基于失效物理的可靠性仿真技术及软件设计

梁奕坤，胡宁，黄进永，余昭杰

（工业和信息化部电子第五研究所，广东　广州　510610）



基于失效物理的可靠性仿真技术及软件设计

梁奕坤，胡宁，黄进永，余昭杰

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

介绍了失效物理、可靠性仿真试验的内涵及其分析流程，在此基础上引入了基于失效物理的可靠性仿真技术及软件工具，阐述了CARMES-pofRAS的技术架构和主要功能，其能够根据产品的热、机械、电子和电化学等应力，并结合材料和结构信息快速、准确地定位产品的故障部位、故障机理和首次故障平均前时间。

失效物理；可靠性仿真；软件设计；可靠性仿真软件

0　引言

可靠性技术经过60多年的发展，已经逐步地形成了较为完整的技术体系，可靠性建模、可靠性预计、FMEA和FTA等工程技术已在工程中得到了普遍的应用，对于提升产品的可靠性、降低其寿命周期费用发挥了重要的作用［1］。

可靠性的发展与技术的发展、产品演进的需求是密不可分的。近年来，随着工业技术、信息技术和原材料的不断发展和进步，以及产品向复杂化、集成化、体系化、智能化、微型化、机电一体化、绿色环保和信息物理融合等方向演进，可靠性工程技术也在快速地向前发展。本文将结合当前技术、产品发展的现状和趋势，介绍一种基于失效物理的可靠性仿真技术和软件设计。

1　可靠性仿真试验的内涵和发展趋势

随着信息技术、建模与仿真、虚拟现实、人工智能和计算机网络等技术的飞速发展，以及仿真、虚拟技术与试验评价技术的融合，仿真试验技术应运而生。将仿真试验技术应用到可靠性领域，形成一种基于仿真试验的可靠性验证评价技术，即可靠性仿真试验与评价技术，是目前可靠性试验技术的研究热点和发展趋势之一。

2.1仿真试验的内涵

仿真试验又被称为虚拟试验，仿真试验是在长期积累的大量有关数据、动力学模型和各类三维模型的基础上，利用高性能计算机、网络环境、传感器或各种虚拟现实设备，建立一种能方便地进行人机交互的虚拟环境或虚拟与实际结合的环境，在此环境中对实体、物理样机或虚拟样机进行试验，用可视化的方法观察被视物体的性能及其相互间的关系，并对试验结果进行分析与研究。例如：虚拟风洞、发动机试车仿真试验和飞行仿真试验等。

从广义上讲，任何不使用或部分使用实际的硬件来构造试验环境，完成实际物理试验的方法和技术都可以被称为仿真试验。

仿真试验技术的作用主要体现在，它能搭建起产品数字化设计和性能试验的桥梁，通过构建数字化的试验和测试环境，利用计算机技术、信息处理技术、CAX（CAD/CAE/CAPP/CAM）技术和虚拟现实等技术，对指定试验的特殊属性进行数字化检测，为设计人员提供产品功能、性能等多方面的信息，使设计人员能够根据设计方案方便、快捷地评估产品的各项性能与可靠性等指标。从虚拟试验的内容方面看，仿真试验往往对照传统实物试验的试验目的进行，对已经能够利用数学模型描述的部分进行仿真建模，得到虚拟试验样机，在此基础上进行仿真预示，开展相关的试验验证活动。顾名思义，仿真技术是仿真试验不可或缺的关键技术和有效手段。

仿真试验意味着试验手段、对象和环境应力等都是虚拟的。仿真试验技术属于可控制的、无破坏性的、耗费小并且允许多次重复的试验手段。在复杂产品的研制过程中，仿真试验不仅可以作为真实试验的前期准备工作，而且可以在一定的程度上替代传统的物理试验，减少物理样机制造试验次数，使试验不受场地、时间和次数的限制，并实现对试验过程的记录、重复和再现，实现设计者、产品用户在设计阶段信息的互反馈，使设计者尽早地发现并解决设计过程中存在的潜在问题，从而达到缩短新产品试验周期、降低试验费用、提高产品质量的目的。

但是，仿真试验并不能完全代替真实试验，二者具有互补性。真实试验除了可以为仿真试验模型的确认提供必要的数据和信息之外，还可以发现仿真试验不能涵盖的问题。

2.2可靠性仿真试验

a）目的

在产品研制的早期，发现设计上的薄弱环节并指明原因，指导设计改进，提高产品的固有可靠性，以及对产品的可靠性水平进行预先评估。

b）适用阶段

开始于产品详细设计阶段，随着研制进度的循环迭代，直至产品设计定型前最终完成。

c）主要特点

可靠性仿真主要包括以下几个特点：

1）它是一种基于物理故障的可靠性技术，是一种采用建模与仿真手段，对产品的可靠性进行分析和评估的工程方法；

2）与性能设计并行开展，及时地支撑设计人员进行可靠性设计和优化；

3）采用数字样机与计算机仿真，不受物理样机和试验资源的限制；

4）“建模仿真-物理试验-模型修正”是可靠性仿真试验最有效的运行方式。

d）原理和主要流程

可靠性仿真试验的原理如图1所示，主要原理和流程如下所述：

1）输入 （导入）产品的数据化样机、寿命周期环境条件、使用条件和设计信息等；

2）按照产品的使用 （任务）剖面仿真输入热、电、振动和机械等方面的应力（可应用FLOTHERM、ANSYS等）；

3）应用失效物理模型库和相应的仿真软件工具 （例如：美国马里兰大学的Ca1ce PWA、工业和信息化部电子第五研究所的pofRAS等），进行故障模式/机理及影响分析 （FMMEA）、累积损伤分析和蒙特卡洛仿真等，预测产品的平均首次故障时间，找出相应的主故障机理；

4）根据上述故障预计结果，综合地运用故障分布拟合、故障聚类、多分布综合和可靠性综合评估等手段，评估产品的可靠性水平；

5）输出仿真试验结果，主要包括产品的可靠性薄弱环节、建议的改进措施和可靠性综合评估结果等。

图1　可靠性仿真试验原理示意图

国内外型号产品在项目中的应用实践表明，可靠性仿真试验可以有效地克服实物试验的局限性，显著地缩短研制周期，降低技术、项目风险和研制成本，已经成为了与可靠性实物试验并举 （或作为必要补充）的一种新的试验形式。可靠性仿真试验与实物试验可以相辅相成、互相补充。可靠性仿真试验可以弥补实物试验的不足，尤其是在对子样或试验过程中会对试验对象造成严重损伤的情况下，但是，仿真试验的成功必须建立在实物试验积累的大量的数据的基础上；实物试验可以通过提供虚拟试验模型，以及仿真验证和确认时所需的信息来改进仿真试验的效能和精确度。

2　基于失效物理的可靠性仿真软件设计

基于失效物理的可靠性仿真技术利用失效物理原理和恰当的故障概率密度分布进行无故障工作设计，并预测每种潜在故障机理的平均首次故障前时间［2-4］。它从了解故障过程的根本原因着手，找出最早发生故障的部位和设计的“最薄弱环节”，也可以用于判断产品能否达到预期的使用寿命，亦可用来针对主要故障机理进行改进设计，增强产品的耐用性。如果能获得基本的物理和应力信息，这种方法也可以用来认证设计和制造过程，确保设计和制造规格满足或超过可靠性目标。

CARMES-pofRAS［5］是国内首款基于失效物理的可靠性仿真软件，其技术架构如图2所示。CARMES-pofRAS根据温度、振动、冲击和其他环境条件，采用计算机模拟产品的热、机械、电子和电化学等局部应力，再结合材料和结构对应力响应的知识快速、准确地定位产品的故障部位、故障机理和平均首次故障前时间 （如表1所示），将产品在后端物理试验及实际使用中产生的问题暴露在设计阶段，从而提高产品的固有可靠性、保证产品的使用可靠性，减少产品重复设计的时间，降低产品的设计成本和维护经费。

图2　CARMES-pofRAS的技术架构

表1　某数据采集器可靠性仿真分析结果报表

CARMES-pofRAS主要具有以下几种功能。

a）计算产品在定时加速寿命试验中的极限情况，在设计前端快速地定位薄弱环节，试验包括：温度循环、随机振动、机械冲击、机械谐振和机械静力，以及前5项试验中任意项的随机组合。

b）计算产品的平均首次故障时间和相应的主故障机理，各阶段所采用的计算产品的平均首次故障时间和相应的主故障机理的方法为：1）出厂验收试验——温度循环、随机振动和机械冲击等；2）工厂到仓库运输阶段——温度循环和随机振动等；3）贮存阶段——温度循环；4）仓库到安装地点运输阶段——温度循环和随机振动等；5）安装阶段——温度循环和机械冲击等；6）正常工作阶段——温度循环、随机振动和机械冲击等。

CARMES-pofRAS集电装组件建模、热学分析、振动分析和故障分析等功能于一体，可提供一站式的性能与可靠性协同设计方案，提高产品的固有可靠性、保证产品的使用可靠性，减少产品重复设计的时间。

3　结束语

基于失效物理的可靠性仿真技术是以产品失效的宏观表象特征和微观过程为依据，构建产品的失效模型，综合利用热仿真、振动仿真获取的应力数据和其他可靠性相关信息对产品进行可靠性建模和统计推断的技术。CARMES-pofRAS从电装组件建模模块、热分析模块和振动分析模块获取局部温度和局部位移数据，结合内嵌的失效物理算法，能够快速地定位电装组件的故障部位和故障模式，同时采用失效物理方法计算其累积损伤度和平均首次故障前时间，包括焊接热疲劳故障、引脚机械疲劳故障。

［1］潘勇，黄进永，胡宁.可靠性概论 ［M］.北京：电子工业出版社，2015.

［2］彭健.基于失效物理的电子系统可靠性预计研究与实现［D］.成都：电子科技大学，2012.

［3］刘强.基于失效物理的性能可靠性技术及应用研究 ［D］.长沙：国防科学技术大学，2011.

［4］陈云霞，谢汶姝，曾声奎.功能分析与失效物理结合的可靠性预计方法 ［J］.航空学报，2009，29（5）：1133-1138.

［5］潘勇，冯燕宽.六性协同工作平台CARMES用户手册［Z］.广州：工业和信息化部电子第五研究所，2015.

Reliability Simulation Technology and Software Design Based on Physics of Failure

LIANG Yi-kun，HU Ning，HUANG Jin-yong，YU Zhao-jie
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

The connotation and ana1ysis process of physics of fai1ure and re1iabi1ity simu1ation test are introduced.And then，the physics of fai1ure based re1iabi1ity simu1ation techno1ogy and its software too1s are presented，and the technica1 framework and main functions of CARMES-pofRAS are described，which can quick1y and accurate1y confirm the fai1ure 1ocation，fai1ure mechanism and mean time to first fai1ure of product according to the therma1，mechnica1，e1ectrica1 and e1ectrochemica1 stress as we11 as the materia1 and structure information of product.

physics of fai1ure；re1iabi1ity simu1ation；software design；re1iabi1ity simu1ation software

TP 391.9

A

1672-5468（2016）03-0076-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.015

2015-12-11

梁奕坤 （1989-），男，广东广州人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性数据中心助理工程师，主要从事计算机辅助五性一体化协同设计与分析技术研究、五性工程软件设计开发工作。