海军机载电子产品(电子方舱)的可靠性设计与仿真试验*

罗 锐

(海军装备部西安军事代表局 西安 710054)



海军机载电子产品(电子方舱)的可靠性设计与仿真试验*

罗 锐

(海军装备部西安军事代表局 西安 710054)

可靠性贯穿于机载电子产品的整个寿命周期,从产品的设计、制造到安装、使用、维护的各个阶段都存在着可靠性的问题。抓好机载电子产品的可靠性设计是重中之重,必须严肃认真对待,为产品固有可靠性奠定基础。

电子产品; 可靠性

Class Number TN97

1 引言

由于海军机载电子产品的特殊性,在海上常常会遇到各种复杂的环境因素,如:高温、高湿、低气压、有害气体、霉菌、冲击、振动、辐射、电磁干扰等。这些环境因素的存在,都将大大影响机载电子产品的可靠性。只有通过可靠性设计与可靠性试验,充分考虑电子产品在使用过程中可能遇到的各种环境条件,采取耐环境设计和电磁兼容性设计等各项措施,才能保证机载电子产品在规定环境条件下的可靠性。本文就海军机载电子产品的可靠性设计、机载电子方舱的可靠性试验等,作进一步的研究和探讨[1]。

2 可靠性设计

机载电子产品的可靠性设计主要包括:元器件选用与降额设计、热设计、电磁兼容性设计、漂移设计、三防设计、冗余设计、维修性设计、人-机工程设计、印制电路板计算机辅助设计[2]。

2.1 元器件选用与降额设计

1) 元器件的选用原则。一是选用经过质量认证或认定,并经现场使用证明质量良好,可靠性高的通用元器件。二是必须根据不同电路的工作参数和整机的使用环境条件,选用能满足这些要求的相应元器件,以充分发挥元器件应有的功能提高元器件的使用可靠性。

2) 元器件的降额设计。各种电子元器由于它们的材料、结构、设计和制造工艺等方面的原因,对外应力(包括电应力、热应力等)都有一定的耐受强度。当外应力超过元器件本身的应力承受强度(即额定应力)时,元器件就会损坏。降额设计能提高元器件和设备的可靠性。这是因为绝大部分元器件的失效率随着所施加的热应力和电应力的降低而下降。

2.2 热设计

电子元器件及电子设备的可靠性与温度的关系极为密切。当环境温度升高时,就会使晶体管内部材料的物理和化学反应的速率加快,从而使晶体管的性能参数(电流放大系数hfe、反向饱和电流Is和噪声系数Nf等)随温度升高而产生漂移;额定功率降低,热击穿概率上升。温度对电容器的可靠性也有极大影响,当使用温度超过电容器的额定温度时,温度每提高10℃电容器的使用寿命将下降一半。热设计的基本准则主要包括[2]:

1) 降低热源。电子产品所消耗的功率绝大部分被转化为热能,故为了降低设备的温升就应在保证设备完成规定功能的前提下,尽量降低设备的功耗。

2) 合理布局。把设备内的发热元件均匀地分散于各个部位,防止设备内部出现局部过热。

3) 采取有效的散热措施。采取一定的传热疏导(传导、对流和辐射)方式,把发热体的热量散发出去。

1) 传导散热。充分利用设备的各个部分(如结构件,印制板和引线等)作为传导通路,对发热量较高的大中功率管,可装在散热器上,让发热体的热量先传导至散热器,再通过对流、辐射把热量从散热器传至周围环境。 2) 加强对流。合理设计通风孔,进风口和出风口应开在温差最大的两处。对自然通风的设备,进风口应开在设备的底部,出风口应尽量高,以形成较强的拔风效应。对功率较大的设备还应采用强迫风冷措施,以加强对流效果。 3) 减小辐射热阻。扩大辐射面积,提高发热体黑度。 4) 对热敏元件隔热。热敏元件对温度变化非常敏感,如晶体管、铁氧体磁性元件、石英晶体、槽路电容等,在热的影响下,或是电参数急剧变化使设备出现性能失效,或是元件失效率升高使设备故障增多。

2.3 电磁兼容性设计

电子设备或系统总是处在电磁环境中工作: 1) 自然界造成的电磁环境,如雷电、宇宙射线、地磁辐射等; 2) 周围其他电子设备造成的电磁环境,如家用电器、工业电器、仪器设备、雷达、发射台、输电网等; 3) 自身造成的电磁环境,如变压器、扬声器、电路的非线性失真、本振辐射、自激振荡及各种信号馈线等形成的电场、磁场、电磁场环境等。设备处在这些电磁环境中,将会受到电、磁或电磁的干扰。电磁干扰的途径一般有传导、近场感应和远场辐射三种方式。

电磁兼容性设计主要包括:抑制干扰源、切断传递途径。

1) 抑制干扰源。减少变压器漏磁、减少无用辐射、减少非线性失真、抑制自激等。

2) 切断传递途径。对于变压器的漏磁和高频电路的辐射干扰,多采用屏蔽的方法以切断干扰的传递。对容易受外来电、磁干扰的仪器设备,也可采用机壳屏蔽。

2.4 漂移设计

电子元器件的性能参数在应力作用下或在贮存条件下将随时间而发生缓慢的变化,如果参数变化到一定限度,使设备或系统不能完成规定的功能,则发生漂移失效。因此在设计阶段就要考虑到参数的漂移,要分析哪些元器件对设备性能的影响最敏感,并要了解各种元器件的参数漂移特性。设计电路时,选取怎样的参数组合能使电路性能最稳定,要考虑在设备的任务周期内应取怎样的允许差才不致于出现漂移失效,而又最为经济合理等。

漂移设计的常用设计技术和方法有:均方根偏差设计法、最坏情况设计法、蒙特卡罗法和正交优化法等。

2.5 三防设计

三防指的是防潮湿、防盐雾、防霉菌。潮湿、盐雾和霉菌对电子设备有很大影响,它们会使机内凝聚水汽,降低绝缘电阻,元件的介电常数和介质损耗增大、塑料变形、金属腐蚀、材料变质,使所有有机材料和部分无机材料受到霉菌的侵蚀而降低强度,从而使设备的寿命和可靠性受到影响。

1) 防潮。渗水处理;浸渍处理;灌封处理;塑料封装;金属封装。

3) 防霉菌。密封;放置干燥剂;控制大气条件,降低环境相对湿度;选用不易长霉的材料;紫外线辐照;表面涂敷防霉剂、防霉漆;在密封设备中充以高浓度臭氧灭菌。

2.6 冗余设计

冗余设计是为完成规定的功能而额外附加所需的装置或手段,即使其中某一部分出现了故障,但作为整体仍能正常工作的一种设计。冗余设计主要包括:并联装置、串并联或并串联混合装置、多数表决装置、等待装置等。这种设计技术通常应用在比较重要,而且对安全性及经济性要求较高的场合,如锅炉的控制系统、程控交换系统、飞行器的控制系统等。

2.7 维修性设计

维修性设计应该充分考虑维修时易装易拆;维修工具可靠;易检查易校正易恢复;互换性好;安全、经济、快速等。

2.8 人-机工程设计

人-机工程设计的基本任务,就是根据人体特性和人-机系统的关系,确定需要完成的操作,并恰当地分配给入和机器,使两者协调地工作,达到高效、经济、安全、省力和操作方便而可靠的目的。

2.9 印制电路板计算机辅助设计

以此为线索，笔者对《十日谈》中70个带有女性角色的故事进行梳理，最终确定女性形象最具代表性的30个故事。表1是所做整体分析的一个节选。以文本维度为基准，进行“由外到内，由社会到个人”的三组跨维度比较：第一，是文本与社会的平行比较，分析《十日谈》中女性角色的选取是否与社会现实差别过大，承载了作者的过度偏见；第二，是文内的平行比较，意在考察“爱情”和“智慧”两大主题是否贯穿了所有女性为主角的故事；第三，是作者意图的解析，判断女性正、负面角色如何划分以及女性角色结局如何。结论如下：

采用把电路、数据直接输入计算机系统,自动进行印制线路板线路布线。然后,由笔绘图仪绘制成套工艺图纸,由光绘图仪绘制印制板所需的成套照相底片,同时,还能扫印输出元器件清单等。

3 机载电子方舱的仿真试验

机载电子方舱采用专业的电子设备热分析软件Icepak对方舱进行建模、分析,可以验证热设计方案的正确性和可行性,节约成本的同时大大提高效率[4]。

3.1 系统建模

机载电子方舱舱内热负荷主要有工作人员散热量、电子设备散热量、照明发热量等几项,其中电子设备的发热量是舱内热负荷最主要的来源。方舱环控系统由空调、轴流风机组成[5]。

该电子方舱系统的散热及降温措施有:在设备舱中设置进、排风口,提供舱内人员的新鲜空气需要量及舱内外的换热;方舱前壁安装一台整体式空调,送风风道布置到大功率设备。在电控机柜两侧面板开设进风百叶网孔,对功放电源等高温部件进行强制风冷;机柜以及显控台材料为钢型材和铝型材,舱内流体为空气。

1) 通过对流传热实现舱内流体与外界的有效交换,调节舱内环境温度;

2) 热源主要考虑电子设备的生热;

3) 方舱壁为绝热状态,方舱通过两个通风口与外界完成热量交换。

3.2 传热类型分析[6]

1) 传导。方舱内部热传导包括元件与印制板、器件与安装结构件、设备与机柜之间的传热;设备内外部、方舱内外部温度差引起的热量传递;其他物体直接接触形成的热传递。

2) 对流换热。方舱内部对流换热包括设备的强制风冷散热、方舱的内外部空气交换、空调的舱内外换热及其他由于空气流过固定表面且温度不同所产生的热量交换。

3) 辐射换热。方舱内部的辐射换热包括设备之间由于温度不同引起的辐射换热,另外方舱舱壁受太阳辐射吸收热量而使舱壁温度相对于气温更高。

3.3 传热问题分析

方舱后部是散热量大的电源机柜,在机柜上部热量容易累计使温度迅速升高,降低了设备的可靠性。如果通过加大整体式空调制冷功率来降温的方式,会使人员工作区域的区域流场速度增大,降低了人员的舒适性,这里采用的方法是把进、排风口设置在方舱后部上角两侧,把机柜上部累计的热量排到舱外。进、排风口的热阻过小会使舱内风道部分短路,热阻过大会使热量累计。因此对进、排风口的位置和热阻进行了优化设计[7]。

3.4 仿真分析

从系统角度考虑,舱内空气的流动与换热应在满足设备通风冷却基本性能要求同时,最大程度改善操作人员的热舒适性。因此,舱内热环境的衡量,应兼顾两方面的指标:设备的热可靠性与人员的热舒适性[8]。

1) 热分析模型。定义整个系统的热计算区域,在Icepak中将方舱设定为cabinet,功率模块设定为sources,机柜和操控台的百叶通风口设定为openings,机柜和操控台的框架设定为wall,模型的网格划分采用自适应智能划分方法,单元网格类型为Mesher-HD。

2) 仿真参数设定。根据Icepak软件估算的Rayleigh数,Prandtl数0,设置模型的流态为湍流,并采用零方程模型,同时求解流场和温度场,方舱内部和外部流体为空气,外部大气温度20℃,设置解算器求解迭代步数200步,松弛因子压力项和动量项分别采用0.3和0.7,收敛容差为0.001和1×10-7,求解达到稳定时的温度场。

3.5 仿真结果

经仿真计算,在设定环境温度55℃下,舱内最高温度点出现在设备热源处,为45.1℃,低于电子设备的设计容许温度85℃。考虑到模型仿真的颗粒度,可以初步认为,即使相关标准规定的极限环境温度下,环控系统仍能够有效调节舱内温度,舱内热环境基本可以满足任务系统电子设备正常工作要求[9]。

为考量舱内人员的工作热舒适性,分析舱内人员活动区域的温度与气流速度,人员操控区域剖面的温度场与速度场分布。

从仿真结果看,该机载舱内仿真人员活动区域内的温度与气流速度分布比较均匀,与舱内设备的总体布局设计合理,整体式空调选型合理,对进、排风口的位置和热阻进行的优化设计合理。

通过对方舱内的热环境进行仿真分析,证实总体设计方案可满足舱内电子设备正常工作的温度要求和操作人员的舒适性要求。但冷气流路设计和风机选型还应进一步优化,实现冷气流量的合理分配,提高电子设备温度分布的均匀性,提高系统的工作可靠性。对于高度集成的方舱系统,舱内热环境的调节直接关系到系统工作的可靠性,在系统总体设计过程中尤为重要,应当予以充分重视。

4 结语

可靠性贯穿于机载电子产品的整个寿命周期,从产品的设计、制造到安装、使用、维护的各个阶段都存在着可靠性的问题。抓好机载电子产品的可靠性设计和试验的质量监督和管理工作,是一项重要职责,必须严肃认真对待,确保出厂的机载电子产品件件质量高、功能全、性能好、可靠性高[10]。

[1] 刘柳,周林,邵将.基于数字化样机的电子产品可靠性设计分析方法[J].电光与控制,2014,21(9):99-103.

[2] 张蕊,汪凯蔚,沈峥嵘.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.

[3] 白秀茹.典型的密封式电子设备结构热设计研究[J].电子机械工程,2002,18(4):36-38.

[4] 王丽.大功率电子设备结构热设计研究[J].无线电工程,2009,39(1):61-64.

[5] 梅源.高频箱环境控制方法研究[J].电子机械工程,2010,26(2):30-32.

[6] 杨会越.雷达方舱的布局设计探讨[J].电子机械工程,2008,24(6):14-17.

[7] 余建祖.电子设备热设计及分析技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000.

[8] 李雨,魏强.方舱舱内热环境仿真分析[J].电子机械工程,2010,26(4):8-9,21.

[9] 陈洁茹,朱敏波,齐颖.Icepak在电子设备热设计中的应用[J].电子机械工程,2005,21(1):14-16.

[10] 薛军,孙宝玉,刘巨,等.热分析技术在电子设备热设计中的应用[J].长春工业大学学报:自然科学版,2007,28(2):176-199.

Reliability Design and Simulation Test of Navy Airborne Electronic Products(Electronic Fang Cang)

LUO Rui

(Xi’an Military Agent’s Bureau of Naval Armament Department, Xi’an 710054)

Reliability airborne electronic products throughout the entire life cycle from product design, manufacturing, to every stage of installation, use and maintenance of the existence of reliability problem. Grasp the reliability design of airborne electronic products is the most important, must be treated seriously, lay the foundation for product reliability.

electronic product, reliability

2014年10月7日,

2014年11月28日

罗锐,男,硕士,工程师,研究方向:航空仪表。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.004