光電產品的可靠性設計與仿真試驗

樂洪宇，李朝榮，李 永，郭寶錄，王艷軍

(1．空軍駐錦州地區軍事代表室，遼寧錦州121000;2．東北電子技術研究所，遼寧錦州121000)

1 產品的的可靠性

可靠性是指產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力，它是與產品性能指標同樣重要的質量特性之一。裝備性能指標日益提高，產品的復雜性和技術含量均不斷提供，使產品的可靠性指標增長問題也日益突出，因此在產品研制過程中要抓好可靠性工作，通過設計逐次迭代來提高產品的可靠性設計，并對可靠性設計進行評估，找出可靠性設計中的薄弱環節，并指明潛在故障發生的位置和原因，成為可靠性設計中一個迫切需要解決的問題。可靠性作為一門系統工程科學，經過半個多世紀的發展已經形成了較為完整、健全的體系，在許多領域都取得了豐碩成果。雖然傳統可靠性增長方法能夠準確對產品可靠性指標進行評估，但其費用較高、周期長，已經不能完全滿足裝備高可靠性的需求。隨著仿真技術的不斷發展，仿真技術在可靠性研究上的應用，形成了可靠性仿真，可靠性仿真技術作為一門新興的可靠性技術正在興起，它必將為可靠性設計工作提供一種強有力的工具［1］。可靠性仿真技術與傳統的可靠性設計、分析和試驗方法對比如表1所示。

表1 可靠性仿真方法與傳統可靠性設計方法對比

2 可靠性仿真試驗

產品的可靠性仿真試驗，主要包括:流程、故障預計、可靠性評估等［2］。

2．1 流 程

可靠性仿真試驗共5個步驟，流程圖如圖1所示。

圖1 可靠性仿真試驗流程

2．2 環境試驗剖面

試驗環境剖面如圖2所示。試驗環境應力包括溫度應力和振動應力。

圖2 可靠性仿真試驗綜合剖面

(1)仿真試驗溫度應力包括4個條件，量值如表2所示。

表2 溫度應力條件表

(2)仿真試驗振動應力包括3個條件，振動量級如表3所示。

表3 振動應力量級表

2．3 仿真分析

(1)信息收集。收集的信息包括PCB設計信息、全部元器件信息的模塊共7塊，30余種1000余只元器件，包括型號、封裝、質量、尺寸等相關信息。信息收集表如表4所示。

表4 信息收集表

(2)數字樣機建模。產品數字樣機組成說明如表5所示。

表5 產品數字樣機組成說明表

根據收集的產品信息，經過適當簡化建立的產品CAD數字樣機如圖3所示。

圖3 受試產品CAD數字樣機

結合產品CAD數字樣機，并根據熱設計信息建立產品CFD數字樣機如圖4所示。

圖4 受試產品CFD數字樣機

結合產品CAD數字樣機，并根據耐振動設計信息建立產品FEA數字樣機如圖5所示。

圖5 受試產品FEA數字樣機

2．4 模型修正與驗證

為保證數字樣機的準確性及數字樣機模型與物理樣機的一致性，通過對物理樣機采用熱測量試驗的方法，得到物理樣機關鍵器件點溫度測試結果，對已建立的CFD初始模型進行了修正，從而保證了CFD數字樣機的準確性;通過對物理樣機采用模態試驗的方法，對FEA數字樣機的初始模型進行了修正，試驗首先對電路板、空機箱及整機進行自由模態分析，保證建模的準確性，然后對電路板進行約束條件下的模態分析，以保證仿真分析設置的邊界條件的準確性，最后對整機進行隨機振動分析，驗證數字樣機模型與物理樣機的一致性［3］。

根據熱測量試驗結果，對產品CFD數字樣機的邊界條件、器件參數等部分進行修正，修正后的CFD數字樣機如圖6所示。

圖6 受試產品修正后CFD數字樣機

將模型修正之后的溫度應力分析結果與熱測量試驗結果進行了對比如表6所示，對比結果誤差滿足要求，表明了溫度應力分析采用模型的正確性。

表6 溫度應力分析結果與熱測量試驗結果對比

根據物理樣機試驗的模態結果對模型進行了修正，修正后的FEA數字樣機如圖7所示。

圖7 受試產品修正后的FEA數字樣機

網格劃分采用了掃掠、單元大小控制及多區域劃分法，分別對機箱殼體，各模塊殼體以及電路板組件進行單獨劃分，以保證網格質量能夠滿足要求。最終計算得到的網格數量為76855，網格質量檢驗采用Skewness算法。

將模型修正之后的振動應力分析結果與模態試驗結果進行了對比。對比結果誤差滿足要求，表明了振動應力分析采用模型的正確性。

2．5 應力分析

(1)溫度應力分析。采用Mentor Graphics公司的FloTHERM V9．1對產品CFD數字樣機進行分析計算，溫度應力分析結果如圖8所示，圖8為在平臺環境溫度70℃條件下的整機溫度場分布結果。箱體表面的最高溫度為73℃，比平臺環境溫度高3℃。為評估產品熱設計效果將平臺環境溫度70℃定為第一參考溫度條件，將箱體表面平均溫度(通過表面積加權計算)定為第二參考溫度條件。機箱和模塊溫度分布結果如表7和表8所示。

圖8 整機溫度分布

表7 機箱溫度分析結果

表8 各模塊溫度分析結果

(2)振動應力分析。采用ANSYS公司的ANSYSWorkbench 12．1對產品FEA數字樣機進行分析計算，整機模態分析的前7階頻率結果，如表9所示。

表9 整機諧振頻率及位置

(1)電源濾波模塊前三階頻率結果如表10所示。

表10 電源濾波模塊諧振頻率及位置

(2)控制模塊前三階頻率結果如表11所示。

表11 控制模塊諧振頻率及位置

(3)點火模塊前三階頻率結果如表12所示。

表12 點火模塊模塊諧振頻率及位置

(4)整機及模塊最大響應量值和位置如表13所示。

表13 整機及模塊最大響應量值和位置

2．6 故障預計

(1)故障預計分析模型。采用CalcePWA軟件建立受試產品的故障預計分析模型，如圖9～圖11所示。

圖11 電源濾波模塊故障預計模型

(2)故障預計結果。采用CalcePWA軟件開展受試產品的故障預計，結果如下:

圖12 點火模塊M1的潛在故障點位置

圖13 點火模塊M1故障預計分析結果

圖14 控制模塊M的潛在故障點位置

(a)點火模塊潛在故障點位置如圖12所示，故障預計結果如圖13所示。由于在預期壽命內綜合電源模塊未發現故障器件，故主要故障信息矩陣不再列出。

(b)控制模塊的潛在故障點位置如圖14所示，故障預計結果如圖15所示。由于在預期壽命內綜合電源模塊未發現故障器件，故主要故障信息矩陣不再列出。

圖15 控制模塊M的故障預計分析結果

2．7 可靠性評估結果

利用Matlab軟件根據故障預計所輸出的潛在故障點的故障時間、仿真計算數據，采用競爭失效的原則，通過單點故障密度分布擬合、多點故障密度分布融合分析等方法得到受試產品整機和各模塊可靠性仿真評估結果如表14所示。

表14 可靠性仿真評估結果

2．8 分析結果

(1)電源濾波模塊PCB板正面偏左處的電源模塊G1左下角處加速度均方根值及位移均方根值較大，如圖 16 所示［4］。

圖16 電源模塊故障報告

(2)機箱后部的后面板轉接板偏右處加速度均方根值與位移均方根值較大，如圖17所示。

圖17 機箱后面板轉接板故障報告

(3)可靠性評估結果:受試產品平均首發故障時間為67065 h。

3 結束語

通過可靠性仿真試驗在型號產品中的具體應用，使我們對可靠性仿真試驗有了更加深刻的認識，加深了對可靠性仿真試驗的理解，掌握了可靠性仿真試驗實施流程、分析方法及開展時機。可靠性仿真試驗具有經濟性好、應用范圍廣、通用性好、難度小等優點，我們相信可靠性仿真試驗作為仿真技術在可靠性領域的研究成果，作為一種全新的、有效的可靠性研究方法，在產品高可靠性需求下，必將在產品研制生產的可靠性工程中取得更大的應用和更好的效果。

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