劉 揚,張 宇

(1. 海裝上海局駐南京地區(qū)第二軍事代表室,南京 211153; 2.中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

武器裝備的可靠性水平對于裝備的戰(zhàn)備完好性、任務成功性以及維修保障等均有重要影響,可靠性已被世界各國列為武器裝備研制的重要考核指標。隨著裝備中電子產(chǎn)品研制周期加快,新技術(shù)大量應用,可靠性要求快速提高。傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計、預計、分配、試驗等工作,在實際工程應用中暴露出越來越多的問題,故障隨機發(fā)生的假設(shè)日益顯露出局限性。要提高產(chǎn)品的可靠性水平,只能通過改變外部環(huán)境和無限提高元器件、零部件的可靠性水平,這在實際工作中往往難以實現(xiàn)。因此,基于電子產(chǎn)品武器裝備新的研制特點,當前可靠性工程技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)和新的機遇,須發(fā)展新的高可靠電子產(chǎn)品的可靠性預計與設(shè)計方法。

當前,主要有兩種解決可靠性問題的方法:基于概率統(tǒng)計的可靠性分析方法和基于故障物理的可靠性分析方法。

基于概率統(tǒng)計的可靠性分析方法產(chǎn)生于20世紀50年代,該方法建立在“大數(shù)定律”的統(tǒng)計特性上,認為產(chǎn)品的故障是不可歸因且故障服從指數(shù)隨機分布,從故障發(fā)生的頻率和結(jié)果的統(tǒng)計分析角度出發(fā),采用統(tǒng)計數(shù)學方法對產(chǎn)品可靠性進行預計、驗證和評估,從而為裝備的使用和保障資源的配置提供支持。目前國內(nèi)常用的電子產(chǎn)品可靠性預計方法通常是借助各種手冊,例如國軍標GJB/Z299C-2006、美軍標MIL-HDBK-217f等標準進行的。在產(chǎn)品的故障機理認識不清,且無故障物理模型可用時,基于手冊的預計方法從宏觀角度給出元器件和產(chǎn)品的可靠性指標,為可靠性分配等工作提供基礎(chǔ)[1]。

基于故障物理的可靠性分析方法則認為產(chǎn)品的故障是由機械、電、熱和化學等應力作用的過程導致,因而對于故障不應僅從統(tǒng)計的角度去研究其規(guī)律性,被動地驗證產(chǎn)品可靠性水平,而應當從材料、結(jié)構(gòu)、應力、強度和損傷累積等角度,全面了解產(chǎn)品故障機理,以準確評價產(chǎn)品可靠性。通過事先把可靠性設(shè)計工作結(jié)合到產(chǎn)品設(shè)計過程中,真正實現(xiàn)“可靠性是設(shè)計出來的”這一目標?；诠收衔锢淼目煽啃苑抡娣治黾夹g(shù)近年來在國內(nèi)外發(fā)展很快,為裝備研制中高可靠的設(shè)計與實現(xiàn)提供了一條新的技術(shù)途徑[2]。

本文以某電源組件為例,從材料、結(jié)構(gòu)、應力、強度和損傷累積等角度全面分析產(chǎn)品故障機理,研究基于故障物理模型的可靠性仿真分析方法。

1 可靠性仿真試驗流程

基于故障物理模型的可靠性仿真試驗流程主要包括產(chǎn)品信息收集、數(shù)字樣機建模、應力分析和可靠性評估等幾個步驟,流程如圖1所示。

圖1 基于故障物理模型的可靠性仿真試驗流程

具體步驟如下:

(1)產(chǎn)品信息收集。收集產(chǎn)品基本信息,包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件與材料信息、元器件信息、邊界載荷等信息;

(2)數(shù)字樣機建模。建立產(chǎn)品的數(shù)字樣機模型,包含CFD和FEA數(shù)字樣機模型,完成模型簡化、參數(shù)設(shè)定以及模型修正和驗證;

(3)應力分析。施加收集的產(chǎn)品邊界載荷信息,在此基礎(chǔ)上進行應力分析;

(4)可靠性評估。將應力分析結(jié)果作為故障物理模型的輸入,進行可靠性評估。

2 產(chǎn)品信息收集

2.1 產(chǎn)品基本信息

包括產(chǎn)品組成、尺寸、重量、功耗等。

2.2 結(jié)構(gòu)件與材料信息

包括結(jié)構(gòu)三維模型、材料屬性、熱力學參數(shù)、尺寸、安裝方式、散熱措施以及焊點的材料與面積等。

2.3 元器件信息

包括裝配圖、各模塊元器件功率、尺寸、重量、封裝材料、引腳材料和位置等。

2.4 邊界載荷信息

包括產(chǎn)品的溫度應力、振動應力等環(huán)境條件及任務剖面,作為可靠性仿真分析的邊界條件。

3 數(shù)字樣機建模

3.1 CAD數(shù)字樣機建模

以某電源組件為例,依據(jù)產(chǎn)品實際結(jié)構(gòu)尺寸建立CAD數(shù)字樣機模型,需確保組件主體結(jié)構(gòu)與各子結(jié)構(gòu)間的聯(lián)接關(guān)系正確,產(chǎn)品實物如圖2所示。建立的電源組件CAD模型如圖3所示。

圖2 電源組件實物圖

圖3 電源組件CAD模型圖

3.2 CFD和FEA數(shù)字樣機建模

3.2.1 模型簡化

CFD和FEA數(shù)字樣機建模時須對CAD模型進行簡化,以便進行相應的應力分析。模型簡化過程應當在盡量保證簡化前后模型特征變化最小的前提下進行,通常遵循以下簡化原則:

(1)簡化前后組件整體主結(jié)構(gòu)傳力路徑完整。簡化結(jié)果應正確反映組件內(nèi)部各模塊的裝配關(guān)系,以此確保在可靠性綜合分析過程中,盡可能覆蓋到所有的薄弱環(huán)節(jié)與結(jié)構(gòu)細節(jié)。

(2)安裝接口處和載荷施加處的結(jié)構(gòu)不應簡化。在保證結(jié)構(gòu)外形、重量和質(zhì)心位置基本不變的前提下,將結(jié)構(gòu)簡化成單一材料,適當省略尺寸較小的孔、凸臺、圓角和不必要的倒角等。

模型簡化結(jié)果如圖4所示。

圖4 電源組件CAD模型簡化圖

3.2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分參數(shù)的設(shè)置與選取決定了后續(xù)仿真計算結(jié)果是否收斂,仿真精度是否達標。針對電源組件CAD模型不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點,在網(wǎng)格劃分過程選用不同的劃分方法。通常對于簡單的幾何模型采用六面體網(wǎng)格劃分方法,對于復雜幾何模型采用四面體網(wǎng)格劃分方法。本文對電源組件的外殼、基板以及定位銷采用四面體網(wǎng)格劃分方法;對電源組件內(nèi)部的印制電路板、芯片和封裝模塊箱體采用六面體網(wǎng)格劃分方法。網(wǎng)格劃分過程中還須對網(wǎng)格尺寸、疏密程度、網(wǎng)格質(zhì)量等一系列相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。

3.2.3 參數(shù)設(shè)置

電源組件包含多種部件和材料,設(shè)計人員根據(jù)相關(guān)文獻資料得到部件共9種材料,每種材料參數(shù)為6類。相關(guān)的材料參數(shù)如表1所示。電源組件中各熱源的載荷情況如表2所示。

表1 電源組件材料參數(shù)

表2 電源組件熱載荷參數(shù)

3.2.4 模型修正與驗證

建立CFD模型,在劃分完網(wǎng)格并設(shè)置好熱仿真分析參數(shù)及試驗條件后,開始仿真運算,得到溫度場輸出結(jié)果,包括產(chǎn)品及元器件的溫度值及溫度場分部,熱仿真分析結(jié)果可為數(shù)據(jù)表格和云圖。

在27 ℃環(huán)境下,對比電源組件實物熱測量試驗結(jié)果與電源組件CFD模型修正后的熱仿真分析結(jié)果,如表3所示。相對誤差小于10%,滿足工程應用要求,表明了CFD模型的正確性。

表3 電源組件實測溫度與熱仿真溫度對比(環(huán)境溫度27℃)

建立FEA模型,劃分完網(wǎng)格并設(shè)置好振動仿真分析參數(shù)及試驗條件后,開始仿真運算,得到振動仿真分析輸出結(jié)果,包括加速度相應云圖、位移響應云圖、應力與應變響應圖、各模塊固定點處響應的功率譜曲線等。

對比電源組件實物模態(tài)試驗結(jié)果與電源組件FEA模型修正之后的振動仿真分析結(jié)果,如表4所示。電源組件FEA模型模態(tài)分析仿真與實物試驗在不同階數(shù)下頻率的誤差均小于10%,滿足工程應用要求,驗證了電源組件FEA模型的正確性。

表4 電源組件模態(tài)試驗結(jié)果與振動仿真分析對比(自由狀態(tài))

4 應力分析

4.1 熱仿真分析

為了分析元器件在不同環(huán)境溫度下的溫度分布情況,設(shè)置3種環(huán)境溫度分析電源組件,具體溫升結(jié)果如表5所示,可以看出電源組件發(fā)熱量較高區(qū)域為8個電源模塊的安裝位置。

表5 不同環(huán)境溫度下電源組件各元器件溫升

4.2 振動仿真分析

由約束模態(tài)分析可知,電源組件在Z方向上的形變最明顯,因此電源組件在諧響應分析過程中的邊界載荷設(shè)置方向選取Z方向。根據(jù)電源組件實際使用環(huán)境條件,對電源組件在Z方向上施加均方根為7.5 m/s2的加速度功率譜;頻率間隔方式設(shè)置為對數(shù)形式輸入;求解區(qū)間數(shù)目設(shè)置為20;求解方法設(shè)置為模態(tài)疊加法,頻率最小值設(shè)置為60 Hz,頻率最大值設(shè)置為300 Hz。在約束模態(tài)下,電源組件的Z向隨機振動分析結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 電源組件Z向形變云圖

圖6 電源組件Z向等效應力圖

由圖5可知:在3σ的置信度區(qū)間內(nèi),數(shù)字樣機模型有99.73%的概率會發(fā)生如圖6所示的形變效果,圖中組件中心形變程度最高,其中形變量最大值為0.039 465 mm。由圖6可知:在3σ的置信度區(qū)間內(nèi),數(shù)字樣機模型有99.73%的概率會承受如圖6所示的等效應力。圖中模型在兩側(cè)定位銷處承受的等效應力最大,其等效應力最大值為15.26 MPa。

電源組件的振動應力分析結(jié)果表明:振動載荷激勵的施加使得模型中部易發(fā)生形變;當結(jié)構(gòu)模型因振動載荷激勵的施加而發(fā)生形變時,模型結(jié)構(gòu)的約束邊界位置處承受最大應力,因此推斷邊界約束位置易先發(fā)生損壞。

5 可靠性評估

通過對實際工作溫度剖面和振動剖面條件下的疲勞損傷進行累計計算,可得到該組件中各個元器件故障預計結(jié)果。計算得到的電源組件振動疲勞壽命分布云圖如圖7所示,電源組件熱疲勞壽命分布云圖如圖8所示。

圖7 電源組件振動疲勞壽命分布云圖

圖8 電源組件熱疲勞壽命分布云圖

由故障預計可以獲得各個元器件的潛在故障模式、對應的故障物理模型、失效表現(xiàn)形式和TTF等故障信息。通過對比組件故障預計云圖與左側(cè)梯度條,能夠判斷出該組件中預計壽命最短的關(guān)鍵元器件。

考慮到關(guān)鍵元器件的故障物理模型參數(shù)對應力損傷和累計損傷的影響,在故障物理分析的基礎(chǔ)上,通過對關(guān)鍵元器件的故障物理模型參數(shù)進行分散性設(shè)置(參數(shù)分布選擇設(shè)置選擇正態(tài)分布,參數(shù)上下限設(shè)置分別為恒定數(shù)值的±10%),并結(jié)合蒙特卡洛仿真方法進行參數(shù)離散和隨機抽樣計算(設(shè)置蒙特卡洛樣本容量為1萬),開展隨機故障分析,最終獲得大量的單點仿真故障數(shù)據(jù)。電源組件中關(guān)鍵元器件振動疲勞的預計壽命如表6所示。

表6 電源組件振動疲勞預計壽命

設(shè)定該組件線路板的預期工作時長(以10萬個小時為例),由關(guān)鍵元器件的單模式故障預計分析結(jié)果可以看出:以振動疲勞模型進行單一輸入時,該電源組件中CPLD芯片、穩(wěn)壓塊1、穩(wěn)壓塊2、開關(guān)電源的預計壽命較長,而8個電源模塊預計壽命較短,且不同電源模塊的預計壽命值相近。電源組件中關(guān)鍵元器件熱疲勞的預計壽命如表7所示。

表7 電源組件熱疲勞預計壽命

以熱疲勞模型進行單一輸入時,該電源組件內(nèi)部各元器件的預計壽命值均低于振動疲勞模型的預計壽命值,說明該電源組件更容易受到熱應力影響。結(jié)合該電源組件的實際使用情況,能夠判斷出該電源組件的主要應力影響來自熱應力,振動應力產(chǎn)生的影響較小。

6 結(jié)束語

本文以某電源組件為例,研究了基于故障物理模型的可靠性仿真分析方法。介紹了產(chǎn)品信息收集、CAD模型建立及簡化方法,闡述了CFD建模及熱分析方法、FEA建模及振動分析方法。通過對物理樣機開展熱測量試驗和模態(tài)試驗對仿真模型進行修正和驗證,保證了數(shù)字樣機模型的準確性,提高了仿真結(jié)果的可信度。通過基于故障物理模型的可靠性仿真試驗,可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計薄弱環(huán)節(jié),并指明潛在故障發(fā)生的位置和原因,從而指導設(shè)計改進。