基于故障物理的可靠性仿真在机电管理计算机上的应用与分析--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

基于故障物理的可靠性仿真在机电管理计算机上的应用与分析

发表时间：2021/3/16 来源：《中国科技信息》2021年1月作者：刘世华，涂美霞，黄轶华，邹蕊

[导读] 通过在机电管理计算机数字样机上施加虚拟的环境应力，进行应力分析和累积损伤分析，并利用故障物理模型预计产品的平均首发故障时间，从而找出产品的设计缺陷和薄弱环节，通过设计改进提高产品的固有可靠性。

江西南昌航空工业洪都刘世华，涂美霞，黄轶华，邹蕊 330024

摘要：通过在机电管理计算机数字样机上施加虚拟的环境应力，进行应力分析和累积损伤分析，并利用故障物理模型预计产品的平均首发故障时间，从而找出产品的设计缺陷和薄弱环节，通过设计改进提高产品的固有可靠性。
关键词：热分析；振动分析；可靠性评估
        1.引言
        目前电子设备可靠性预计和分析一般采用手册预计法，但其存在如下缺陷：（1）失效率模型是根据有限数进行的点估计，它只是统计量的期望值，不能反映样本个体具体的可靠性水平；（2）只能考虑进一部分工艺对可靠性的影响，无法体现容差设计、健壮设计、EMC设计、耐环境设计，以及器件安装工艺等因素对可靠性的影响；（3）可靠性预计结果只能反映设计成熟期的可靠性水平，但在研制过程中，技术状态尚未稳定，技术、工艺也不够完善成熟，设计缺陷还往往无法被完成暴露。因此，本文以机电管理计算机为例，采用基于故障物理的可靠性仿真分析方法，对设备进行可靠性分析，利用材料、结构、工艺和应力等性能参数建立产品的数字模型并进行失效模式、机理与影响分析，得到其所有的潜在失效点与对应的物理模型；再利用应力损伤分析对每个电路板（模块）进行故障预计，得到每一个潜在失效点在某一失效机理下仿真的大样本量失效时间数据，利用“最早失效时间”来确定电子产品故障前时间，从而能够及时地发现电子产品在设计初期的设计缺陷。
        2.产品组成及功能
        某型机机电管理计算机由电源模块、直流模拟/激励输出接口模块、主计算机模块、开关频率量接口模块、离散量输出模块、总线接口模块组成，主要功能是航电和非航电系统之间的信息交互、机电系统控制及综合管理、机电系统告警管理等功能；作为飞机航电系统与非航电系统间数据交换的通讯桥梁，主要采集飞机各机电系统的信号参数、状态和故障信息，并将采集的信息上传航电系统显示，实现与飞机其它系统的信息共享；同时通过对采集参数的分析解算，输出相关系统所需的控制信号。
        对产品数字样机建立CFD模型和FEA模型，采用计算流体力学数值分析方法对CFD数字样机进行稳态热应力分析，采用有限元分析方法对FEA数字样机进行振动应力分析，并通过故障预计和可靠性评估，对产品的可靠性指标给出评估结果。
        3.数字样机建模
        对机电管理计算机进行信息收集，共收集完整的包括PCB设计信息、全部元器件信息的模块共6个；239种型号3875只元器件，包括型号、封装、重量、尺寸等相关信息。经过适当简化建立产品CAD数字样机如图1，结合产品CAD数字样机，并根据热设计信息建立产品CFD数字样机如图2，并根据耐振动设计信息建立产品FEA数字样机如图3。

        4 应力分析
        可靠性仿真的应力分析包括：温度应力分析和振动应力分析。
        4.1温度应力分析
        采用CF Design软件，对机电管理计算机的CFD数字样机进行温度应力分析，产品在平台环境70℃条件下，整机温度分布见图4，机箱热分析结果见表1，各模块热分析结果见表2。

表 4.2振动分析
通过NX Nnastran软件对产品FEA数字样机进行振动分析，产品机箱及各模块一阶谐振频率结果见表3。

5 故障预计和可靠性评估
采用Calce PWA软件进行故障预计，输入温度应力分析结果、振动应力分析结果、电路板详细设计参数和工艺参数、电子元器件详细设计参数和试验环境条件，对参数离散性的蒙特卡罗仿真抽样次数为1000次，受试产品及各模块的故障时间概率密度函数和平均首发故障时间评估值见表6。

        6 存在的问题及改进措施
        本文通过对机电管理计算机进行可靠性仿真分析，发现产品设计中存在以下问题：
        a)受试产品整机热设计不合理，相对70℃平台环境，机箱平均温升为26.6℃；
        b)受试产品整机振动设计不符合倍频程规则，机箱一阶谐振频率为539.42Hz，与电源模块一阶谐振频率不符合倍频程规则；
        c)主计算机模块热设计相对薄弱，存在热集中区，局部温度最高达到105℃；离散量输出接口模块模块热设计相对薄弱，存在热集中区，局部温度最高达到106.5℃；总线信号接口模块热设计相对薄弱，存在热集中区，局部温度最高达到107.4℃；
        d)受试产品平均首发故障时间评估值为6625.11小时。
        针对可靠性仿真分析发现的产品设计问题，采取如下改进措施：
        a)进行针对性摸底测试，对高温器件进行实际测试；
        b)降低电源模块的刚度设计或改进机箱设计。
        7 结论
        通过对机电管理计算机开展可靠性仿真分析，及时地发现产品在设计初期的设计缺陷，采取设计改进措施，使产品固有可靠性得到提高。
参考文献
[1]祝耀昌，可靠性故障物理技术及其应用[J].装备环境工程，2005,2(2):28-33.
[2]罗成，航空电子产品环境仿真试验技术[J].装备环境工程，2010,7(6)：21-23.
[3]张蕊，高可靠电子设备可靠性仿真试验技术应用研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2012,30(6)：13-19.
[4]何宏平，可靠性仿真在可靠性定量分析中的应用探讨[J].电脑知识与技术，2013,9(12).
[5]张友兰，大型电子系统可靠性分析及评估方法研究[J].中国电子科学院学报，2013,8(5)：464-469.
作者简介：刘世华，女，1987年8月出生， 2013年3月毕业于哈尔滨工程大学，工程师，现从事可靠性设计工作。