机载电子设备结构可靠性技术分析

2014-07-01焦超锋醋强一任召吴慧杰

机械工程师 2014年4期

关键词：结构设计可靠性故障

焦超锋，醋强一，任召，吴慧杰

（中国航空计算技术研究所，西安710068）

机载电子设备结构可靠性技术分析

焦超锋，醋强一，任召，吴慧杰

（中国航空计算技术研究所，西安710068）

现阶段结构可靠性的工作主要包括结构可靠性设计、结构可靠性仿真和分析、整机可靠性试验等，设计奠定了可靠性的基础。可靠性仿真工作就是通过仿真建模，查找设计中存在的薄弱位置，通过修改模型，达到提高结构可靠性的目的。可靠性试验验证是可靠性量化的有效途径。通过全流程质量控制，可以有效提高设计产品的可靠性。

电子设备；结构可靠性；可靠性设计

0 引言

随着电子设备性能的不断提高，设备内部大量采用了高密度组装、轻量化设计等技术，这使得电子设备的集成化程度越来越高，单位体积内的重量也越来越大，热流密度不断攀升，这些都对系统的可靠性提出了更高的要求。

可靠性工程技术从一开始，就是作为研究产品的全寿命周期内，与故障作斗争的工程技术，它从系统的整体性和外界环境适应性两个角度出发，研究产品发生故障的物理机理和具体规律，运用这些机理和规律进行产品的故障预防、预测、诊断与修复。同时评估产品的可靠性水平、减少与产品故障相关的维修资源和维修费用。结构可靠性研究随着在新产品研制中的不断推广和应用，近年来取得了较快的发展。目前我所已成立了"五性"工作小组，起草了结构产品五性相关技术规范和模板，通过某型号系列产品的可靠性设计、可靠性仿真分析和可靠性预计、可靠性摸底试验和可靠性强化试验验证，形成了一套有效提高产品可靠性的方法，并正向其它项目推广。

结构可靠性工作包括结构可靠性设计工作、结构仿真分析工作、整机可靠性试验验证、可靠性数据分析和信息积累等工作。从结构可靠性工作研究的对象角度来看，未来将进一步细化和深入，将从目前的整机级结构可靠性研究不断向模块级、芯片级乃至焊点级阶段深入发展。可靠性预计方面，将通过对产品的热、强度刚度、EMC等方面的仿真分析，结合试验验证，实现在设计之初对产品各项关键技术指标的可信预计。

1 结构可靠性设计

现阶段，机载电子设备在进行结构设计时，需要站在系统工程的角度，全面分析产品所面临的热加固问题、强度刚度问题、电磁兼容性问题及减重设计等问题。机载电子设备结构可靠性首先是设计出来的，站在设计的角度，需要考虑的方面很多，以结构可靠性强度指标为例，目前结构可靠性指标主要是讲疲劳强度极限和寿命指标。它是以疲劳强度校核为主线，以仿真分析的零件薄弱部位的最大应力作为研究对象，以零部件材料高周疲劳强度极限除以安全因子作为许用应力，通过两者比对来判断结构设计是否合适。根据频率响应仿真分析结果，可以得到零部件在既定疲劳强度下的循环次数，用该指标除以正零交越数，即可得到零部件的疲劳寿命。

目前，电子产品的可靠性预计和分析技术已经成熟，结构类产品因为大多是为特定用途而单独设计的，属于专用件，由于样本量较小，通用性也不强，标准化程度还不是很高，且其对载荷大小、使用环境等十分敏感，因此结构件可靠性分析与预计目前属于该领域的前沿技术。还不能像电子器件那么明确和容易，机械类产品的可靠性设计和可靠性指标的预计，目前还没有一套成熟、简便的经验和章程可循，但实践证明，一些电子产品的可靠性方法和通用准则，只要使用得当，它对结构可靠性水平的提高，也是具有参考意义的。

1）简化设计和标准化设计。在电子机械类产品中，基本是由零部件通过串联方式组成，其可靠性模型大部分属于串联形式。因此，提高系统可靠性的基本方法是从选用高可靠性的零部件、减少整机中零部件数目及简化结构设计形式做起。尽量采用结构简单、具有成熟经验、低故障率的产品，采用标准化的零件和技术，减少不必要的零件，去掉可有可无的零部件。这样可以减少零部件故障的可能性，可以有效保证电子设备的系统可靠性目标实现。

2）故障经验的总结和应用。解决产品故障，需要花费大量的精力，失效经验是凝聚了前人经验的宝贵财富，因此，总结和利用这些经验，是保证后续产品高可靠性的最直接方法。可靠性设计顾名思义，就是要在设计阶段预测和预防产品将来可能发生什么样的故障。要做到这些，一是要认真研究理论，通过分析和试验方法验证；二是借鉴个人和前辈们成功或者失败的经验。成功的经验在设计规范和手册中基本可以看到，对于故障的经验，因为种种原因，大家往往不太重视。而这些，对于产品可靠性设计工作来说，是极其重要的信息。国外企业在这方面非常重视，收集失效案例，供设计者参考，目前国内也已经慢慢重视这方面的工作，定期发布故障信息，采用故障案例等方式，不断对设计人员进行教育，取得了一定的效果。

3）损伤容限和失效安全设计。在机械结构零部件中，当一部分结构发生裂纹或损伤时，通过结构设计，能使这种损伤控制在一定的范围之内，直到下一次检测或者定期维修前，整个结构不至于发生致命的破坏或者影响系统功能的正常发挥，这样的设计理念称作损伤容限设计。失效安全是指当系统的一部分发生故障后，依靠产品自身结构特性，保证系统安全的一种设计。这些方法在航空、船舶及压力容器等涉及安全性的重要结构中经常使用。

4）FMECA、FTA和设计评审。FMECA就是故障模式影响和危害度分析，FTA就是故障树分析。这些方法和设计评审一样，无论是对电子产品还是机械产品来说，都是适用的。它可以帮助设计人员在设计环节，尽早快速找出设计中的薄弱环节。尤其是FMECA和设计评审这些方法，被业界认为是目前机械产品领域可靠性分析中具有最高效费比的管理方法。在国外已经得到了普遍的应用，是设计阶段必须要开展的工作。FTA方法适用于较为复杂的结构系统，对于一般串联故障模式的机械设备，在多因素影响时的故障分析方面具有重要的使用价值。

提高结构设计可靠性的方法还有很多，例如安全裕度设计、冗余设计、机械零件结构的概率设计、健壮设计、系统可靠性分析和预计等，总之，这些方法需要融会贯通，根据不同场合合理运用在设计中，就能不断提高产品的结构设计可靠性。

2 可靠性仿真及热仿真分析

可靠性仿真是通过收集产品信息，建立虚拟试验数字样机，根据产品在全寿命周期内的使用条件和工作环境，进行虚拟的数字样机的建模和热应力及应变分析、随机振动分析，建立产品的失效物理模型，并结合实际物理样机的模态试验和热试验进行数字样机的校正。对虚拟模型中的薄弱环节进行改进，最终达到设计需求，然后进行产品的故障预计和可靠性评估。仿真流程如图1所示。

图1 可靠性仿真分析流程图

热仿真分析是利用有限元分析软件，例如Flotherm软件，通过其它常用的三维结构设计软件建模，然后导入热分析软件，建立虚拟的三维热仿真有限元模型。再对仿真的机箱及内部模块的结构特征和材料属性进行设置，施加相应的温度边界条件，确定内部模块上温度分布云图和温度梯度，如果建模足够细致，也可以得到内部关注的元器件表面壳温。通过热仿真分析，可以在设计阶段就能找到产品设计中潜在的热问题，通过修改散热方式或提高器件的耐温等级，以剔除设计中的薄弱环节，达到优化热设计和提高设备可靠性、降低设备寿命周期费用的目的。

在热分析过程中，首先确定模块内部器件功耗分布，建立产品模型，然后根据边界条件，施加相应的热应力及风量，再进行软件仿真分析。以某计算机为例，环境温度70℃，通过分析，可以得到整机温度场分布结果。机箱表面的平均温度为60℃，比环境温度低10℃。整机温度分布如图2所示，机箱和模块温度分析结果数据见表1和表2。

模块上的温度分布如图3所示。

图2 整机温度分布云图（环境温度：70℃）

表1 机箱温度结果（环境温度：70℃）

图3 模块上的温度分布图

通过仿真分析，可以找到设计的薄弱环节，通过改进供风量、器件布局、散热措施等，降低模块上最高温度，从而达到剔除设计缺陷、优化产品设计的目的。

3 可靠性试验验证

可靠性试验是可靠性设计、改进及评价的重要手段。目前的可靠性试验，大多是建立在统计基础上的环境模拟试验，这是国内比较普遍的可靠性试验的方法。国际上的一些研究机构在现有基于故障物理学的可靠性技术的框架下，研究和发展基于故障物理学的加速可靠性试验技术、基于故障物理的环境应力筛选技术及基于故障物理的可靠性鉴定与评估方法等。