魚雷電子系統可靠性分析軟件總體架構研究

徐楓

【摘 要】現代魚雷組成復雜，電子系統占全雷比重越來越大，元器件數量達到數萬個，使得其可靠性已經成為制約魚雷整體可靠性提升的瓶頸。本文針對魚雷電子產品可靠性自動分析的實際需求，詳細分析了可靠性自動分析軟件的總體設想、功能要求、軟件設計方法及相關數據庫的設計方法等關鍵要素。提出了在設計人員常用的電子產品輔助設計程序protel基礎上，開發電子產品元器件庫和自動分析程序的總體結構。

【關鍵詞】可靠性 分析 軟件 研究

1需求

現代魚雷組成復雜，電子系統占全雷比重越來越大，元器件數量達到數萬個，使得其可靠性已經成為制約魚雷整體可靠性提升的瓶頸。傳統電子系統可靠性設計是采用人工方法，按元器件分類、等級、環境應力、應力狀態等計算失效率進行可靠性預計，計算量大、精確度低、可檢查性差，迫切需要一種可靠性自動分析軟件，真正做到可靠性設計與產品功能、性能設計同步進行，不斷優化。

2目標

可靠性分析軟件是在輔助設計程序protel基礎上，采取開發自動分析程序、建立元器件參數庫等方法，進行電子產品部件、組件、系統及全雷可靠性指標預計；針對元器件不同質量等級、使用環境、工作應力等條件進行可靠性仿真，為合理選擇和使用元器件提供依據。

3構架及功能

3.1 基本框架

總體基本框架由“魚雷器件使用條件及參數（工作溫度、時間、環境系數、電應力比等）”、“電子CAD軟件”、“元器件、組部件、系統及全雷可靠性、維修性模型”、“元器件失效率數據庫”、“維修時間數據庫”及“用戶界面及可靠性模型窗口”等6部分組成，其中后4項目是需要開發和設計的部分。用戶設定產品可靠性連接方式及所用元器件工作參數（如：器件類別、工作溫度、工作時間、環境系數、電應力等），選擇適當模型，軟件直接根據使用條件及參數調用元器件失效率數據庫，預計其可靠性指標，為電子產品設計提供及時有效的決策依據。

3.2 主要功能

（1）假設模擬功能：應能模擬各種假設，如設定使用環境后，產品可靠度如何，可以用來對有選擇性的設計進行驗證和分析。（2）基本可靠度和基本MTBF計算功能：把系統模型中所有冗余電路當做嚴格的串聯關系，利于綜合考慮維修、保障和成本對可靠性的影響。（3）任務可靠性和任務MTBF計算功能：考慮包括冗余部件在內的電子產品所有可靠性模型，真實反映可靠性能力。（4）冗余電路設計功能：軟件不僅能對可靠性串聯方式進行計算，而且能對并聯方式、N中取K方式、和儲備方式等冗余系統進行可靠性預計。（5）自定義數據庫及數據調用、修改功能：用戶可添加非標準庫中的元器件及參數，對已建立的數據庫，在不符合魚雷特定條件時可以修改并加以調用。

4建模方法

軟件采用層次化計算模式，即把產品的可靠性模型分為四層（元器件級、組部件級、系統級和全雷級），當給出了元器件各種參數后分析軟件就可以預計出可靠性指標，如此逐級向上直到預計出全雷可靠性指標。一般設計原則如下：

（1）導線和連接器單獨放入一個方框或作為另一個單元或功能的一部分。（2）產品所有輸入應在有關規范規定的極限內。（3）就失效率來說，由一個方框表示的每一個單元或功能的失效概率是相互獨立的。（4）可靠性模型中所有單元的壽命均服從故障率為常數的指數分布，串聯模型系統可靠度為：；并聯模型系統可靠度為： ；n中取r模型系統可靠度為： 。

5可靠性預計方法

5.1 傳統計數法

適用于論證階段，利用已有經驗和預測，估算擬使用元器件類型和數量，確定單元故障率，單元失效率為：

其中：λGi為第i種元器件的通用故障率；πQi 為第i種元器件的質量系數；Ni為第i種元器件的數量；n為所用元器件種類數目。

5.2 傳統應力分析法

適用于設計階段，魚雷常用的元器件涉及到電阻、電容、電感、繼電器、印制版和焊點、連接器、集成電路等器件，失效率計算因器件種類而不同，如電阻失效率為：

其中，λP為電阻的工作失效率；πE為環境系數；πQ為質量系數；λb為電阻的基本失效率。

應力分析法復雜、涉及參數多，但能精確反映產品所處的工作環境。

5.3軟件實現可靠性指標計算步驟

全雷可分為元器件、組部件、系統級、全雷等四級，不同級別選用相應可靠性模型，由小到大、由下到上逐級計算組部件、系統、全雷的可靠性指標。

（1）在元器件與組部件層次上通常采用串聯模型，使用應力分析法。用戶輸入各種元器件參數、環境溫度、電應力比等信息，軟件進行數據庫調用，計算出組部件可靠性指標。（2）在組部件與系統的層次上通常應考慮產品冗余設計（并聯或n中取r等），根據全雷功能流程、時序信號、流程關系，先期策劃而實施，如停車、深度敏感、線導斷線轉自導、反艦模式（尾流與被動自導）等，均應貫徹冗余設計思想。分析人員只需將相互關系設置好，分析軟件便可以進行冗余設計。（3）在系統與全雷層次上通常采用串聯模型，分析軟件可以很快計算出產品可靠性指標。（4）可靠性指標計算離不開失效率等數據庫的基礎支撐。通過多年來大量可靠性試驗，積累了可靠性信息與數據，并形成了標準，具有權威性，軟件應嚴格按照其所提供的數據進行元器件失效率數據庫錄入，魚雷上使用的特殊元器件可補充錄入。當用戶選擇元器件后，軟件可以根據用戶輸入的參數自動進行數據調用，進行可靠性計算。

6結語

從魚雷電子產品可靠性自動分析軟件的設計思路和總體框架，可以得出如下直接結論：

（1）分析軟件可以將電子產品設計過程中涉及可靠性的設計變得簡單易行，設計人員可以更注重多方案的比較，提高產品的可靠性設計水平。（2）分析軟件可以提高設計過程可靠性指標預計的準確性和可檢查性。（3）分析軟件所需的數據基本參數和模型均已有很好的基礎，魚雷行業設計單位急需這樣的自動分析軟件。

參考文獻：

[1] 美國國家科學出版社.美國水中兵器科學與技術評估，2000.

[2] 陸廷孝，鄭鵬洲.可靠性設計與分析.國防工業出版社，1997.

[3] 甘茂治，吳真真.維修性設計與驗證.國防工業出版社，1996.