機載電子設備結構可靠性仿真展望

焦超鋒

(中國航空計算技術研究所， 陜西 西安 710068)

機載電子設備結構可靠性仿真展望

焦超鋒

(中國航空計算技術研究所， 陜西 西安 710068)

隨著可靠性技術的不斷發(fā)展，可靠性仿真技術越來越受到設計工程師的認可和親睞。現(xiàn)階段結構可靠性工作主要包括可靠性設計、可靠性仿真分析、可靠性試驗驗證等。設計奠定可靠性基礎，仿真是查找薄弱環(huán)節(jié)從而提高可靠性的有效手段，試驗驗證是可靠性量化的重要途徑。未來，結構可靠性技術將結合設備自身特點，向著廣義應力損傷研究的方向并結合系統(tǒng)級健康監(jiān)控技術不斷向前發(fā)展。

應力損傷；結構疲勞強度；可靠性仿真

引 言

機載電子設備技術的發(fā)展，伴隨著性能的不斷提升，設備內部大量采用了綜合化集成技術、減重設計技術、新型非金屬復合材料等，這使得電子設備的集成化程度越來越高，單位體積內的重量也越來越大，熱流密度不斷攀升，散熱條件不斷惡劣，這些都對系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。

機載產(chǎn)品的可靠性工程技術是一門研究產(chǎn)品全壽命周期內與故障作斗爭的工程技術，其從系統(tǒng)的整體性和外界環(huán)境適應性的角度出發(fā)，研究產(chǎn)品發(fā)生故障的機理和規(guī)律，運用這些機理和規(guī)律進行產(chǎn)品的故障預防、預測、診斷與修復[1]。同時評估產(chǎn)品的可靠性水平，減少與產(chǎn)品故障相關的維修資源和維修費用。結構可靠性研究隨著在新產(chǎn)品研制中的不斷推廣和應用，近年來取得了較快的發(fā)展。文中通過某型號系列產(chǎn)品的可靠性設計、可靠性仿真分析和預計、可靠性摸底和可靠性強化試驗驗證，形成了一套有效提高產(chǎn)品可靠性的方法，該方法可向其他項目推廣。

結構可靠性工作包括結構可靠性設計、結構可靠性仿真分析、結構可靠性試驗、結構可靠性數(shù)據(jù)分析等工作。從結構可靠性技術研究的對象角度來看，未來將進一步細化和深入，從目前的整機級結構可靠性研究不斷向模塊級、芯片級、乃至焊點級階段發(fā)展?？煽啃灶A計方面，將通過對產(chǎn)品的熱、強度剛度、EMC等方面的仿真分析，結合試驗驗證，實現(xiàn)在設計之初對產(chǎn)品各項關鍵技術指標的可信預計。

1 可靠性仿真

可靠性仿真是通過收集產(chǎn)品信息，建立虛擬試驗數(shù)字樣機，根據(jù)產(chǎn)品壽命周期內使用條件和環(huán)境要求，進行虛擬試驗數(shù)字樣機的振動分析，建立產(chǎn)品的失效物理模型，并結合實際物理樣機的模態(tài)試驗進行數(shù)字樣機的校正。對虛擬模型中的薄弱環(huán)節(jié)進行改進，最終達到設計需求，然后進行產(chǎn)品的故障預計和可靠性評估。下面就以強度、剛度仿真為例，闡述可靠性仿真工作的流程。

強度、剛度仿真分析一般采用Ansys或Patran& Nastran等軟件實現(xiàn)，仿真對象主要是電子設備的機械結構部分?？梢杂迷诋a(chǎn)品三維CAD模型基礎上，結合產(chǎn)品的材料屬性、零部件的尺寸特性、質量分布等信息進行簡化并利用有限元分析軟件建立振動載荷模型，對產(chǎn)品及各組成部分進行模態(tài)分析和隨機振動響應分析。設計人員可以從中獲取模型的振動載荷分布云圖，從而可以得到產(chǎn)品及各組件的局部振動載荷信息，并確定產(chǎn)品設計的薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)有針對性的改進。

以典型機架產(chǎn)品為例，闡述強度、剛度仿真分析的一般流程。首先根據(jù)CAD三維模型，進行必要的簡化，將產(chǎn)品CAD數(shù)字樣機導入Patran軟件，轉化為比較準確且可分析的FEA數(shù)字樣機，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品FEA數(shù)字樣機

為了得到產(chǎn)品的剛度信息，需要計算數(shù)字樣機的固有頻率，仿真分析所得諧振頻率和位置如表1所示，固有頻率云圖如圖2所示。

表1 設備諧振頻率及位置

模態(tài)是分析產(chǎn)品剛度的主要評價指標。在質量一定的情況下，模態(tài)頻率越高，剛度越大，產(chǎn)生的振幅越小，有利于產(chǎn)品的結構強度。模態(tài)頻率的高低是相對的，一般情況下，首階固有頻率低于100 Hz的固有頻率認為低，高于400 Hz的認為高。通過模態(tài)分析可以看出設備整機和加固后的模塊印制板的一階模態(tài)頻率都大于400 Hz，因此其整體剛性良好，可以滿足產(chǎn)品剛度需求。

剛度分析完成后，進行隨機振動響應分析。首先按照設備試驗大綱、耐久振動試驗圖譜，在軟件中對模型施加耐久振動應力，可以得到整機加速度均方根云圖，如圖3所示。

圖3 設備加速度均方根云圖

從云圖中可以找到設計模型強度的最薄弱環(huán)節(jié)，通過持續(xù)模型改進和分析迭代，使結構設計中的最薄弱環(huán)節(jié)滿足設計安全系數(shù)要求，即可完成強度仿真設計工作。

通過建模和仿真分析，可以找到結構強度、剛度設計的薄弱環(huán)節(jié)，通過增加材料、增加結構件等措施，提高結構剛度，進行局部加固，提高最薄弱點的固有頻率，從而達到優(yōu)化設計的目的。

2 可靠性試驗驗證

目前的可靠性試驗大多是建立在統(tǒng)計基礎上的環(huán)境模擬試驗，這是國內比較普遍的可靠性試驗方法?？煽啃栽囼炇强煽啃栽O計、改進及評價的重要手段。國際上一些研究機構在基于故障物理學的可靠性技術框架下，研究和發(fā)展基于故障物理學的加速可靠性試驗技術、環(huán)境應力篩選技術及可靠性鑒定與評估方法等。未來，必須對這些有效的可靠性研制試驗和評估試驗進行系統(tǒng)研究，以解決目前環(huán)境模擬試驗耗時長、效率低下的問題。美國在設備單元級的可靠性試驗評價主要采用定量和定性的可靠性加速試驗方式，并通過必要的系統(tǒng)可靠性驗證試驗，有效地對可靠性進行評價。在評價方式上，重點不在于對物理樣機是否通過試驗做出評價，而是充分運用研制過程中可靠性增長經(jīng)歷的所有信息對可靠性進行評價。在產(chǎn)品驗證流程中，將可靠性建模與仿真分析、研制、使用試驗評價納入產(chǎn)品的實際研發(fā)流程。結合數(shù)字建模、仿真分析、實驗室驗證等手段，形成產(chǎn)品綜合試驗與評價技術流程，貫穿于產(chǎn)品研制、生產(chǎn)和使用的全壽命周期，實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性增長[1]。

3 結束語

現(xiàn)階段，通過可靠性設計、可靠性仿真分析及可靠性試驗等環(huán)節(jié)，可以在產(chǎn)品設計初期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品潛在的故障隱患和薄弱環(huán)節(jié)，盡早解決設計缺陷?？梢詼p少設計更改次數(shù)、減少研發(fā)經(jīng)費、縮短研發(fā)周期，對產(chǎn)品的順利研發(fā)很有幫助。

可靠性指標中的失效概率，對于結構類標準件和通用件是可以評估的，它以一定樣本量零部件的可靠性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析為基礎，對于可靠性宏觀管理工作是必要的，但由于其并不要求對產(chǎn)品的設計信息及故障過程有清楚的了解，因此無法與產(chǎn)品的設計和改善緊密結合，無法實現(xiàn)故障的有效反饋。要實現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設計，未來可靠性技術的研究必須從對產(chǎn)品的故障時間統(tǒng)計分析轉向故障過程機理分析，探討基于廣義應力損傷(包括環(huán)境應力損傷和電應力損傷)的途徑，采取智能傳感器網(wǎng)絡等措施，并結合系統(tǒng)級健康監(jiān)控技術、智能傳感器網(wǎng)絡及專家評估系統(tǒng)技術的研究不斷向前發(fā)展。

[1] 王云, 邵將, 曾晨暉. 航空電子產(chǎn)品基于故障物理的可靠性工程技術[C]//第四屆中國航空學會青年科技論壇文集, 2010.

[2] 李永紅, 曾晨暉. 電子產(chǎn)品基于故障物理的可靠性設計優(yōu)化方法研究[J]. 航空標準化與質量, 2008(4): 23-24.

[3] 喬亮, 李傳日, 劉龍濤. 基于故障物理的可靠性仿真試驗的應用[J]. 裝備環(huán)境工程, 2012, 9(2): 7-11.

焦超鋒(1975-)，男，高級工程師，主要研究方向為機載電子設備結構設計。

Prospect of Reliability Simulation of Airborne Electronic Equipment Structure

JIAO Chao-feng

(ChinaAeronauticsComputingTechniqueResearchInstitute,Xi′an710068,China)

With the continuous development of reliability technology, reliability simulation technology is more and more recognized and favored by engineers. At the present stage, structural reliability work mainly includes reliability design, reliability simulation and analysis, reliability test, and so on. Reliability design lays the foundation, simulation is an effective means to find the weak links and thus improve the reliability, test is an important way to quantify the reliability. In future, considering the characteristics of the equipment itself, the structural reliability technology will utilize the system-level health monitoring technology and continuously develop in the direction of the research of generalized stress damage.

stress damage; fatigue strength of structure; reliability simulation

2013-12-05

V24；TP391.99

A

1008-5300(2014)02-0016-03