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(guó)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(duì)裝備可靠性水平的要求越來(lái)越高,但對(duì)研制和生產(chǎn)周期的要求則越來(lái)越短,完全按傳統(tǒng)的典型環(huán)境仿真方法對(duì)裝備進(jìn)行可靠性試驗(yàn),對(duì)于可靠性指標(biāo)要求較高的產(chǎn)品,無(wú)論是時(shí)間還是試驗(yàn)費(fèi)用等都難以保證,為此需要找到一種在研制初期即可針對(duì)仿真模型,在開(kāi)展建模仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)的新途徑。

國(guó)外近年來(lái)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(guó)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(jì)劃,以實(shí)現(xiàn)陸軍裝備設(shè)計(jì)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(jì)環(huán)節(jié);馬里蘭大學(xué)的高級(jí)壽命循環(huán)工程中心開(kāi)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(guó)內(nèi)目前在質(zhì)量和可靠性工程領(lǐng)域針對(duì)仿真技術(shù)的研究起步較晚,但也已在飛機(jī)、導(dǎo)彈等領(lǐng)域有較多應(yīng)用。

傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)和可靠性仿真試驗(yàn)本質(zhì)上都是通過(guò)對(duì)試驗(yàn)對(duì)象施加應(yīng)力,獲得產(chǎn)品故障(缺陷)數(shù)據(jù),從而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)及可靠性評(píng)價(jià)?？煽啃栽囼?yàn)是對(duì)實(shí)物樣機(jī)施加模擬環(huán)境應(yīng)力,通常在試驗(yàn)箱完成,往往耗時(shí)長(zhǎng)、成本高,且工作重點(diǎn)在試驗(yàn)后,不能在設(shè)計(jì)早期提供方案權(quán)衡和改進(jìn)輸入[1];而可靠性仿真試驗(yàn)是針對(duì)數(shù)字樣機(jī),利用計(jì)算機(jī)、軟件工具即可開(kāi)展,仿真過(guò)程耗時(shí)短、費(fèi)用低,通過(guò)“建模仿真—設(shè)計(jì)改進(jìn)—模型改進(jìn)”的過(guò)程[2]可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期消除產(chǎn)品故障源,減少試驗(yàn)量,縮短研制周期。目前魚(yú)雷型號(hào)研制過(guò)程主要仍是借助傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn),通過(guò)暴露產(chǎn)品故障實(shí)施設(shè)計(jì)改進(jìn),另外,由于缺乏專(zhuān)業(yè)的可靠性預(yù)計(jì)和可靠性仿真軟件,故完整的可靠性仿真技術(shù)并未在魚(yú)雷產(chǎn)品設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。針對(duì)魚(yú)雷可靠性要求越來(lái)越高,傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高的現(xiàn)狀,有必要研究可靠性仿真技術(shù)在魚(yú)雷裝備研制過(guò)程中的應(yīng)用。文中選取了魚(yú)雷典型電子組件,開(kāi)展了可靠性仿真分析和仿真試驗(yàn)研究,旨在為可靠性仿真技術(shù)在魚(yú)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(guò)程

魚(yú)雷型號(hào)研制一般分為方案設(shè)計(jì)、初樣研制、正樣研制及狀態(tài)鑒定等階段?？煽啃苑抡嬖囼?yàn)開(kāi)始于魚(yú)雷型號(hào)方案設(shè)計(jì)階段,貫穿于產(chǎn)品研制的初樣和正樣設(shè)計(jì)階段,通過(guò)“仿真試驗(yàn)—設(shè)計(jì)更改—仿真試驗(yàn)”的迭代過(guò)程與產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程緊密結(jié)合?？煽啃苑抡嬷饕ǚ抡娼?、熱仿真、振動(dòng)仿真、故障預(yù)計(jì)和可靠性評(píng)估。熱仿真可以暴露產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)缺陷,為故障預(yù)計(jì)提供電路板的熱邊界條件,振動(dòng)仿真可以暴露產(chǎn)品振動(dòng)設(shè)計(jì)缺陷,為故障預(yù)計(jì)提供電路板的力學(xué)邊界條件,而故障預(yù)計(jì)旨在暴露產(chǎn)品在給定壽命條件下的潛在故障點(diǎn),最后給出產(chǎn)品的定量可靠性評(píng)估。針對(duì)可靠性仿真試驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的可靠性設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)應(yīng)及時(shí)分析,在更改設(shè)計(jì)后應(yīng)更新數(shù)字樣機(jī),并再次進(jìn)行可靠性仿真試驗(yàn),以此循環(huán)迭代直至產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)、振動(dòng)設(shè)計(jì)和故障預(yù)計(jì)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(jì)信息、建立產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī)模型、熱和力學(xué)及電的應(yīng)力分析、預(yù)計(jì)故障和可靠性仿真評(píng)估等,基本過(guò)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(yú)雷產(chǎn)品可靠性仿真

選取魚(yú)雷典型電子組件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)樣件)來(lái)闡述魚(yú)雷產(chǎn)品可靠性仿真實(shí)踐過(guò)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(jī)和水下工作等3 種工況,不同工況下環(huán)境條件、工作時(shí)間及內(nèi)部發(fā)熱情況均不相同,文中重點(diǎn)針對(duì)水下待機(jī)狀態(tài)開(kāi)展可靠性仿真研究。

該產(chǎn)品在實(shí)際使用中遇到的環(huán)境應(yīng)力主要有溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、霉菌和鹽霧等,受上述因素的影響,產(chǎn)品會(huì)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(jì),電子產(chǎn)品的大部分故障由溫度、濕度和振動(dòng)應(yīng)力導(dǎo)致,故結(jié)合該產(chǎn)品特點(diǎn),影響其可靠性的敏感環(huán)境應(yīng)力是溫度和振動(dòng),為此可將溫度和振動(dòng)應(yīng)力施加至仿真模型上,開(kāi)展可靠性仿真分析和評(píng)估。

2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息采集

采集可靠性仿真需要的設(shè)計(jì)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(jì)信息、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(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(jì)信息,具體涉及結(jié)構(gòu)件名稱(chēng)和代號(hào)、材料名稱(chēng)和代號(hào)、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(lèi)型、質(zhì)量、幾何尺寸、封裝類(lèi)型、封裝材料、額定功耗、實(shí)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(xún)補(bǔ)充完善其他各類(lèi)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(jì)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(jiǎn)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(jiǎn)化模型Fig.3 Simplified model of the sample

2.2.2 CFD 仿真模型

在CAD 簡(jiǎn)化模型基礎(chǔ)上建立仿真輸出,對(duì)發(fā)熱量小、模型體積小的部分進(jìn)行簡(jiǎn)化刪除,并對(duì)發(fā)熱期間的模型選擇最高精度的簡(jiǎn)化,盡可能保證模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)器件的功耗值進(jìn)行分析對(duì)比,以0.01 W為分界線進(jìn)行模型簡(jiǎn)化,低于10 mW的器件除微控制器及晶振(為了重點(diǎn)檢查該部位溫度)外,其余器件均進(jìn)行簡(jiǎn)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(shí)性。PCB 部件簡(jiǎn)化后的模型見(jiàn)圖4。

圖4 PCB 部件簡(jiǎn)化圖Fig.4 Simplified model of PCB

樣件的特征尺寸為120 mm,為了滿(mǎn)足軟件仿真需求,樣件特征尺寸按130 mm 計(jì)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(jì),以真實(shí)反映熱傳輸途徑,組件外部網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖5,組件印制板網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖6。

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

根據(jù)樣件實(shí)際工作剖面,樣件工作時(shí)間有限,發(fā)熱器件為瞬態(tài)發(fā)熱,穩(wěn)定時(shí)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(shí)確認(rèn)組件的溫度最高點(diǎn),因此采用瞬態(tài)熱仿真。對(duì)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(jì)見(jiàn)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(duì)不同零部件的幾何特征,考慮對(duì)計(jì)算結(jié)果的不同影響程度,分別對(duì)上下外殼、接插件、PCB及螺栓等進(jìn)行簡(jiǎn)化,然后進(jìn)行基于模態(tài)疊加法的隨機(jī)振動(dòng)計(jì)算。模態(tài)計(jì)算對(duì)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(shí)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(gè)組件的網(wǎng)格均勻,最終劃分網(wǎng)格單元數(shù)量13 萬(wàn),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(shuō)明,將各組件、零件的連接方式分成螺栓連接、綁定連接、運(yùn)動(dòng)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(jiàn)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(guò)兩端的管角支撐在PCB 上。以電阻為例,管角一端與PCB 的焊盤(pán)連接,另一端與電阻連接,在計(jì)算中利用固定運(yùn)動(dòng)副來(lái)模擬管角和PCB以及管角和電阻之間的連接關(guān)系(見(jiàn)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(yùn)動(dòng)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?yàn)槔鐖D10 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(jì)算模型與實(shí)際產(chǎn)品材料屬性的一致性,對(duì)每個(gè)零件都單獨(dú)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(jiǎn)化計(jì)算,每個(gè)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(guò)調(diào)整零件的密度屬性使得該零件的模型質(zhì)量與實(shí)際產(chǎn)品的質(zhì)量保持一致。計(jì)算模型中涉及的部分材料屬性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)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(guò)熱測(cè)量試驗(yàn)方法,得到產(chǎn)品電路板關(guān)鍵器件點(diǎn)溫度測(cè)試結(jié)果,與溫度應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,以驗(yàn)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(cè)量試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3,可見(jiàn)相對(duì)誤差小于10%,證明了CFD 仿真模型的正確性。

表3 熱測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果與溫度應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison between thermal measurement and thermal stress analysis results

2) 水下待機(jī)狀態(tài)仿真

根據(jù)水下待機(jī)工況的時(shí)長(zhǎng),設(shè)置仿真時(shí)間為12 h,使用溫度采集點(diǎn),按時(shí)間對(duì)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(shí)間變化的趨勢(shì)圖,初步確認(rèn) D2、R19 和R28 電阻溫度較高,因此,對(duì)D2、R19 和R28 定制溫度變化曲線,詳細(xì)見(jiàn)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(duì)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(shí)最高溫度約為60 ℃。利用ANSYS ICEPAK 熱仿真分析手段,模擬計(jì)算了樣件的熱工作狀態(tài)。通過(guò)計(jì)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(shí)溫度達(dá)到最高值,200 s后到待機(jī)完成時(shí)間內(nèi)溫度持續(xù)降低。因此,應(yīng)注意熱電池的工作時(shí)間,避免樣件內(nèi)部持續(xù)發(fā)熱。

2.3.2 振動(dòng)應(yīng)力仿真分析

1) 模態(tài)計(jì)算分析

模態(tài)分析計(jì)算的頻段設(shè)置為10～2 500 Hz,計(jì)算時(shí)在下外殼的吊耳上設(shè)置固定約束,前6 階模態(tài)的計(jì)算結(jié)果如圖14 所示。從模態(tài)計(jì)算看出2 個(gè)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(dòng)強(qiáng)度的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

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

2) 模態(tài)實(shí)測(cè)驗(yàn)證

采用實(shí)物模態(tài)試驗(yàn)法對(duì)樣件中的部分模塊進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn),PCB 用彈性繩自由懸掛開(kāi)展自由狀態(tài)下的模態(tài)試驗(yàn),得到整個(gè)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(jì)算,將得到的模態(tài)信息和振動(dòng)仿真分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì),詳見(jiàn)表4。1 階共振頻率相對(duì)誤差小于10%,證明了振動(dòng)應(yīng)力仿真分析采用模型的正確性。

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

3) 隨機(jī)振動(dòng)分析

利用有限元仿真分析手段,模擬計(jì)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(jī)振動(dòng)響應(yīng)。以水下低速工作階段為例,水下工作階段的振動(dòng)為隨機(jī)+掃頻形式,其量值見(jiàn)表5 和表6。

表5 低速工況振動(dòng)條件下隨機(jī)振動(dòng)拐點(diǎn)Table 5 Random vibration inflection point coordinates at low speed

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

通過(guò)計(jì)算可以得到濾波儲(chǔ)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(jiàn)圖15),結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。最大位移發(fā)生在PVC_DZ_D15 電容處(見(jiàn)圖16),為0.007 5 mm,說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛度滿(mǎn)足在該振動(dòng)環(huán)境條件下的設(shè)計(jì)要求。

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

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

由以上振動(dòng)應(yīng)力仿真分析可以得到: 水下低速航行振動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,位移量值較小。

2.4 故障預(yù)計(jì)

采用CalcePWA 軟件開(kāi)展產(chǎn)品的故障預(yù)計(jì),輸入各節(jié)點(diǎn)的特征信息,給出產(chǎn)品各節(jié)點(diǎn)在各溫度臺(tái)階下的熱應(yīng)力分布情況和各振動(dòng)量級(jí)下的振動(dòng)響應(yīng)情況,根據(jù)各節(jié)點(diǎn)在不同環(huán)境條件下的失效時(shí)間,軟件綜合仿真評(píng)估出各節(jié)點(diǎn)的失效時(shí)間。根據(jù)故障預(yù)計(jì)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)樣件有2 個(gè)相對(duì)薄弱點(diǎn)故障信息矩陣(假設(shè)以20 a為壽命要求),2 個(gè)故障薄弱點(diǎn)均位于電源變換電路板上,詳見(jiàn)表7。

表7 相對(duì)薄弱點(diǎn)故障信息矩陣表Table 7 Relative weak point fault information matrix

2.5 可靠性評(píng)估

利用故障預(yù)計(jì)得到的故障信息矩陣,通過(guò)單點(diǎn)故障分布擬合對(duì)故障信息矩陣中各故障機(jī)理的故障時(shí)間進(jìn)行處理,得到各故障機(jī)理的故障分布,在此基礎(chǔ)上利用多點(diǎn)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(jí)節(jié)點(diǎn)壽命分布模型開(kāi)展蒙特卡羅仿真,確定各層級(jí)節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)壽命分布和分布參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品可靠性水平的定量評(píng)估,得到故障時(shí)間概率密度函數(shù)和平均首發(fā)故障時(shí)間評(píng)估值詳見(jiàn)表8。

表8 樣件及各板級(jí)可靠性評(píng)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(diǎn),可靠性提升效果明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中選取魚(yú)雷某電子組件作為可靠性仿真研究對(duì)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(jì)因素的基礎(chǔ)上,建立產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī),開(kāi)展熱仿真、振動(dòng)仿真、故障預(yù)計(jì)和可靠性評(píng)估,得到產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)和抗振設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)、潛在故障位置信息以及平均首發(fā)故障時(shí)間等,將可靠性仿真基本內(nèi)容和工作流程在魚(yú)雷產(chǎn)品上得以應(yīng)用和實(shí)踐,確保在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(kāi)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(yú)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。