魚(yú)雷電子系統(tǒng)可靠性分析軟件總體架構(gòu)研究

徐楓

【摘 要】現(xiàn)代魚(yú)雷組成復(fù)雜，電子系統(tǒng)占全雷比重越來(lái)越大，元器件數(shù)量達(dá)到數(shù)萬(wàn)個(gè)，使得其可靠性已經(jīng)成為制約魚(yú)雷整體可靠性提升的瓶頸。本文針對(duì)魚(yú)雷電子產(chǎn)品可靠性自動(dòng)分析的實(shí)際需求，詳細(xì)分析了可靠性自動(dòng)分析軟件的總體設(shè)想、功能要求、軟件設(shè)計(jì)方法及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)方法等關(guān)鍵要素。提出了在設(shè)計(jì)人員常用的電子產(chǎn)品輔助設(shè)計(jì)程序protel基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)電子產(chǎn)品元器件庫(kù)和自動(dòng)分析程序的總體結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】可靠性 分析 軟件 研究

1需求

現(xiàn)代魚(yú)雷組成復(fù)雜，電子系統(tǒng)占全雷比重越來(lái)越大，元器件數(shù)量達(dá)到數(shù)萬(wàn)個(gè)，使得其可靠性已經(jīng)成為制約魚(yú)雷整體可靠性提升的瓶頸。傳統(tǒng)電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)是采用人工方法，按元器件分類(lèi)、等級(jí)、環(huán)境應(yīng)力、應(yīng)力狀態(tài)等計(jì)算失效率進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，計(jì)算量大、精確度低、可檢查性差，迫切需要一種可靠性自動(dòng)分析軟件，真正做到可靠性設(shè)計(jì)與產(chǎn)品功能、性能設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，不斷優(yōu)化。

2目標(biāo)

可靠性分析軟件是在輔助設(shè)計(jì)程序protel基礎(chǔ)上，采取開(kāi)發(fā)自動(dòng)分析程序、建立元器件參數(shù)庫(kù)等方法，進(jìn)行電子產(chǎn)品部件、組件、系統(tǒng)及全雷可靠性指標(biāo)預(yù)計(jì)；針對(duì)元器件不同質(zhì)量等級(jí)、使用環(huán)境、工作應(yīng)力等條件進(jìn)行可靠性仿真，為合理選擇和使用元器件提供依據(jù)。

3構(gòu)架及功能

3.1 基本框架

總體基本框架由“魚(yú)雷器件使用條件及參數(shù)（工作溫度、時(shí)間、環(huán)境系數(shù)、電應(yīng)力比等）”、“電子CAD軟件”、“元器件、組部件、系統(tǒng)及全雷可靠性、維修性模型”、“元器件失效率數(shù)據(jù)庫(kù)”、“維修時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)”及“用戶(hù)界面及可靠性模型窗口”等6部分組成，其中后4項(xiàng)目是需要開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的部分。用戶(hù)設(shè)定產(chǎn)品可靠性連接方式及所用元器件工作參數(shù)（如：器件類(lèi)別、工作溫度、工作時(shí)間、環(huán)境系數(shù)、電應(yīng)力等），選擇適當(dāng)模型，軟件直接根據(jù)使用條件及參數(shù)調(diào)用元器件失效率數(shù)據(jù)庫(kù)，預(yù)計(jì)其可靠性指標(biāo)，為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供及時(shí)有效的決策依據(jù)。

3.2 主要功能

（1）假設(shè)模擬功能：應(yīng)能模擬各種假設(shè)，如設(shè)定使用環(huán)境后，產(chǎn)品可靠度如何，可以用來(lái)對(duì)有選擇性的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和分析。（2）基本可靠度和基本MTBF計(jì)算功能：把系統(tǒng)模型中所有冗余電路當(dāng)做嚴(yán)格的串聯(lián)關(guān)系，利于綜合考慮維修、保障和成本對(duì)可靠性的影響。（3）任務(wù)可靠性和任務(wù)MTBF計(jì)算功能：考慮包括冗余部件在內(nèi)的電子產(chǎn)品所有可靠性模型，真實(shí)反映可靠性能力。（4）冗余電路設(shè)計(jì)功能：軟件不僅能對(duì)可靠性串聯(lián)方式進(jìn)行計(jì)算，而且能對(duì)并聯(lián)方式、N中取K方式、和儲(chǔ)備方式等冗余系統(tǒng)進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。（5）自定義數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)調(diào)用、修改功能：用戶(hù)可添加非標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的元器件及參數(shù)，對(duì)已建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，在不符合魚(yú)雷特定條件時(shí)可以修改并加以調(diào)用。

4建模方法

軟件采用層次化計(jì)算模式，即把產(chǎn)品的可靠性模型分為四層（元器件級(jí)、組部件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和全雷級(jí)），當(dāng)給出了元器件各種參數(shù)后分析軟件就可以預(yù)計(jì)出可靠性指標(biāo)，如此逐級(jí)向上直到預(yù)計(jì)出全雷可靠性指標(biāo)。一般設(shè)計(jì)原則如下：

（1）導(dǎo)線(xiàn)和連接器單獨(dú)放入一個(gè)方框或作為另一個(gè)單元或功能的一部分。（2）產(chǎn)品所有輸入應(yīng)在有關(guān)規(guī)范規(guī)定的極限內(nèi)。（3）就失效率來(lái)說(shuō)，由一個(gè)方框表示的每一個(gè)單元或功能的失效概率是相互獨(dú)立的。（4）可靠性模型中所有單元的壽命均服從故障率為常數(shù)的指數(shù)分布，串聯(lián)模型系統(tǒng)可靠度為：；并聯(lián)模型系統(tǒng)可靠度為： ；n中取r模型系統(tǒng)可靠度為： 。

5可靠性預(yù)計(jì)方法

5.1 傳統(tǒng)計(jì)數(shù)法

適用于論證階段，利用已有經(jīng)驗(yàn)和預(yù)測(cè)，估算擬使用元器件類(lèi)型和數(shù)量，確定單元故障率，單元失效率為：

其中：λGi為第i種元器件的通用故障率；πQi 為第i種元器件的質(zhì)量系數(shù)；Ni為第i種元器件的數(shù)量；n為所用元器件種類(lèi)數(shù)目。

5.2 傳統(tǒng)應(yīng)力分析法

適用于設(shè)計(jì)階段，魚(yú)雷常用的元器件涉及到電阻、電容、電感、繼電器、印制版和焊點(diǎn)、連接器、集成電路等器件，失效率計(jì)算因器件種類(lèi)而不同，如電阻失效率為：

其中，λP為電阻的工作失效率；πE為環(huán)境系數(shù)；πQ為質(zhì)量系數(shù)；λb為電阻的基本失效率。

應(yīng)力分析法復(fù)雜、涉及參數(shù)多，但能精確反映產(chǎn)品所處的工作環(huán)境。

5.3軟件實(shí)現(xiàn)可靠性指標(biāo)計(jì)算步驟

全雷可分為元器件、組部件、系統(tǒng)級(jí)、全雷等四級(jí)，不同級(jí)別選用相應(yīng)可靠性模型，由小到大、由下到上逐級(jí)計(jì)算組部件、系統(tǒng)、全雷的可靠性指標(biāo)。

（1）在元器件與組部件層次上通常采用串聯(lián)模型，使用應(yīng)力分析法。用戶(hù)輸入各種元器件參數(shù)、環(huán)境溫度、電應(yīng)力比等信息，軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用，計(jì)算出組部件可靠性指標(biāo)。（2）在組部件與系統(tǒng)的層次上通常應(yīng)考慮產(chǎn)品冗余設(shè)計(jì)（并聯(lián)或n中取r等），根據(jù)全雷功能流程、時(shí)序信號(hào)、流程關(guān)系，先期策劃而實(shí)施，如停車(chē)、深度敏感、線(xiàn)導(dǎo)斷線(xiàn)轉(zhuǎn)自導(dǎo)、反艦?zāi)Ｊ剑ㄎ擦髋c被動(dòng)自導(dǎo)）等，均應(yīng)貫徹冗余設(shè)計(jì)思想。分析人員只需將相互關(guān)系設(shè)置好，分析軟件便可以進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。（3）在系統(tǒng)與全雷層次上通常采用串聯(lián)模型，分析軟件可以很快計(jì)算出產(chǎn)品可靠性指標(biāo)。（4）可靠性指標(biāo)計(jì)算離不開(kāi)失效率等數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)支撐。通過(guò)多年來(lái)大量可靠性試驗(yàn)，積累了可靠性信息與數(shù)據(jù)，并形成了標(biāo)準(zhǔn)，具有權(quán)威性，軟件應(yīng)嚴(yán)格按照其所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行元器件失效率數(shù)據(jù)庫(kù)錄入，魚(yú)雷上使用的特殊元器件可補(bǔ)充錄入。當(dāng)用戶(hù)選擇元器件后，軟件可以根據(jù)用戶(hù)輸入的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用，進(jìn)行可靠性計(jì)算。

6結(jié)語(yǔ)

從魚(yú)雷電子產(chǎn)品可靠性自動(dòng)分析軟件的設(shè)計(jì)思路和總體框架，可以得出如下直接結(jié)論：

（1）分析軟件可以將電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及可靠性的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單易行，設(shè)計(jì)人員可以更注重多方案的比較，提高產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)水平。（2）分析軟件可以提高設(shè)計(jì)過(guò)程可靠性指標(biāo)預(yù)計(jì)的準(zhǔn)確性和可檢查性。（3）分析軟件所需的數(shù)據(jù)基本參數(shù)和模型均已有很好的基礎(chǔ)，魚(yú)雷行業(yè)設(shè)計(jì)單位急需這樣的自動(dòng)分析軟件。

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