光电产品的可靠性设计与仿真试验

乐洪宇，李朝荣，李 永，郭宝录，王艳军

(1．空军驻锦州地区军事代表室，辽宁锦州121000;2．东北电子技术研究所，辽宁锦州121000)

1 产品的的可靠性

可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力，它是与产品性能指标同样重要的质量特性之一。装备性能指标日益提高，产品的复杂性和技术含量均不断提供，使产品的可靠性指标增长问题也日益突出，因此在产品研制过程中要抓好可靠性工作，通过设计逐次迭代来提高产品的可靠性设计，并对可靠性设计进行评估，找出可靠性设计中的薄弱环节，并指明潜在故障发生的位置和原因，成为可靠性设计中一个迫切需要解决的问题。可靠性作为一门系统工程科学，经过半个多世纪的发展已经形成了较为完整、健全的体系，在许多领域都取得了丰硕成果。虽然传统可靠性增长方法能够准确对产品可靠性指标进行评估，但其费用较高、周期长，已经不能完全满足装备高可靠性的需求。随着仿真技术的不断发展，仿真技术在可靠性研究上的应用，形成了可靠性仿真，可靠性仿真技术作为一门新兴的可靠性技术正在兴起，它必将为可靠性设计工作提供一种强有力的工具［1］。可靠性仿真技术与传统的可靠性设计、分析和试验方法对比如表1所示。

表1 可靠性仿真方法与传统可靠性设计方法对比

2 可靠性仿真试验

产品的可靠性仿真试验，主要包括:流程、故障预计、可靠性评估等［2］。

2．1 流 程

可靠性仿真试验共5个步骤，流程图如图1所示。

图1 可靠性仿真试验流程

2．2 环境试验剖面

试验环境剖面如图2所示。试验环境应力包括温度应力和振动应力。

图2 可靠性仿真试验综合剖面

(1)仿真试验温度应力包括4个条件，量值如表2所示。

表2 温度应力条件表

(2)仿真试验振动应力包括3个条件，振动量级如表3所示。

表3 振动应力量级表

2．3 仿真分析

(1)信息收集。收集的信息包括PCB设计信息、全部元器件信息的模块共7块，30余种1000余只元器件，包括型号、封装、质量、尺寸等相关信息。信息收集表如表4所示。

表4 信息收集表

(2)数字样机建模。产品数字样机组成说明如表5所示。

表5 产品数字样机组成说明表

根据收集的产品信息，经过适当简化建立的产品CAD数字样机如图3所示。

图3 受试产品CAD数字样机

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4所示。

图4 受试产品CFD数字样机

结合产品CAD数字样机，并根据耐振动设计信息建立产品FEA数字样机如图5所示。

图5 受试产品FEA数字样机

2．4 模型修正与验证

为保证数字样机的准确性及数字样机模型与物理样机的一致性，通过对物理样机采用热测量试验的方法，得到物理样机关键器件点温度测试结果，对已建立的CFD初始模型进行了修正，从而保证了CFD数字样机的准确性;通过对物理样机采用模态试验的方法，对FEA数字样机的初始模型进行了修正，试验首先对电路板、空机箱及整机进行自由模态分析，保证建模的准确性，然后对电路板进行约束条件下的模态分析，以保证仿真分析设置的边界条件的准确性，最后对整机进行随机振动分析，验证数字样机模型与物理样机的一致性［3］。

根据热测量试验结果，对产品CFD数字样机的边界条件、器件参数等部分进行修正，修正后的CFD数字样机如图6所示。

图6 受试产品修正后CFD数字样机

将模型修正之后的温度应力分析结果与热测量试验结果进行了对比如表6所示，对比结果误差满足要求，表明了温度应力分析采用模型的正确性。

表6 温度应力分析结果与热测量试验结果对比

根据物理样机试验的模态结果对模型进行了修正，修正后的FEA数字样机如图7所示。

图7 受试产品修正后的FEA数字样机

网格划分采用了扫掠、单元大小控制及多区域划分法，分别对机箱壳体，各模块壳体以及电路板组件进行单独划分，以保证网格质量能够满足要求。最终计算得到的网格数量为76855，网格质量检验采用Skewness算法。

将模型修正之后的振动应力分析结果与模态试验结果进行了对比。对比结果误差满足要求，表明了振动应力分析采用模型的正确性。

2．5 应力分析

(1)温度应力分析。采用Mentor Graphics公司的FloTHERM V9．1对产品CFD数字样机进行分析计算，温度应力分析结果如图8所示，图8为在平台环境温度70℃条件下的整机温度场分布结果。箱体表面的最高温度为73℃，比平台环境温度高3℃。为评估产品热设计效果将平台环境温度70℃定为第一参考温度条件，将箱体表面平均温度(通过表面积加权计算)定为第二参考温度条件。机箱和模块温度分布结果如表7和表8所示。

图8 整机温度分布

表7 机箱温度分析结果

表8 各模块温度分析结果

(2)振动应力分析。采用ANSYS公司的ANSYSWorkbench 12．1对产品FEA数字样机进行分析计算，整机模态分析的前7阶频率结果，如表9所示。

表9 整机谐振频率及位置

(1)电源滤波模块前三阶频率结果如表10所示。

表10 电源滤波模块谐振频率及位置

(2)控制模块前三阶频率结果如表11所示。

表11 控制模块谐振频率及位置

(3)点火模块前三阶频率结果如表12所示。

表12 点火模块模块谐振频率及位置

(4)整机及模块最大响应量值和位置如表13所示。

表13 整机及模块最大响应量值和位置

2．6 故障预计

(1)故障预计分析模型。采用CalcePWA软件建立受试产品的故障预计分析模型，如图9～图11所示。

图11 电源滤波模块故障预计模型

(2)故障预计结果。采用CalcePWA软件开展受试产品的故障预计，结果如下:

图12 点火模块M1的潜在故障点位置

图13 点火模块M1故障预计分析结果

图14 控制模块M的潜在故障点位置

(a)点火模块潜在故障点位置如图12所示，故障预计结果如图13所示。由于在预期寿命内综合电源模块未发现故障器件，故主要故障信息矩阵不再列出。

(b)控制模块的潜在故障点位置如图14所示，故障预计结果如图15所示。由于在预期寿命内综合电源模块未发现故障器件，故主要故障信息矩阵不再列出。

图15 控制模块M的故障预计分析结果

2．7 可靠性评估结果

利用Matlab软件根据故障预计所输出的潜在故障点的故障时间、仿真计算数据，采用竞争失效的原则，通过单点故障密度分布拟合、多点故障密度分布融合分析等方法得到受试产品整机和各模块可靠性仿真评估结果如表14所示。

表14 可靠性仿真评估结果

2．8 分析结果

(1)电源滤波模块PCB板正面偏左处的电源模块G1左下角处加速度均方根值及位移均方根值较大，如图 16 所示［4］。

图16 电源模块故障报告

(2)机箱后部的后面板转接板偏右处加速度均方根值与位移均方根值较大，如图17所示。

图17 机箱后面板转接板故障报告

(3)可靠性评估结果:受试产品平均首发故障时间为67065 h。

3 结束语

通过可靠性仿真试验在型号产品中的具体应用，使我们对可靠性仿真试验有了更加深刻的认识，加深了对可靠性仿真试验的理解，掌握了可靠性仿真试验实施流程、分析方法及开展时机。可靠性仿真试验具有经济性好、应用范围广、通用性好、难度小等优点，我们相信可靠性仿真试验作为仿真技术在可靠性领域的研究成果，作为一种全新的、有效的可靠性研究方法，在产品高可靠性需求下，必将在产品研制生产的可靠性工程中取得更大的应用和更好的效果。

［1］ Wan Bo，Fu Guicui，Zou Hang．Research on data processingmethod in reliability simulation and prediction of avionics［J］．Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2011，(1):5 －9．(in Chinese)万博，付桂翠，邹航．航空电子产品可靠性仿真预计数据处理方法研究［J］．电子产品可靠性与环境试验，2011，(1):5 －9．

［2］ Li Li，Lin Jian．Credibility excellent design of generator control unit based on number turns terrace［J］．Aeronautical Computing Technique，2009，(5):88 － 91．(in Chinese)李莉，林坚．基于数字化平台的发电机控制器可靠性优化设计［J］．航空计算技术，2009，(5):88－91．

［3］ GuoWeichang．A study on confidence level in reliability prediction［J］．Chinese Space Science and Technology，2002，(6):16 －20．(in Chinese)郭维长．可靠性预计中的置信度问题研究［J］．中国空间科学技术，2002，(6):16 －20．

［4］ Ren Yi，Zeng Shengkui，Li Xiaoyang．Integrated analysis methods for reliability prediction parameters of electronic device［J］．Ournal of Astronautics，2003，(3):318 －321．(in Chinese)任羿，曾声奎，李晓阳．电子设备可靠性预计参数综合分析方法研究［J］．宇航学报，2003，(3):318 －321．