可靠性仿真在鱼雷产品上的应用

王斗辉 ,陈 欢 ,郭 君 ,吴 斌

(1.工业和信息化部 电子第五研究所,广东 广州,615123;2.中国船舶集团有限公司 第705 研究所,陕西 西安,710077)

0 引言

随着技术的发展,对装备可靠性水平的要求越来越高,但对研制和生产周期的要求则越来越短,完全按传统的典型环境仿真方法对装备进行可靠性试验,对于可靠性指标要求较高的产品,无论是时间还是试验费用等都难以保证,为此需要找到一种在研制初期即可针对仿真模型,在开展建模仿真的基础上进行可靠性设计及评价的新途径。

国外近年来发展基于失效物理的可靠性仿真技术已日益受到可靠性工程界的关注,并得到了蓬勃的发展。美国陆军装备系统分析中心成立了“基于失效物理的可靠性”小组,持续进行失效物理计划,以实现陆军装备设计和分析的超高可靠性;欧美均有成熟的商业化热学与力学仿真软件工具,并被利用在可靠性设计环节;马里兰大学的高级寿命循环工程中心开发了具有领先地位的基于失效物理的可靠性仿真软件。国内目前在质量和可靠性工程领域针对仿真技术的研究起步较晚,但也已在飞机、导弹等领域有较多应用。

传统的可靠性试验和可靠性仿真试验本质上都是通过对试验对象施加应力,获得产品故障(缺陷)数据,从而对产品进行改进设计及可靠性评价。可靠性试验是对实物样机施加模拟环境应力,通常在试验箱完成,往往耗时长、成本高,且工作重点在试验后,不能在设计早期提供方案权衡和改进输入[1];而可靠性仿真试验是针对数字样机,利用计算机、软件工具即可开展,仿真过程耗时短、费用低,通过“建模仿真—设计改进—模型改进”的过程[2]可以在产品设计早期消除产品故障源,减少试验量,缩短研制周期。目前鱼雷型号研制过程主要仍是借助传统可靠性试验,通过暴露产品故障实施设计改进,另外,由于缺乏专业的可靠性预计和可靠性仿真软件,故完整的可靠性仿真技术并未在鱼雷产品设计中广泛应用。针对鱼雷可靠性要求越来越高,传统可靠性试验耗时长、费用高的现状,有必要研究可靠性仿真技术在鱼雷装备研制过程中的应用。文中选取了鱼雷典型电子组件,开展了可靠性仿真分析和仿真试验研究,旨在为可靠性仿真技术在鱼雷产品上的更广泛应用提供借鉴和参考。

1 可靠性仿真基本过程

鱼雷型号研制一般分为方案设计、初样研制、正样研制及状态鉴定等阶段。可靠性仿真试验开始于鱼雷型号方案设计阶段,贯穿于产品研制的初样和正样设计阶段,通过“仿真试验—设计更改—仿真试验”的迭代过程与产品设计流程紧密结合。可靠性仿真主要包括仿真建模、热仿真、振动仿真、故障预计和可靠性评估。热仿真可以暴露产品热设计缺陷,为故障预计提供电路板的热边界条件,振动仿真可以暴露产品振动设计缺陷,为故障预计提供电路板的力学边界条件,而故障预计旨在暴露产品在给定寿命条件下的潜在故障点,最后给出产品的定量可靠性评估。针对可靠性仿真试验所发现的可靠性设计薄弱环节应及时分析,在更改设计后应更新数字样机,并再次进行可靠性仿真试验,以此循环迭代直至产品热设计、振动设计和故障预计结果达到预期要求[3-8]。

可靠性仿真流程包括采集设计信息、建立产品数字化样机模型、热和力学及电的应力分析、预计故障和可靠性仿真评估等,基本过程及工作流程如图1 所示。

图1 可靠性仿真流程Fig.1 Reliability simulation process

2 鱼雷产品可靠性仿真

选取鱼雷典型电子组件(以下简称样件)来阐述鱼雷产品可靠性仿真实践过程。该样件主要由滤波器、控制板和电池模块等装配组成,涉及舰上工作、水下待机和水下工作等3 种工况,不同工况下环境条件、工作时间及内部发热情况均不相同,文中重点针对水下待机状态开展可靠性仿真研究。

该产品在实际使用中遇到的环境应力主要有温度、湿度、振动、冲击、霉菌和盐雾等,受上述因素的影响,产品会发生一系列的“物理失效”变化,造成产品功能失效。据统计,电子产品的大部分故障由温度、湿度和振动应力导致,故结合该产品特点,影响其可靠性的敏感环境应力是温度和振动,为此可将温度和振动应力施加至仿真模型上,开展可靠性仿真分析和评估。

2.1 产品设计信息采集

采集可靠性仿真需要的设计和使用环境信息包括完整的印制电路板(printed circuit board,PCB)设计信息、计算机辅助设计(computer aided design,CAD)文件、三维结构图、PCB 部件电路图及元器件目录、工作剖面及环境条件等设计信息,具体涉及结构件名称和代号、材料名称和代号、材料密度、弹性模量、泊松比以及安装方式等44 种结构件信息;器件类型、质量、几何尺寸、封装类型、封装材料、额定功耗、实际功耗、位置信息、管脚数量以及连接方式等87 种元器件信息;收集及查询补充完善其他各类相关信息近千条。

2.2 仿真模型建立

2.2.1 CAD 建模

CAD 建模是为了建立反映产品几何特征的三维数字模型,是建立计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)和有限 元方法(finite element method,FEM)仿真模型的原型和基础。样件主要由电池模块、外壳、盖板、PCB、螺钉和垫片等组成,CAD 仿真模型如图2 所示,简化后如图3 所示。

图2 样件CAD 模型Fig.2 CAD model of the sample

图3 样件简化模型Fig.3 Simplified model of the sample

2.2.2 CFD 仿真模型

在CAD 简化模型基础上建立仿真输出,对发热量小、模型体积小的部分进行简化删除,并对发热期间的模型选择最高精度的简化,尽可能保证模型的准确性。通过对器件的功耗值进行分析对比,以0.01 W为分界线进行模型简化,低于10 mW的器件除微控制器及晶振(为了重点检查该部位温度)外,其余器件均进行简化,另外保留空间体积较大的元器件,尽可能保持热流的真实性。PCB 部件简化后的模型见图4。

图4 PCB 部件简化图Fig.4 Simplified model of PCB

样件的特征尺寸为120 mm,为了满足软件仿真需求,样件特征尺寸按130 mm 计算区域范围进行仿真边界设置,在基于Fluent 热算法进行仿真前需进行网格设计,以真实反映热传输途径,组件外部网格划分见图5,组件印制板网格划分见图6。

图6 PCB 网格划分图Fig.6 Grid division of PCB

根据样件实际工作剖面,样件工作时间有限,发热器件为瞬态发热,稳定时间后功率极低,组件内部发热器件基本为密闭空间,瞬态发热仿真可更真实确认组件的温度最高点,因此采用瞬态热仿真。对印制板、重要发热器件等组成的属性进行各发热器件参数设置,得到样件典型工况下发热器件的参数统计见表1(该表只是作为示例给出部分器件模型属性)。

表1 模型属性表Table 1 Model properties

2.2.3 FEA 仿真模型

针对不同零部件的几何特征,考虑对计算结果的不同影响程度,分别对上下外壳、接插件、PCB及螺栓等进行简化,然后进行基于模态叠加法的随机振动计算。模态计算对网格大小的均匀程度有一定要求,在设置网格尺寸时将尺度较大的上下外壳、接插件插针以及上下外壳安装螺栓设置单元尺寸为2 mm,其他结构单元尺寸为1 mm,使得单个组件的网格均匀,最终划分网格单元数量13 万,如图7 所示。

图7 网格划分Fig.7 Grid division

由于该样件仿真涉及零部件较多,连接关系复杂,为便于说明,将各组件、零件的连接方式分成螺栓连接、绑定连接、运动副连接和接插件连接[9]4 种。例如下壳体与PCB 之间为螺栓链接(见图8);电阻、二极管和电容等组件并不与PCB 直接接触,而是通过两端的管角支撑在PCB 上。以电阻为例,管角一端与PCB 的焊盘连接,另一端与电阻连接,在计算中利用固定运动副来模拟管角和PCB以及管角和电阻之间的连接关系(见图9)。

图8 下壳体与电路板螺栓连接Fig.8 Bolt connection between lower hull and circuit board

图9 电阻固定运动副连接Fig.9 Connection of resistance fixed motion pair

光耦、整流桥、电源模块、继电器、二极管以及达林顿管等组件底面直接与PCB 接触,建立绑定连接关系,以整流桥为例如图10 所示。

图10 整流桥与PCB 连接示意图Fig.10 Link between rectifier bridge and PCB

完成连接关系设置后,为保证计算模型与实际产品材料属性的一致性,对每个零件都单独进行材料属性设置,由于大部分电子零件并非单一材料组成,为简化计算,每个零件的泊松比与弹性模量参考构成该零件的主要材料取值,并通过调整零件的密度属性使得该零件的模型质量与实际产品的质量保持一致。计算模型中涉及的部分材料属性统计见表2。

表2 材料属性表Table 2 Material properties

2.3 应力分析

2.3.1 热应力仿真分析

1) 热响应分析

CFD 仿真模型建立后,通过热测量试验方法,得到产品电路板关键器件点温度测试结果,与温度应力分析结果进行对比分析,以验证CFD 模型的准确性。32℃环境温度下的热应力仿真与热测量试验对比结果见表3,可见相对误差小于10%,证明了CFD 仿真模型的正确性。

表3 热测量试验结果与温度应力分析结果对比Table 3 Comparison between thermal measurement and thermal stress analysis results

2) 水下待机状态仿真

根据水下待机工况的时长,设置仿真时间为12 h,使用温度采集点,按时间对温度进行检查,初步得出温度分布如图11 所示。

图11 温度分布图Fig.11 Temperature distribution

根据温度随时间变化的趋势图,初步确认 D2、R19 和R28 电阻温度较高,因此,对D2、R19 和R28 定制温度变化曲线,详细见图12。检查组件端热流情况,可得出图13。

图12 温度变化图Fig.12 Temperature variation

图13 热对流示意图Fig.13 Heat convection diagram

根据温度变化图可确认模型中D2、R19 和R28温度较高,R19 的温度最高,在200 s 时最高温度约为60 ℃。利用ANSYS ICEPAK 热仿真分析手段,模拟计算了样件的热工作状态。通过计算结果可以看出,在热电池供电50 s 内温度持续工作,热电池停止工作后约在200 s 时温度达到最高值,200 s后到待机完成时间内温度持续降低。因此,应注意热电池的工作时间,避免样件内部持续发热。

2.3.2 振动应力仿真分析

1) 模态计算分析

模态分析计算的频段设置为10～2 500 Hz,计算时在下外壳的吊耳上设置固定约束,前6 阶模态的计算结果如图14 所示。从模态计算看出2 个吊耳的连接方式导致结构1 阶模态频率较低,1 阶阵型呈现出整体的扭转状态,吊耳与下外壳连接根部的模态应力较大,可能成为结构动强度的风险点。

图14 前6 阶模态计算结果Fig.14 Calculation results of the first six orders modes

2) 模态实测验证

采用实物模态试验法对样件中的部分模块进行模态试验,PCB 用弹性绳自由悬挂开展自由状态下的模态试验,得到整个电路板模块的频响数曲线与数据后进行模态计算,将得到的模态信息和振动仿真分析结果进行比对,详见表4。1 阶共振频率相对误差小于10%,证明了振动应力仿真分析采用模型的正确性。

表4 模态试验结果Table 4 Modal test results

3) 随机振动分析

利用有限元仿真分析手段,模拟计算样件的模态以及在准备阶段、水下工作条件下的随机振动响应。以水下低速工作阶段为例,水下工作阶段的振动为随机+扫频形式,其量值见表5 和表6。

表5 低速工况振动条件下随机振动拐点Table 5 Random vibration inflection point coordinates at low speed

表6 低速工况振动条件扫频线谱Table 6 Sweep line spectrum at low speed

通过计算可以得到滤波储能装置的最大等效应力为17.42 MPa,发生在PCB 与PVC_ZJ_C3 电源模块接触处(见图15),结构强度满足设计要求。最大位移发生在PVC_DZ_D15 电容处(见图16),为0.007 5 mm,说明结构设计的刚度满足在该振动环境条件下的设计要求。

图15 等效应力计算结果Fig.15 Equivalent stress calculation results

图16 位移计算结果Fig.16 Displacement calculation results

由以上振动应力仿真分析可以得到: 水下低速航行振动条件下的最大等效应力发生在PCB与PVC_ZJ_C3 电源模块接触处,为17.42 MPa,结构动强度满足设计要求,位移量值较小。

2.4 故障预计

采用CalcePWA 软件开展产品的故障预计,输入各节点的特征信息,给出产品各节点在各温度台阶下的热应力分布情况和各振动量级下的振动响应情况,根据各节点在不同环境条件下的失效时间,软件综合仿真评估出各节点的失效时间。根据故障预计结果可发现样件有2 个相对薄弱点故障信息矩阵(假设以20 a为寿命要求),2 个故障薄弱点均位于电源变换电路板上,详见表7。

表7 相对薄弱点故障信息矩阵表Table 7 Relative weak point fault information matrix

2.5 可靠性评估

利用故障预计得到的故障信息矩阵,通过单点故障分布拟合对故障信息矩阵中各故障机理的故障时间进行处理,得到各故障机理的故障分布,在此基础上利用多点故障分布融合算法,得出器件、模块、设备和系统的故障分布及可靠性水平。文中根据基于蒙特卡罗的可靠性仿真方法模型,并自下而上利用各层级节点寿命分布模型开展蒙特卡罗仿真,确定各层级节点的最优寿命分布和分布参数,实现对产品可靠性水平的定量评估,得到故障时间概率密度函数和平均首发故障时间评估值详见表8。

表8 样件及各板级可靠性评估表Table 8 Evaluation table of sample and board-level reliability

从仿真结果可以得到,若进一步改进提升产品可靠性,可优先提升该样件的C1 和C5 节点,可靠性提升效果明显。

3 结束语

文中选取鱼雷某电子组件作为可靠性仿真研究对象,在充分考虑产品外形尺寸、封装形式、安装方式、连接方式、材料、功耗、元器件信息、散热形式及环境条件等设计因素的基础上,建立产品数字化样机,开展热仿真、振动仿真、故障预计和可靠性评估,得到产品的热设计和抗振设计薄弱环节、潜在故障位置信息以及平均首发故障时间等,将可靠性仿真基本内容和工作流程在鱼雷产品上得以应用和实践,确保在产品设计早期消除故障源、提高产品可靠性和鲁棒性。值得注意的是,产品信息收集是开展可靠性仿真分析的基础,直接影响仿真模型和仿真结果的准确性,因此收集产品信息要求完整、准确,符合仿真建模分析要求。该研究方法可有效指导后续鱼雷的可靠性仿真工作,并可推广应用于水雷、声诱饵等其他水中兵器领域。