、導(dǎo)彈、現(xiàn)代信息技術(shù)，具備自航、自導(dǎo)等功能[3]。

由于水下航行器信息化發(fā)展，其攜帶了大量電子設(shè)備，其可靠性由于所處的特殊環(huán)境將面臨波浪、海流、泥沙、鹽霧等影響。電子設(shè)備可靠性模型和預(yù)計是相對較新的學(xué)科，誕生于第二次世界大戰(zhàn)中，應(yīng)對復(fù)雜的電子設(shè)備高失效率時，可靠性才作為一個學(xué)科進行研究。在上個世紀八十年代以前，指數(shù)分布或常失效率模型作為唯一可用的電子元器件可靠性預(yù)計模型，其代表是美國國防部發(fā)布的MIL-HDBK-217[4]，此外GJB 299[5]等可靠性預(yù)計標準也采用同樣的模型。在MIL-HDBK-217基礎(chǔ)上，發(fā)展了其它的預(yù)計方法，如通信領(lǐng)域的Telcordia SR-332[6]，民用設(shè)備的RDF-93和RDF-2000[7]，航空和軍用領(lǐng)域的FIDES guide 2009[8]等可靠性模型。本文基于FIDES模型，該模型為基于失效物理的可靠性模型，統(tǒng)一實現(xiàn)了對工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)電子設(shè)備可靠性進行預(yù)計，同時，該模型中的應(yīng)力加速模型除溫度應(yīng)力和電應(yīng)力外，還采用機械應(yīng)力、溫濕度、溫度循環(huán)等應(yīng)力加速模型，結(jié)合綜合應(yīng)力剖面建立，可以更精確的反映電子設(shè)備壽命周期內(nèi)環(huán)境應(yīng)力對產(chǎn)品可靠性的影響。

1 可靠性仿真設(shè)計及結(jié)果

1.1 基于失效物理的可靠性仿真方法

采用文獻[8]中的基于失效物理的可靠性方法進行可靠性仿真。其中溫度加速模型采用Arrhenius模型，溫循應(yīng)力采用Norris-Landzberg模型、濕度應(yīng)力采用Peck模型、機械振動應(yīng)力采用Basquin模型、電應(yīng)力采用與溫度應(yīng)力聯(lián)合的電壓降額指數(shù)模型?；瘜W(xué)應(yīng)力主要考慮鹽霧等污染水平的強弱進行影響分級的方法進行考慮。

1.2 研究對象

該電子設(shè)備為水下航行器控制計算機，用于進行多信號識別和綜合判斷，由CPU、存儲器、FPGA、譯碼器等集成電路、連接器、電阻、電容、二極管等453個器件組成。

1.3 任務(wù)環(huán)境

針對計算機板進行電子設(shè)備可靠性預(yù)計分析，在日歷壽命8760小時和開機狀態(tài)下，針對功率、環(huán)境溫度、相對濕度、溫差、循環(huán)次數(shù)、循環(huán)持續(xù)時間、隨機振動、鹽霧污染水平、環(huán)境污染水平、使用污染水平等10個環(huán)境因素對可靠性失效率影響進行分析。結(jié)合該設(shè)備實際使用環(huán)境，該設(shè)備任務(wù)環(huán)境剖面應(yīng)力范圍如表1所示。

1.4 仿真試驗設(shè)計

本次仿真試驗的設(shè)計采用正交試驗設(shè)計[9]。正交試驗設(shè)計是指研究多因素多水平的一種試驗設(shè)計方法。根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備均勻分散，齊整可比的特點。正交試驗設(shè)計是分式析因設(shè)計的主要方法。當試驗涉及的因素在3個或3個以上，而且因素間可能有交互作用時，試驗工作量就會變得很大，甚至難以實施。正交試驗設(shè)計的主要工具是正交表，試驗可根據(jù)試驗的因素數(shù)、因素的水平數(shù)以及是否具有交互作用等需求查找相應(yīng)的正交表，再依托正交表的正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，可以實現(xiàn)以最少的試驗次數(shù)達到與大量全面試驗等效的結(jié)果。結(jié)合應(yīng)力范圍，設(shè)計了不同影響因素的應(yīng)力水平，如表2所示。

表1 任務(wù)剖面環(huán)境應(yīng)力水平

表2 仿真試驗環(huán)境參數(shù)水平設(shè)計

同時對于10因素一階響應(yīng)面建模需11組數(shù)據(jù)、二階響應(yīng)面建模需66組以上數(shù)據(jù)。為了滿足10因素不同類型響應(yīng)面建模，共設(shè)計76組仿真試驗條件。

1.5 仿真結(jié)果

通過正交試驗設(shè)計，對不同環(huán)境應(yīng)力參數(shù)進行拉偏，該失效物理方法可以分類出各影響因素和熱、熱循環(huán)、機械、熱電等不同失效機理下引起的失效率，可靠性仿真結(jié)果如圖1所示。可以看出引起失效率大的失效機理主要為熱和機械應(yīng)力。

2 可靠性近似建模及分析

2.1 近似建模方法

近似建模方法是通過數(shù)學(xué)模型的方法逼近輸入量與輸出量的方法。在可靠性預(yù)計中，由于計算參數(shù)多且復(fù)雜，為了快速評價不同環(huán)境對可靠性的影響，有必要在失效物理模型基礎(chǔ)上進行近似建模，提高可靠性仿真效率，促進優(yōu)化和改進設(shè)計。主要的近似模型有：（1）響應(yīng)面模型，（2）Kriging模型，（3）徑向基模型，（4）正交多項式模型等[10]。其中公式（1）為一階響應(yīng)面模型，公式（2）為二階響應(yīng)面模型。

Kriging（克里格）又稱空間局部插值法，以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估計的一種方法。徑向基模型為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，正交多項式模型為切比雪夫多項式回歸擬合。

本文采用響應(yīng)面和Kriging近似模型進行環(huán)境因素對可靠性影響的對比分析，同時對以上四種方法的擬合誤差進行了對比。

圖1 76組不同條件下可靠性仿真結(jié)果

圖2 不同近似建模方法溫度對失效率影響

圖3 不同近似建模方法溫差對失效率影響

圖4 不同近似建模方法振動對失效率

2.2 不同近似建模影響趨勢分析

從圖2～4中各不同近似建模方法各單因素對失效率影響分析圖可以看出，一階響應(yīng)面1階模型分析的趨勢居中、二階響應(yīng)面模型分析的趨勢最保守、kriging趨勢最小。

不同近似模型環(huán)境影響因素對失效率的影響如圖2、圖3、圖4所示，可以看出一階響應(yīng)面模型為線性關(guān)系，其它兩個模型為非線性模型。

從圖2、圖3可以看出溫度和溫差對失效率影響，二階響應(yīng)面模型保守，一階響應(yīng)面居中，kriging較小。但振動對失效率影響當振動量級大于2.5 grm時，kriging模型趨勢超過其它兩個模型。

2.3 建模誤差分析

在功率（額定功率百分比）80 %，環(huán)境溫度26 ℃，相對濕度90 %，溫差15 ℃，年循環(huán)365次，循環(huán)持續(xù)時間12 h，隨機振動2 grm，鹽霧污染高等統(tǒng)一條件下，按照各自近似建模獲得的模型對比分析其誤差，如表3所示。對比分析的近似建模包括Kriging的高斯、指數(shù)、線性、立方等模型，響應(yīng)面一階、二階模型，徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和正交多項式模型，可以看出二階響應(yīng)面模型誤差最小。

表3 近似建模誤差

3 結(jié)論

本文針對水下航行器電子設(shè)備采用基于失效物理的可靠性方法進行了溫度、相對濕度、溫升、振動、功耗等10因素影響可靠性正交試驗仿真，結(jié)合仿真結(jié)果進行了4種近似建模方法對比。可以獲得以下結(jié)論。

1）基于失效物理的可靠性預(yù)計方法在不同應(yīng)力條件下可靠性結(jié)果不同，反映了其失效物理特性。

2）二階響應(yīng)面模型相對kriging模型可靠性結(jié)果較保守。

3）二階響應(yīng)面模型相對本文提到的近似模型，擬合誤差最小。在誤差接收范圍內(nèi)，可利用該方法建立電子設(shè)備在各環(huán)境影響下的可靠性模型，快速評估各環(huán)境對可靠性的影響，促進產(chǎn)品優(yōu)化和改進設(shè)計。