王斗輝 ,陳 歡 ,郭 君 ,吳 斌

(1.工業(yè)和信息化部 電子第五研究所,廣東 廣州,615123;2.中國船舶集團(tuán)有限公司 第705 研究所,陜西 西安,710077)

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展,對裝備可靠性水平的要求越來越高,但對研制和生產(chǎn)周期的要求則越來越短,完全按傳統(tǒng)的典型環(huán)境仿真方法對裝備進(jìn)行可靠性試驗,對于可靠性指標(biāo)要求較高的產(chǎn)品,無論是時間還是試驗費用等都難以保證,為此需要找到一種在研制初期即可針對仿真模型,在開展建模仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠性設(shè)計及評價的新途徑。

國外近年來發(fā)展基于失效物理的可靠性仿真技術(shù)已日益受到可靠性工程界的關(guān)注,并得到了蓬勃的發(fā)展。美國陸軍裝備系統(tǒng)分析中心成立了“基于失效物理的可靠性”小組,持續(xù)進(jìn)行失效物理計劃,以實現(xiàn)陸軍裝備設(shè)計和分析的超高可靠性;歐美均有成熟的商業(yè)化熱學(xué)與力學(xué)仿真軟件工具,并被利用在可靠性設(shè)計環(huán)節(jié);馬里蘭大學(xué)的高級壽命循環(huán)工程中心開發(fā)了具有領(lǐng)先地位的基于失效物理的可靠性仿真軟件。國內(nèi)目前在質(zhì)量和可靠性工程領(lǐng)域針對仿真技術(shù)的研究起步較晚,但也已在飛機、導(dǎo)彈等領(lǐng)域有較多應(yīng)用。

傳統(tǒng)的可靠性試驗和可靠性仿真試驗本質(zhì)上都是通過對試驗對象施加應(yīng)力,獲得產(chǎn)品故障(缺陷)數(shù)據(jù),從而對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計及可靠性評價?？煽啃栽囼炇菍嵨飿訖C施加模擬環(huán)境應(yīng)力,通常在試驗箱完成,往往耗時長、成本高,且工作重點在試驗后,不能在設(shè)計早期提供方案權(quán)衡和改進(jìn)輸入[1];而可靠性仿真試驗是針對數(shù)字樣機,利用計算機、軟件工具即可開展,仿真過程耗時短、費用低,通過“建模仿真—設(shè)計改進(jìn)—模型改進(jìn)”的過程[2]可以在產(chǎn)品設(shè)計早期消除產(chǎn)品故障源,減少試驗量,縮短研制周期。目前魚雷型號研制過程主要仍是借助傳統(tǒng)可靠性試驗,通過暴露產(chǎn)品故障實施設(shè)計改進(jìn),另外,由于缺乏專業(yè)的可靠性預(yù)計和可靠性仿真軟件,故完整的可靠性仿真技術(shù)并未在魚雷產(chǎn)品設(shè)計中廣泛應(yīng)用。針對魚雷可靠性要求越來越高,傳統(tǒng)可靠性試驗耗時長、費用高的現(xiàn)狀,有必要研究可靠性仿真技術(shù)在魚雷裝備研制過程中的應(yīng)用。文中選取了魚雷典型電子組件,開展了可靠性仿真分析和仿真試驗研究,旨在為可靠性仿真技術(shù)在魚雷產(chǎn)品上的更廣泛應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 可靠性仿真基本過程

魚雷型號研制一般分為方案設(shè)計、初樣研制、正樣研制及狀態(tài)鑒定等階段。可靠性仿真試驗開始于魚雷型號方案設(shè)計階段,貫穿于產(chǎn)品研制的初樣和正樣設(shè)計階段,通過“仿真試驗—設(shè)計更改—仿真試驗”的迭代過程與產(chǎn)品設(shè)計流程緊密結(jié)合?？煽啃苑抡嬷饕ǚ抡娼?、熱仿真、振動仿真、故障預(yù)計和可靠性評估。熱仿真可以暴露產(chǎn)品熱設(shè)計缺陷,為故障預(yù)計提供電路板的熱邊界條件,振動仿真可以暴露產(chǎn)品振動設(shè)計缺陷,為故障預(yù)計提供電路板的力學(xué)邊界條件,而故障預(yù)計旨在暴露產(chǎn)品在給定壽命條件下的潛在故障點,最后給出產(chǎn)品的定量可靠性評估。針對可靠性仿真試驗所發(fā)現(xiàn)的可靠性設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)應(yīng)及時分析,在更改設(shè)計后應(yīng)更新數(shù)字樣機,并再次進(jìn)行可靠性仿真試驗,以此循環(huán)迭代直至產(chǎn)品熱設(shè)計、振動設(shè)計和故障預(yù)計結(jié)果達(dá)到預(yù)期要求[3-8]。

可靠性仿真流程包括采集設(shè)計信息、建立產(chǎn)品數(shù)字化樣機模型、熱和力學(xué)及電的應(yīng)力分析、預(yù)計故障和可靠性仿真評估等,基本過程及工作流程如圖1 所示。

圖1 可靠性仿真流程Fig.1 Reliability simulation process

2 魚雷產(chǎn)品可靠性仿真

選取魚雷典型電子組件(以下簡稱樣件)來闡述魚雷產(chǎn)品可靠性仿真實踐過程。該樣件主要由濾波器、控制板和電池模塊等裝配組成,涉及艦上工作、水下待機和水下工作等3 種工況,不同工況下環(huán)境條件、工作時間及內(nèi)部發(fā)熱情況均不相同,文中重點針對水下待機狀態(tài)開展可靠性仿真研究。

該產(chǎn)品在實際使用中遇到的環(huán)境應(yīng)力主要有溫度、濕度、振動、沖擊、霉菌和鹽霧等,受上述因素的影響,產(chǎn)品會發(fā)生一系列的“物理失效”變化,造成產(chǎn)品功能失效。據(jù)統(tǒng)計,電子產(chǎn)品的大部分故障由溫度、濕度和振動應(yīng)力導(dǎo)致,故結(jié)合該產(chǎn)品特點,影響其可靠性的敏感環(huán)境應(yīng)力是溫度和振動,為此可將溫度和振動應(yīng)力施加至仿真模型上,開展可靠性仿真分析和評估。

2.1 產(chǎn)品設(shè)計信息采集

采集可靠性仿真需要的設(shè)計和使用環(huán)境信息包括完整的印制電路板(printed circuit board,PCB)設(shè)計信息、計算機輔助設(shè)計(computer aided design,CAD)文件、三維結(jié)構(gòu)圖、PCB 部件電路圖及元器件目錄、工作剖面及環(huán)境條件等設(shè)計信息,具體涉及結(jié)構(gòu)件名稱和代號、材料名稱和代號、材料密度、彈性模量、泊松比以及安裝方式等44 種結(jié)構(gòu)件信息;器件類型、質(zhì)量、幾何尺寸、封裝類型、封裝材料、額定功耗、實際功耗、位置信息、管腳數(shù)量以及連接方式等87 種元器件信息;收集及查詢補充完善其他各類相關(guān)信息近千條。

2.2 仿真模型建立

2.2.1 CAD 建模

CAD 建模是為了建立反映產(chǎn)品幾何特征的三維數(shù)字模型,是建立計算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)和有限 元方法(finite element method,FEM)仿真模型的原型和基礎(chǔ)。樣件主要由電池模塊、外殼、蓋板、PCB、螺釘和墊片等組成,CAD 仿真模型如圖2 所示,簡化后如圖3 所示。

圖2 樣件CAD 模型Fig.2 CAD model of the sample

圖3 樣件簡化模型Fig.3 Simplified model of the sample

2.2.2 CFD 仿真模型

在CAD 簡化模型基礎(chǔ)上建立仿真輸出,對發(fā)熱量小、模型體積小的部分進(jìn)行簡化刪除,并對發(fā)熱期間的模型選擇最高精度的簡化,盡可能保證模型的準(zhǔn)確性。通過對器件的功耗值進(jìn)行分析對比,以0.01 W為分界線進(jìn)行模型簡化,低于10 mW的器件除微控制器及晶振(為了重點檢查該部位溫度)外,其余器件均進(jìn)行簡化,另外保留空間體積較大的元器件,盡可能保持熱流的真實性。PCB 部件簡化后的模型見圖4。

圖4 PCB 部件簡化圖Fig.4 Simplified model of PCB

樣件的特征尺寸為120 mm,為了滿足軟件仿真需求,樣件特征尺寸按130 mm 計算區(qū)域范圍進(jìn)行仿真邊界設(shè)置,在基于Fluent 熱算法進(jìn)行仿真前需進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)計,以真實反映熱傳輸途徑,組件外部網(wǎng)格劃分見圖5,組件印制板網(wǎng)格劃分見圖6。

圖6 PCB 網(wǎng)格劃分圖Fig.6 Grid division of PCB

根據(jù)樣件實際工作剖面,樣件工作時間有限,發(fā)熱器件為瞬態(tài)發(fā)熱,穩(wěn)定時間后功率極低,組件內(nèi)部發(fā)熱器件基本為密閉空間,瞬態(tài)發(fā)熱仿真可更真實確認(rèn)組件的溫度最高點,因此采用瞬態(tài)熱仿真。對印制板、重要發(fā)熱器件等組成的屬性進(jìn)行各發(fā)熱器件參數(shù)設(shè)置,得到樣件典型工況下發(fā)熱器件的參數(shù)統(tǒng)計見表1(該表只是作為示例給出部分器件模型屬性)。

表1 模型屬性表Table 1 Model properties

2.2.3 FEA 仿真模型

針對不同零部件的幾何特征,考慮對計算結(jié)果的不同影響程度,分別對上下外殼、接插件、PCB及螺栓等進(jìn)行簡化,然后進(jìn)行基于模態(tài)疊加法的隨機振動計算。模態(tài)計算對網(wǎng)格大小的均勻程度有一定要求,在設(shè)置網(wǎng)格尺寸時將尺度較大的上下外殼、接插件插針以及上下外殼安裝螺栓設(shè)置單元尺寸為2 mm,其他結(jié)構(gòu)單元尺寸為1 mm,使得單個組件的網(wǎng)格均勻,最終劃分網(wǎng)格單元數(shù)量13 萬,如圖7 所示。

圖7 網(wǎng)格劃分Fig.7 Grid division

由于該樣件仿真涉及零部件較多,連接關(guān)系復(fù)雜,為便于說明,將各組件、零件的連接方式分成螺栓連接、綁定連接、運動副連接和接插件連接[9]4 種。例如下殼體與PCB 之間為螺栓鏈接(見圖8);電阻、二極管和電容等組件并不與PCB 直接接觸,而是通過兩端的管角支撐在PCB 上。以電阻為例,管角一端與PCB 的焊盤連接,另一端與電阻連接,在計算中利用固定運動副來模擬管角和PCB以及管角和電阻之間的連接關(guān)系(見圖9)。

圖8 下殼體與電路板螺栓連接Fig.8 Bolt connection between lower hull and circuit board

圖9 電阻固定運動副連接Fig.9 Connection of resistance fixed motion pair

光耦、整流橋、電源模塊、繼電器、二極管以及達(dá)林頓管等組件底面直接與PCB 接觸,建立綁定連接關(guān)系,以整流橋為例如圖10 所示。

圖10 整流橋與PCB 連接示意圖Fig.10 Link between rectifier bridge and PCB

完成連接關(guān)系設(shè)置后,為保證計算模型與實際產(chǎn)品材料屬性的一致性,對每個零件都單獨進(jìn)行材料屬性設(shè)置,由于大部分電子零件并非單一材料組成,為簡化計算,每個零件的泊松比與彈性模量參考構(gòu)成該零件的主要材料取值,并通過調(diào)整零件的密度屬性使得該零件的模型質(zhì)量與實際產(chǎn)品的質(zhì)量保持一致。計算模型中涉及的部分材料屬性統(tǒng)計見表2。

表2 材料屬性表Table 2 Material properties

2.3 應(yīng)力分析

2.3.1 熱應(yīng)力仿真分析

1) 熱響應(yīng)分析

CFD 仿真模型建立后,通過熱測量試驗方法,得到產(chǎn)品電路板關(guān)鍵器件點溫度測試結(jié)果,與溫度應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行對比分析,以驗證CFD 模型的準(zhǔn)確性。32℃環(huán)境溫度下的熱應(yīng)力仿真與熱測量試驗對比結(jié)果見表3,可見相對誤差小于10%,證明了CFD 仿真模型的正確性。

表3 熱測量試驗結(jié)果與溫度應(yīng)力分析結(jié)果對比Table 3 Comparison between thermal measurement and thermal stress analysis results

2) 水下待機狀態(tài)仿真

根據(jù)水下待機工況的時長,設(shè)置仿真時間為12 h,使用溫度采集點,按時間對溫度進(jìn)行檢查,初步得出溫度分布如圖11 所示。

圖11 溫度分布圖Fig.11 Temperature distribution

根據(jù)溫度隨時間變化的趨勢圖,初步確認(rèn) D2、R19 和R28 電阻溫度較高,因此,對D2、R19 和R28 定制溫度變化曲線,詳細(xì)見圖12。檢查組件端熱流情況,可得出圖13。

圖12 溫度變化圖Fig.12 Temperature variation

圖13 熱對流示意圖Fig.13 Heat convection diagram

根據(jù)溫度變化圖可確認(rèn)模型中D2、R19 和R28溫度較高,R19 的溫度最高,在200 s 時最高溫度約為60 ℃。利用ANSYS ICEPAK 熱仿真分析手段,模擬計算了樣件的熱工作狀態(tài)。通過計算結(jié)果可以看出,在熱電池供電50 s 內(nèi)溫度持續(xù)工作,熱電池停止工作后約在200 s 時溫度達(dá)到最高值,200 s后到待機完成時間內(nèi)溫度持續(xù)降低。因此,應(yīng)注意熱電池的工作時間,避免樣件內(nèi)部持續(xù)發(fā)熱。

2.3.2 振動應(yīng)力仿真分析

1) 模態(tài)計算分析

模態(tài)分析計算的頻段設(shè)置為10～2 500 Hz,計算時在下外殼的吊耳上設(shè)置固定約束,前6 階模態(tài)的計算結(jié)果如圖14 所示。從模態(tài)計算看出2 個吊耳的連接方式導(dǎo)致結(jié)構(gòu)1 階模態(tài)頻率較低,1 階陣型呈現(xiàn)出整體的扭轉(zhuǎn)狀態(tài),吊耳與下外殼連接根部的模態(tài)應(yīng)力較大,可能成為結(jié)構(gòu)動強度的風(fēng)險點。

圖14 前6 階模態(tài)計算結(jié)果Fig.14 Calculation results of the first six orders modes

2) 模態(tài)實測驗證

采用實物模態(tài)試驗法對樣件中的部分模塊進(jìn)行模態(tài)試驗,PCB 用彈性繩自由懸掛開展自由狀態(tài)下的模態(tài)試驗,得到整個電路板模塊的頻響數(shù)曲線與數(shù)據(jù)后進(jìn)行模態(tài)計算,將得到的模態(tài)信息和振動仿真分析結(jié)果進(jìn)行比對,詳見表4。1 階共振頻率相對誤差小于10%,證明了振動應(yīng)力仿真分析采用模型的正確性。

表4 模態(tài)試驗結(jié)果Table 4 Modal test results

3) 隨機振動分析

利用有限元仿真分析手段,模擬計算樣件的模態(tài)以及在準(zhǔn)備階段、水下工作條件下的隨機振動響應(yīng)。以水下低速工作階段為例,水下工作階段的振動為隨機+掃頻形式,其量值見表5 和表6。

表5 低速工況振動條件下隨機振動拐點Table 5 Random vibration inflection point coordinates at low speed

表6 低速工況振動條件掃頻線譜Table 6 Sweep line spectrum at low speed

通過計算可以得到濾波儲能裝置的最大等效應(yīng)力為17.42 MPa,發(fā)生在PCB 與PVC_ZJ_C3 電源模塊接觸處(見圖15),結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。最大位移發(fā)生在PVC_DZ_D15 電容處(見圖16),為0.007 5 mm,說明結(jié)構(gòu)設(shè)計的剛度滿足在該振動環(huán)境條件下的設(shè)計要求。

圖15 等效應(yīng)力計算結(jié)果Fig.15 Equivalent stress calculation results

圖16 位移計算結(jié)果Fig.16 Displacement calculation results

由以上振動應(yīng)力仿真分析可以得到: 水下低速航行振動條件下的最大等效應(yīng)力發(fā)生在PCB與PVC_ZJ_C3 電源模塊接觸處,為17.42 MPa,結(jié)構(gòu)動強度滿足設(shè)計要求,位移量值較小。

2.4 故障預(yù)計

采用CalcePWA 軟件開展產(chǎn)品的故障預(yù)計,輸入各節(jié)點的特征信息,給出產(chǎn)品各節(jié)點在各溫度臺階下的熱應(yīng)力分布情況和各振動量級下的振動響應(yīng)情況,根據(jù)各節(jié)點在不同環(huán)境條件下的失效時間,軟件綜合仿真評估出各節(jié)點的失效時間。根據(jù)故障預(yù)計結(jié)果可發(fā)現(xiàn)樣件有2 個相對薄弱點故障信息矩陣(假設(shè)以20 a為壽命要求),2 個故障薄弱點均位于電源變換電路板上,詳見表7。

表7 相對薄弱點故障信息矩陣表Table 7 Relative weak point fault information matrix

2.5 可靠性評估

利用故障預(yù)計得到的故障信息矩陣,通過單點故障分布擬合對故障信息矩陣中各故障機理的故障時間進(jìn)行處理,得到各故障機理的故障分布,在此基礎(chǔ)上利用多點故障分布融合算法,得出器件、模塊、設(shè)備和系統(tǒng)的故障分布及可靠性水平。文中根據(jù)基于蒙特卡羅的可靠性仿真方法模型,并自下而上利用各層級節(jié)點壽命分布模型開展蒙特卡羅仿真,確定各層級節(jié)點的最優(yōu)壽命分布和分布參數(shù),實現(xiàn)對產(chǎn)品可靠性水平的定量評估,得到故障時間概率密度函數(shù)和平均首發(fā)故障時間評估值詳見表8。

表8 樣件及各板級可靠性評估表Table 8 Evaluation table of sample and board-level reliability

從仿真結(jié)果可以得到,若進(jìn)一步改進(jìn)提升產(chǎn)品可靠性,可優(yōu)先提升該樣件的C1 和C5 節(jié)點,可靠性提升效果明顯。

3 結(jié)束語

文中選取魚雷某電子組件作為可靠性仿真研究對象,在充分考慮產(chǎn)品外形尺寸、封裝形式、安裝方式、連接方式、材料、功耗、元器件信息、散熱形式及環(huán)境條件等設(shè)計因素的基礎(chǔ)上,建立產(chǎn)品數(shù)字化樣機,開展熱仿真、振動仿真、故障預(yù)計和可靠性評估,得到產(chǎn)品的熱設(shè)計和抗振設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)、潛在故障位置信息以及平均首發(fā)故障時間等,將可靠性仿真基本內(nèi)容和工作流程在魚雷產(chǎn)品上得以應(yīng)用和實踐,確保在產(chǎn)品設(shè)計早期消除故障源、提高產(chǎn)品可靠性和魯棒性。值得注意的是,產(chǎn)品信息收集是開展可靠性仿真分析的基礎(chǔ),直接影響仿真模型和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此收集產(chǎn)品信息要求完整、準(zhǔn)確,符合仿真建模分析要求。該研究方法可有效指導(dǎo)后續(xù)魚雷的可靠性仿真工作,并可推廣應(yīng)用于水雷、聲誘餌等其他水中兵器領(lǐng)域。