海軍機載電子產品(電子方艙)的可靠性設計與仿真試驗*

羅 銳

(海軍裝備部西安軍事代表局 西安 710054)

?

海軍機載電子產品(電子方艙)的可靠性設計與仿真試驗*

羅 銳

(海軍裝備部西安軍事代表局 西安 710054)

可靠性貫穿于機載電子產品的整個壽命周期,從產品的設計、制造到安裝、使用、維護的各個階段都存在著可靠性的問題。抓好機載電子產品的可靠性設計是重中之重,必須嚴肅認真對待,為產品固有可靠性奠定基礎。

電子產品; 可靠性

Class Number TN97

1 引言

由于海軍機載電子產品的特殊性,在海上常常會遇到各種復雜的環境因素,如:高溫、高濕、低氣壓、有害氣體、霉菌、沖擊、振動、輻射、電磁干擾等。這些環境因素的存在,都將大大影響機載電子產品的可靠性。只有通過可靠性設計與可靠性試驗,充分考慮電子產品在使用過程中可能遇到的各種環境條件,采取耐環境設計和電磁兼容性設計等各項措施,才能保證機載電子產品在規定環境條件下的可靠性。本文就海軍機載電子產品的可靠性設計、機載電子方艙的可靠性試驗等,作進一步的研究和探討[1]。

2 可靠性設計

機載電子產品的可靠性設計主要包括:元器件選用與降額設計、熱設計、電磁兼容性設計、漂移設計、三防設計、冗余設計、維修性設計、人-機工程設計、印制電路板計算機輔助設計[2]。

2.1 元器件選用與降額設計

1) 元器件的選用原則。一是選用經過質量認證或認定,并經現場使用證明質量良好,可靠性高的通用元器件。二是必須根據不同電路的工作參數和整機的使用環境條件,選用能滿足這些要求的相應元器件,以充分發揮元器件應有的功能提高元器件的使用可靠性。

2) 元器件的降額設計。各種電子元器由于它們的材料、結構、設計和制造工藝等方面的原因,對外應力(包括電應力、熱應力等)都有一定的耐受強度。當外應力超過元器件本身的應力承受強度(即額定應力)時,元器件就會損壞。降額設計能提高元器件和設備的可靠性。這是因為絕大部分元器件的失效率隨著所施加的熱應力和電應力的降低而下降。

2.2 熱設計

電子元器件及電子設備的可靠性與溫度的關系極為密切。當環境溫度升高時,就會使晶體管內部材料的物理和化學反應的速率加快,從而使晶體管的性能參數(電流放大系數hfe、反向飽和電流Is和噪聲系數Nf等)隨溫度升高而產生漂移;額定功率降低,熱擊穿概率上升。溫度對電容器的可靠性也有極大影響,當使用溫度超過電容器的額定溫度時,溫度每提高10℃電容器的使用壽命將下降一半。熱設計的基本準則主要包括[2]:

1) 降低熱源。電子產品所消耗的功率絕大部分被轉化為熱能,故為了降低設備的溫升就應在保證設備完成規定功能的前提下,盡量降低設備的功耗。

2) 合理布局。把設備內的發熱元件均勻地分散于各個部位,防止設備內部出現局部過熱。

3) 采取有效的散熱措施。采取一定的傳熱疏導(傳導、對流和輻射)方式,把發熱體的熱量散發出去。

1) 傳導散熱。充分利用設備的各個部分(如結構件,印制板和引線等)作為傳導通路,對發熱量較高的大中功率管,可裝在散熱器上,讓發熱體的熱量先傳導至散熱器,再通過對流、輻射把熱量從散熱器傳至周圍環境。 2) 加強對流。合理設計通風孔,進風口和出風口應開在溫差最大的兩處。對自然通風的設備,進風口應開在設備的底部,出風口應盡量高,以形成較強的拔風效應。對功率較大的設備還應采用強迫風冷措施,以加強對流效果。 3) 減小輻射熱阻。擴大輻射面積,提高發熱體黑度。 4) 對熱敏元件隔熱。熱敏元件對溫度變化非常敏感,如晶體管、鐵氧體磁性元件、石英晶體、槽路電容等,在熱的影響下,或是電參數急劇變化使設備出現性能失效,或是元件失效率升高使設備故障增多。

2.3 電磁兼容性設計

電子設備或系統總是處在電磁環境中工作: 1) 自然界造成的電磁環境,如雷電、宇宙射線、地磁輻射等; 2) 周圍其他電子設備造成的電磁環境,如家用電器、工業電器、儀器設備、雷達、發射臺、輸電網等; 3) 自身造成的電磁環境,如變壓器、揚聲器、電路的非線性失真、本振輻射、自激振蕩及各種信號饋線等形成的電場、磁場、電磁場環境等。設備處在這些電磁環境中,將會受到電、磁或電磁的干擾。電磁干擾的途徑一般有傳導、近場感應和遠場輻射三種方式。

電磁兼容性設計主要包括:抑制干擾源、切斷傳遞途徑。

1) 抑制干擾源。減少變壓器漏磁、減少無用輻射、減少非線性失真、抑制自激等。

2) 切斷傳遞途徑。對于變壓器的漏磁和高頻電路的輻射干擾,多采用屏蔽的方法以切斷干擾的傳遞。對容易受外來電、磁干擾的儀器設備,也可采用機殼屏蔽。

2.4 漂移設計

電子元器件的性能參數在應力作用下或在貯存條件下將隨時間而發生緩慢的變化,如果參數變化到一定限度,使設備或系統不能完成規定的功能,則發生漂移失效。因此在設計階段就要考慮到參數的漂移,要分析哪些元器件對設備性能的影響最敏感,并要了解各種元器件的參數漂移特性。設計電路時,選取怎樣的參數組合能使電路性能最穩定,要考慮在設備的任務周期內應取怎樣的允許差才不致于出現漂移失效,而又最為經濟合理等。

漂移設計的常用設計技術和方法有:均方根偏差設計法、最壞情況設計法、蒙特卡羅法和正交優化法等。

2.5 三防設計

三防指的是防潮濕、防鹽霧、防霉菌。潮濕、鹽霧和霉菌對電子設備有很大影響,它們會使機內凝聚水汽,降低絕緣電阻,元件的介電常數和介質損耗增大、塑料變形、金屬腐蝕、材料變質,使所有有機材料和部分無機材料受到霉菌的侵蝕而降低強度,從而使設備的壽命和可靠性受到影響。

1) 防潮。滲水處理;浸漬處理;灌封處理;塑料封裝;金屬封裝。

3) 防霉菌。密封;放置干燥劑;控制大氣條件,降低環境相對濕度;選用不易長霉的材料;紫外線輻照;表面涂敷防霉劑、防霉漆;在密封設備中充以高濃度臭氧滅菌。

2.6 冗余設計

冗余設計是為完成規定的功能而額外附加所需的裝置或手段,即使其中某一部分出現了故障,但作為整體仍能正常工作的一種設計。冗余設計主要包括:并聯裝置、串并聯或并串聯混合裝置、多數表決裝置、等待裝置等。這種設計技術通常應用在比較重要,而且對安全性及經濟性要求較高的場合,如鍋爐的控制系統、程控交換系統、飛行器的控制系統等。

2.7 維修性設計

維修性設計應該充分考慮維修時易裝易拆;維修工具可靠;易檢查易校正易恢復;互換性好;安全、經濟、快速等。

2.8 人-機工程設計

人-機工程設計的基本任務,就是根據人體特性和人-機系統的關系,確定需要完成的操作,并恰當地分配給入和機器,使兩者協調地工作,達到高效、經濟、安全、省力和操作方便而可靠的目的。

2.9 印制電路板計算機輔助設計

以此為線索，筆者對《十日談》中70個帶有女性角色的故事進行梳理，最終確定女性形象最具代表性的30個故事。表1是所做整體分析的一個節選。以文本維度為基準，進行“由外到內，由社會到個人”的三組跨維度比較：第一，是文本與社會的平行比較，分析《十日談》中女性角色的選取是否與社會現實差別過大，承載了作者的過度偏見；第二，是文內的平行比較，意在考察“愛情”和“智慧”兩大主題是否貫穿了所有女性為主角的故事；第三，是作者意圖的解析，判斷女性正、負面角色如何劃分以及女性角色結局如何。結論如下：

采用把電路、數據直接輸入計算機系統,自動進行印制線路板線路布線。然后,由筆繪圖儀繪制成套工藝圖紙,由光繪圖儀繪制印制板所需的成套照相底片,同時,還能掃印輸出元器件清單等。

3 機載電子方艙的仿真試驗

機載電子方艙采用專業的電子設備熱分析軟件Icepak對方艙進行建模、分析,可以驗證熱設計方案的正確性和可行性,節約成本的同時大大提高效率[4]。

3.1 系統建模

機載電子方艙艙內熱負荷主要有工作人員散熱量、電子設備散熱量、照明發熱量等幾項,其中電子設備的發熱量是艙內熱負荷最主要的來源。方艙環控系統由空調、軸流風機組成[5]。

該電子方艙系統的散熱及降溫措施有:在設備艙中設置進、排風口,提供艙內人員的新鮮空氣需要量及艙內外的換熱;方艙前壁安裝一臺整體式空調,送風風道布置到大功率設備。在電控機柜兩側面板開設進風百葉網孔,對功放電源等高溫部件進行強制風冷;機柜以及顯控臺材料為鋼型材和鋁型材,艙內流體為空氣。

1) 通過對流傳熱實現艙內流體與外界的有效交換,調節艙內環境溫度;

2) 熱源主要考慮電子設備的生熱;

3) 方艙壁為絕熱狀態,方艙通過兩個通風口與外界完成熱量交換。

3.2 傳熱類型分析[6]

1) 傳導。方艙內部熱傳導包括元件與印制板、器件與安裝結構件、設備與機柜之間的傳熱;設備內外部、方艙內外部溫度差引起的熱量傳遞;其他物體直接接觸形成的熱傳遞。

2) 對流換熱。方艙內部對流換熱包括設備的強制風冷散熱、方艙的內外部空氣交換、空調的艙內外換熱及其他由于空氣流過固定表面且溫度不同所產生的熱量交換。

3) 輻射換熱。方艙內部的輻射換熱包括設備之間由于溫度不同引起的輻射換熱,另外方艙艙壁受太陽輻射吸收熱量而使艙壁溫度相對于氣溫更高。

3.3 傳熱問題分析

方艙后部是散熱量大的電源機柜,在機柜上部熱量容易累計使溫度迅速升高,降低了設備的可靠性。如果通過加大整體式空調制冷功率來降溫的方式,會使人員工作區域的區域流場速度增大,降低了人員的舒適性,這里采用的方法是把進、排風口設置在方艙后部上角兩側,把機柜上部累計的熱量排到艙外。進、排風口的熱阻過小會使艙內風道部分短路,熱阻過大會使熱量累計。因此對進、排風口的位置和熱阻進行了優化設計[7]。

3.4 仿真分析

從系統角度考慮,艙內空氣的流動與換熱應在滿足設備通風冷卻基本性能要求同時,最大程度改善操作人員的熱舒適性。因此,艙內熱環境的衡量,應兼顧兩方面的指標:設備的熱可靠性與人員的熱舒適性[8]。

1) 熱分析模型。定義整個系統的熱計算區域,在Icepak中將方艙設定為cabinet,功率模塊設定為sources,機柜和操控臺的百葉通風口設定為openings,機柜和操控臺的框架設定為wall,模型的網格劃分采用自適應智能劃分方法,單元網格類型為Mesher-HD。

2) 仿真參數設定。根據Icepak軟件估算的Rayleigh數,Prandtl數0,設置模型的流態為湍流,并采用零方程模型,同時求解流場和溫度場,方艙內部和外部流體為空氣,外部大氣溫度20℃,設置解算器求解迭代步數200步,松弛因子壓力項和動量項分別采用0.3和0.7,收斂容差為0.001和1×10-7,求解達到穩定時的溫度場。

3.5 仿真結果

經仿真計算,在設定環境溫度55℃下,艙內最高溫度點出現在設備熱源處,為45.1℃,低于電子設備的設計容許溫度85℃。考慮到模型仿真的顆粒度,可以初步認為,即使相關標準規定的極限環境溫度下,環控系統仍能夠有效調節艙內溫度,艙內熱環境基本可以滿足任務系統電子設備正常工作要求[9]。

為考量艙內人員的工作熱舒適性,分析艙內人員活動區域的溫度與氣流速度,人員操控區域剖面的溫度場與速度場分布。

從仿真結果看,該機載艙內仿真人員活動區域內的溫度與氣流速度分布比較均勻,與艙內設備的總體布局設計合理,整體式空調選型合理,對進、排風口的位置和熱阻進行的優化設計合理。

通過對方艙內的熱環境進行仿真分析,證實總體設計方案可滿足艙內電子設備正常工作的溫度要求和操作人員的舒適性要求。但冷氣流路設計和風機選型還應進一步優化,實現冷氣流量的合理分配,提高電子設備溫度分布的均勻性,提高系統的工作可靠性。對于高度集成的方艙系統,艙內熱環境的調節直接關系到系統工作的可靠性,在系統總體設計過程中尤為重要,應當予以充分重視。

4 結語

可靠性貫穿于機載電子產品的整個壽命周期,從產品的設計、制造到安裝、使用、維護的各個階段都存在著可靠性的問題。抓好機載電子產品的可靠性設計和試驗的質量監督和管理工作,是一項重要職責,必須嚴肅認真對待,確保出廠的機載電子產品件件質量高、功能全、性能好、可靠性高[10]。

[1] 劉柳,周林,邵將.基于數字化樣機的電子產品可靠性設計分析方法[J].電光與控制,2014,21(9):99-103.

[2] 張蕊,汪凱蔚,沈崢嶸.高可靠電子設備可靠性仿真試驗技術應用研究[J].電子產品可靠性與環境試驗,2012,30(6):13-19.

[3] 白秀茹.典型的密封式電子設備結構熱設計研究[J].電子機械工程,2002,18(4):36-38.

[4] 王麗.大功率電子設備結構熱設計研究[J].無線電工程,2009,39(1):61-64.

[5] 梅源.高頻箱環境控制方法研究[J].電子機械工程,2010,26(2):30-32.

[6] 楊會越.雷達方艙的布局設計探討[J].電子機械工程,2008,24(6):14-17.

[7] 余建祖.電子設備熱設計及分析技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2000.

[8] 李雨,魏強.方艙艙內熱環境仿真分析[J].電子機械工程,2010,26(4):8-9,21.

[9] 陳潔茹,朱敏波,齊穎.Icepak在電子設備熱設計中的應用[J].電子機械工程,2005,21(1):14-16.

[10] 薛軍,孫寶玉,劉巨,等.熱分析技術在電子設備熱設計中的應用[J].長春工業大學學報:自然科學版,2007,28(2):176-199.

Reliability Design and Simulation Test of Navy Airborne Electronic Products(Electronic Fang Cang)

LUO Rui

(Xi’an Military Agent’s Bureau of Naval Armament Department, Xi’an 710054)

Reliability airborne electronic products throughout the entire life cycle from product design, manufacturing, to every stage of installation, use and maintenance of the existence of reliability problem. Grasp the reliability design of airborne electronic products is the most important, must be treated seriously, lay the foundation for product reliability.

electronic product, reliability

2014年10月7日,

2014年11月28日

羅銳,男,碩士,工程師,研究方向:航空儀表。

TN97

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.004