環境應力對裝備質量的影響及應對措施＊

王文智 張尊偉

（1.中航工業西安航空計算技術研究所 西安 710119）（2.東北電子技術研究所 錦州 121000）

1 引言

長期以來，重功能輕質量，功能設計與質量設計嚴重脫節的現象貫穿了裝備研制的全過程。該種研制模式（或思維方式）造成了裝備可靠性低、故障多、維修頻繁、維修工作量大、維修費用高等方面問題，并導致裝備列裝后遲遲不能形成戰斗力。上世紀80年代以來，隨著我軍數種主戰裝備先后投入研制，裝備質量問題受到軍方和研制單位的高度重視，功能與質量一體化設計思想和設計措施已逐步得到推廣，并廣泛應用于裝備的研制過程中，使我軍裝備質量有了較大的提高。

2 環境應力對裝備質量的影響

由于裝備應用環境[1]的復雜性和特殊性，裝備質量、可靠性及戰備完好性受到眾多因素的影響。在影響裝備質量與可靠性的諸多因素中，環境對裝備來說是一個無法回避，必須加以考慮和重視的因素，下面僅對幾種環境因素對裝備質量的影響展開討論。

2.1 高溫環境

高溫環境對裝備質量的影響主要有以下幾個方面：

2.1.1 材料膨脹系數的影響

由于各種材料的膨脹系數不同，導致材料變形程度不同。如果膨脹系數差別較大的材料以不同方式結合在一起，在溫度發生變化時由于材料變形程度不同，將在材料間和結合方式上形成拉力或扭力，造成材料或結合方式的損壞，從而引起裝備故障。

應用于某裝備的金屬封裝的大規模表貼集成電路裝焊到印制板（為非金屬材料）表面，環境溫度發生變化時，集成電路與印制板將產生不同程度的變形，集成電路與印制板間將通過連接方式（管腳和焊錫）產生一種拉力，該拉力將作用到集成電路、印制板間、管腳和焊錫四者之間，由于該拉力長期、持續的作用，導致焊錫疲勞并出現開焊現象，進而導致裝備故障。

2.1.2 元器件電參數變化的影響

裝備中所使用的各種元器件不同程度的損耗電能，并將電能轉化成熱能。該熱能將導致元器件溫度上升，并使元器件電參數發生變化，最終影響裝備的電性能（例如：晶體管、集成電路中的PN結在高溫狀態下阻值變大在通過相同電流的情況下，產生的熱量較大，結溫升高，電阻值再變大，結溫再升高，最終燒毀PN結，導致器件損壞并影響裝備質量）。

2.2 低溫環境

低溫環境對裝備質量的影響主要有以下幾個方面：

2.2.1 非金屬材料的影響

·低溫環境下裝備中所用的非金屬材料彈性降低，并產生破裂，可能導致以該非金屬材料為絕緣材料的絕緣功能降低或喪失，裝備功能部件出現短接，導致裝備故障；

·低溫環境下裝備中所用的非金屬密封墊圈等柔韌性材料的彈性降低，并產生破裂，可能導致以該非金屬材料為密封材料的密封功能降低或喪失，裝備整體密封功能下降，導致裝備故障；

·低溫環境下裝備中所用的非金屬彈性降低，并產生破裂，可能導致以該非金屬材料為絕緣介質的部件或元器件絕緣介質功能降低或喪失，高壓部件或元器件發生放電而產生高壓脈沖，該高壓脈沖以輻射和傳導方式引入低壓電路中并燒毀低壓電路，導致裝備故障；

·低溫環境下裝備中所用的非金屬材料彈性降低，可能導致以該非金屬材料為主要功能部件的受力能力降低，該部件在承受相同外力時產生破裂，導致裝備故障。

2.2.2 元器件電參數變化的影響

·低溫環境下裝備中所用的晶體管、集成電路PN結中電子活躍程度降低，形成的電流降低，驅動能力下降，導致裝備功能喪失；

·低溫環境下裝備中所用的電阻阻值增大，提供的電流變小驅動能力下降，導致裝備功能喪失；

·低溫環境下裝備中各功能部件參數發生變化，導致對電能的需求增加，在裝備電源設計容量偏小的情況下將形成保護模式，導致裝備功能喪失；

·低溫環境下裝備中各功能部件參數發生變化，導致對電能的需求增加，為保證裝備正常工作，功率器件將增加功率輸出，如此該器件將產生較大的熱量，使結溫升高，燒毀PN結，器件損壞，導致裝備功能喪失。

2.3 振動環境

振動環境對裝備質量的影響主要有以下幾個方面：·振動環境對裝備結構質量的影響主要是變形、彎曲、裂紋、斷裂等；

·振動環境對裝備工作性能的影響主要是使動作部件工作不正常（如繼電器產生誤動作）；

·使體積較大、重量較重的元器件管腳斷裂；

·連接導線與機箱或導線之間產生摩擦而損壞，從而導致工作不正常、不穩定、甚至不能工作；

·振動環境對裝備工藝質量的影響主要是緊固件松動、連接件和焊點脫開等。

2.4 低氣壓環境

低氣壓環境主要考核裝備中使用的元器件氣密特性及對裝備功能的影響。因此，按裝備使用元器件類型低氣壓環境對裝備質量的影響主要有以下幾個方面：

2.4.1 繼電器

非固態繼電器一般由線圈、數組觸點組成，通過線圈工作方式的變化而改變數組觸點接通和斷開狀態。一般情況下，該器件相關觸點與電源連接，觸點間的通／斷將形成一種充放電模式。在非密封狀態下可能產生火花和高溫進而產生氧化，最終導致器件失效。

2.4.2 高壓線包

絕緣介質的質量將影響高壓線包的質量。一般情況下高壓線包所灌封的材料既起到固定線圈的作用，又作為線圈的絕緣介質。如果灌封存在問題（材料的均勻性、灌封的氣密性、線圈排布的均勻性等方面），在正常大氣條件下，空氣亦是高壓線包的線圈之間或線圈與機箱之間的絕緣介質，在一定程度上彌補高壓線包絕緣性能的不足，輔助阻止高壓線包產生放電現象的產生；在低氣壓條件下，將出現真空狀態，高壓線包的絕緣特性降低，將可能導致高壓線包線圈間或線圈與機箱間的擊穿并產生放電現象，高壓線包產生的放電將形成高壓脈沖，該高壓脈沖以輻射和傳導方式引入低壓電路中并燒毀低壓電路，導致裝備故障。

2.4.3 高壓器件

高壓器件內部一般充有惰性氣體或灌封其它絕緣介質。一般情況下，高壓器件內部各引線間的壓差較大（特別是近距離壓差較高的管腳）。在低氣壓環境條件下，絕緣介質發生變化、絕緣性能降低時，可能產生擊穿現象并使器件失效，導致裝備故障。

3 應對措施

針對上述幾種主要環境因素對裝備質量的影響，在裝備研制中應采用如下各項質量控制措施和可靠性設計措施，以保證裝備質量[2]。

3.1 可靠性設計與分析

裝備可靠性工作[3]應包括可靠性分析和可靠性設計兩部分。鑒于可靠性設計方法在眾多可靠性設計文件均有介紹，本文只對可靠性分析工作加以闡述。可靠性分析工作建立在裝備功能需求分析及功能設計的基礎上，通過對裝備功能需求及功能設計進行可靠性分析，發現裝備在總體功能和功能設計上存在的質量問題，并據此指導裝備總體功能和功能設計的改進設計[4]。可靠性分析與裝備功能設計是往復循環的過程，在裝備研制的各個階段均開展可靠性分析工作，并指導裝備功能設計的改進工作。可靠性分析（主要針對裝備的電氣性能）工作主要有如下兩方面：

3.1.1 可靠性預計

一般情況下，裝備可靠性均有定量要求。通過對裝備功能設計開展可靠性預計[5]工作，發現裝備功能設計是否滿足可靠性定量指標要求。通過可靠性預計，裝備不滿足可靠性指標要求時，需對功能設計進行改進設計。改進設計的主要設計方式有：開展環境設計，改善裝備環境質量（針對低溫環境開展升溫設計，針對高溫開展通風冷卻設計及相關散熱設計）；開展優化設計，充分利用各元器件資源實現多功能共用，并選用高性能元器件，減少元器件數量；開展集成化設計，優化裝備構成，減少元器件數量，并提高設計、工藝質量；提高元器件質量等級，以提高元器件抗惡劣環境的能力。

3.1.2 故障模式影響及危害度分析

故障模式影響及危害度分析方法是近期裝備研制過程中普遍要求的一種可靠性、安全性分析方法。該種分析方法重點突出各種故障方式對裝備的影響程度，并根據分析結果要求裝備改進設計以消除或降低該種故障模式對裝備的影響程度。故障模式影響及危害度分析方法以裝備元器件失效率為基礎，結合元器件對裝備功能影響程度開展分析，并根據分析結果指導裝備改進功能設計的工作[6]。對于單點（不允許開展冗余設計）、危害等級較大的故障，應提高元器件質量等級并進一步開展降額設計工作。對于單點、危害等級較大的故障，開展冗余設計、降額設計工作，以進一步提高元器件質量等級。

3.1.3 可靠性仿真

可靠性仿真是對軍事裝備設計的一種可靠性分析與評估方法。通過對裝備的熱分布和振動應力分布的仿真分析，明確找出裝備存在的設計缺陷，并對裝備完善和改進設計、解決可能導致故障的各種設計缺陷，并最終提高裝備的可靠性具有建設性的指導作用。

圖1 可靠性仿真試驗流程

可靠性仿真工作一般應用與裝備的初級設計階段，亦可應用于裝備可靠性增長階段。可靠性仿真一般分為五個步驟，流程圖如圖1所示。

通過某裝備電源模塊振動應力的可靠性仿真試驗案例，說明可靠性仿真試驗對裝備設備的指導作用。表1分別說明了一階、二階和三階模態[7～8]下，電源模塊的諧振頻率點及產生最大位移點的位置，圖2為三階模態仿真分析結果。

表1 電源模塊諧振頻率及位置

圖2 電源模塊三階模態分析結果

表1、圖2表明了裝備電源模塊存在的設計缺陷，裝備根據仿真結果對電源模塊進行了加裝冷板、改變大型元器件安裝方式等設計措施，解決了該設計缺陷。

3.2 抗溫度環境的應對措施

為保證裝備在規定的溫度環境下正常工作，主要采用降額、余度和散熱等設計措施，現介紹如下：

3.2.1 降額設計

降額設計是適當降低功能部件和元器件的使用應力值，以確保功能部件和元器件在高溫、常溫和低溫環境下，參數特性發生漂移后的輸出特性不超出自身應力范圍和不被損壞，從而保證裝備正常工作。例如裝備中使用的電阻器件應對其功率進行降額設計，電容器件應對其耐壓能力進行降額設計，晶體管應對其功率及耐壓進行降額設計，集成電路應對其驅動能力進行降額設計，電源模塊輸出功率應大于裝備常溫實際使用功率的40%（在低溫環境下，裝備實際使用功率大于常溫使用功率的20%）。

3.2.2 容差設計

高溫、常溫和低溫環境下，由于元器件參數特性發生漂移，前級元器件輸出信號在時間、幅度、功率等方面將有一定的變化范圍，后級元器件應能接收并正確識別前級元器件的具有一定的變化范圍輸出信號，從而保證裝備在各種溫度環境下正常工作。

3.2.3 熱設計

裝備中使用的元器件不同程度地損耗電能，并將電能轉化成熱能，該熱能將導致元器件溫度上升，并使元器件電參數發生變化，最終影響裝備的電性能。裝備研制過程中需開展如下各項熱設計措施：

·開展裝備熱分析工作，了解、掌握各分機的功耗和熱容量，并據此開展有針對性的熱設計工作；

·針對功耗和熱容量較小的分機，采用自然環境冷卻設計方式，機箱表面結構應采用易于散熱的結構方式（例如暖器片結構形式）；

·各功能模塊的印制板應采用表面表貼金屬冷板的設計方式，元器件通過導熱絕緣膠與冷板緊密連接，確保元器件產生的熱量通過冷板傳導到機箱；

·功能模塊的安裝方式應實現金屬冷板與機箱最大面積的接觸，以利于熱量通過冷板傳導到機箱；

·功能模塊設計中，應合理布置熱容量較大的元器件，不應使其排布過于集中而不利于散熱，而使局部過熱，導致材料變形較大造成裝備故障。

3.3 抗振動環境的應對措施

為保證裝備在規定的振動環境下正常工作，一般采用減振和抗振兩種設計措施。兩種設計措施可分別使用或同時使用。

3.3.1 減振設計

通過某種設計措施降低振源傳導到產品上的振動強度的設計方法為減振設計。減振設計一般應用于惡劣的振動環境（惡劣環境減振設計與抗振設計措施應同時采用），主要有如下兩種設計措施：

·通用設計方法是通過在振源與產品之間加裝減振器實現，該種設計措施的使用一般受裝備安裝空間的限制較大；

·在振源與產品之間加裝減振材料，該種材料通過吸收一定的振動強度來降低傳導到產品的振動強度實現，該種設計措施一般受裝備安裝空間的限制較小。

3.3.2 抗振設計

不降低振源傳導到產品上的振動強度，而通過加固產品的方式提高產品抗振強度的設計方法為抗振設計。抗振設計一般應用于相對較好振動環境中，主要有如下幾種設計措施：

·印制板設計一般應采用印制板＋冷板的設計形式，主要作用是增加印制板的結構強度、抗振強度和散熱能力；

·應合理排布元器件，對體積、重量較大的元器件應合理分布，盡可能降低該類元器件和印制板模塊的重心；

·元器件安裝（主要是集成電路）應通過導熱絕緣膠與冷板表面連接，主要作用是增強元器件耐振動強度，同時提高元器件散熱能力；

·元器件點封應能提高元器件耐振動能力，體積較大的元器件應通過點封膠與冷板表面連接并實現固定。點封膠應點封于元器件主體部分（在振動過程，元器件對振動的響應是元器件主體部分，而非元器件管腳），以增強元器件抗振動能力。

4 結語

近年我國裝備研制實踐表明，在裝備方案階段、研制階段及生產過程中，全面開展質量控制與管理，開展一體化設計和可靠性設計工作，注重可靠性分析工作對裝備設計的指導，可以有效降低環境應力對裝備質量的影響，并全面提高裝備質量。

[1]陸江艷.電子對抗裝備例行試驗項目的選擇及應用[J].電子產品可靠性與環境試驗2008，5：26－155.

[2]殷世龍.武器裝備研制工程管理與監督[M].北京：國防工業出版社，2012.

[3]GJB450－88.裝備研制與生產的可靠性通用大綱[S].

[4]GJB813－1990.可靠性模型的建立和可靠性預計[S].

[5]楊志飛，李平.以故障為核心的工程可靠性[M].北京：國防工業出版社，1995.

[6]夏泓，鄭鵬周.電子元器件失效分析及應用[M].北京：國防工業出版社，1998.

[7]易當祥.自行火炮行動系統疲勞斷裂可靠性分析與仿真研究[D].西安：西北工業大學，2005.

[8]熊光楞，彭毅先.可靠性設計與仿真環境[M].北京：國防工業出版社，1997.