基于失效物理的水下航行器電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)和近似建模方法

孫旭朋，白樺

（北京圣濤平試驗(yàn)工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，北京 100089）

引言

水下航行器設(shè)計(jì)型式繁多，技術(shù)密集度高，屬于公認(rèn)的高技術(shù)領(lǐng)域，是當(dāng)今世界各國(guó)研究工作的熱點(diǎn)。如今隨著人工智能、計(jì)算機(jī)與微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，水下航行器向著尺寸小、重量輕、造價(jià)低、集成化、模塊化的目標(biāo)前進(jìn)。小型水下航行器體積小、重量輕，便于存儲(chǔ)、布放和回收，具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、活動(dòng)范圍大、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等諸多優(yōu)勢(shì)[1,2]。在軍事上，隨著近代高新技術(shù)的飛躍發(fā)展，水下武器裝備已經(jīng)融合了火箭、魚(yú)雷、導(dǎo)彈、現(xiàn)代信息技術(shù)，具備自航、自導(dǎo)等功能[3]。

由于水下航行器信息化發(fā)展，其攜帶了大量電子設(shè)備，其可靠性由于所處的特殊環(huán)境將面臨波浪、海流、泥沙、鹽霧等影響。電子設(shè)備可靠性模型和預(yù)計(jì)是相對(duì)較新的學(xué)科，誕生于第二次世界大戰(zhàn)中，應(yīng)對(duì)復(fù)雜的電子設(shè)備高失效率時(shí)，可靠性才作為一個(gè)學(xué)科進(jìn)行研究。在上個(gè)世紀(jì)八十年代以前，指數(shù)分布或常失效率模型作為唯一可用的電子元器件可靠性預(yù)計(jì)模型，其代表是美國(guó)國(guó)防部發(fā)布的MIL-HDBK-217[4]，此外GJB 299[5]等可靠性預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也采用同樣的模型。在MIL-HDBK-217基礎(chǔ)上，發(fā)展了其它的預(yù)計(jì)方法，如通信領(lǐng)域的Telcordia SR-332[6]，民用設(shè)備的RDF-93和RDF-2000[7]，航空和軍用領(lǐng)域的FIDES guide 2009[8]等可靠性模型。本文基于FIDES模型，該模型為基于失效物理的可靠性模型，統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)電子設(shè)備可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)，同時(shí)，該模型中的應(yīng)力加速模型除溫度應(yīng)力和電應(yīng)力外，還采用機(jī)械應(yīng)力、溫濕度、溫度循環(huán)等應(yīng)力加速模型，結(jié)合綜合應(yīng)力剖面建立，可以更精確的反映電子設(shè)備壽命周期內(nèi)環(huán)境應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響。

1 可靠性仿真設(shè)計(jì)及結(jié)果

1.1 基于失效物理的可靠性仿真方法

采用文獻(xiàn)[8]中的基于失效物理的可靠性方法進(jìn)行可靠性仿真。其中溫度加速模型采用Arrhenius模型，溫循應(yīng)力采用Norris-Landzberg模型、濕度應(yīng)力采用Peck模型、機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力采用Basquin模型、電應(yīng)力采用與溫度應(yīng)力聯(lián)合的電壓降額指數(shù)模型。化學(xué)應(yīng)力主要考慮鹽霧等污染水平的強(qiáng)弱進(jìn)行影響分級(jí)的方法進(jìn)行考慮。

1.2 研究對(duì)象

該電子設(shè)備為水下航行器控制計(jì)算機(jī)，用于進(jìn)行多信號(hào)識(shí)別和綜合判斷，由CPU、存儲(chǔ)器、FPGA、譯碼器等集成電路、連接器、電阻、電容、二極管等453個(gè)器件組成。

1.3 任務(wù)環(huán)境

針對(duì)計(jì)算機(jī)板進(jìn)行電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)分析，在日歷壽命8760小時(shí)和開(kāi)機(jī)狀態(tài)下，針對(duì)功率、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、溫差、循環(huán)次數(shù)、循環(huán)持續(xù)時(shí)間、隨機(jī)振動(dòng)、鹽霧污染水平、環(huán)境污染水平、使用污染水平等10個(gè)環(huán)境因素對(duì)可靠性失效率影響進(jìn)行分析。結(jié)合該設(shè)備實(shí)際使用環(huán)境，該設(shè)備任務(wù)環(huán)境剖面應(yīng)力范圍如表1所示。

1.4 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次仿真試驗(yàn)的設(shè)計(jì)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[9]。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是指研究多因素多水平的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備均勻分散，齊整可比的特點(diǎn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是分式析因設(shè)計(jì)的主要方法。當(dāng)試驗(yàn)涉及的因素在3個(gè)或3個(gè)以上，而且因素間可能有交互作用時(shí)，試驗(yàn)工作量就會(huì)變得很大，甚至難以實(shí)施。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的主要工具是正交表，試驗(yàn)可根據(jù)試驗(yàn)的因素?cái)?shù)、因素的水平數(shù)以及是否具有交互作用等需求查找相應(yīng)的正交表，再依托正交表的正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)以最少的試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到與大量全面試驗(yàn)等效的結(jié)果。結(jié)合應(yīng)力范圍，設(shè)計(jì)了不同影響因素的應(yīng)力水平，如表2所示。

表1 任務(wù)剖面環(huán)境應(yīng)力水平

表2 仿真試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)水平設(shè)計(jì)

同時(shí)對(duì)于10因素一階響應(yīng)面建模需11組數(shù)據(jù)、二階響應(yīng)面建模需66組以上數(shù)據(jù)。為了滿足10因素不同類型響應(yīng)面建模，共設(shè)計(jì)76組仿真試驗(yàn)條件。

1.5 仿真結(jié)果

通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)不同環(huán)境應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行拉偏，該失效物理方法可以分類出各影響因素和熱、熱循環(huán)、機(jī)械、熱電等不同失效機(jī)理下引起的失效率，可靠性仿真結(jié)果如圖1所示。可以看出引起失效率大的失效機(jī)理主要為熱和機(jī)械應(yīng)力。

2 可靠性近似建模及分析

2.1 近似建模方法

近似建模方法是通過(guò)數(shù)學(xué)模型的方法逼近輸入量與輸出量的方法。在可靠性預(yù)計(jì)中，由于計(jì)算參數(shù)多且復(fù)雜，為了快速評(píng)價(jià)不同環(huán)境對(duì)可靠性的影響，有必要在失效物理模型基礎(chǔ)上進(jìn)行近似建模，提高可靠性仿真效率，促進(jìn)優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)。主要的近似模型有：（1）響應(yīng)面模型，（2）Kriging模型，（3）徑向基模型，（4）正交多項(xiàng)式模型等[10]。其中公式（1）為一階響應(yīng)面模型，公式（2）為二階響應(yīng)面模型。

Kriging（克里格）又稱空間局部插值法，以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對(duì)區(qū)域化變量進(jìn)行無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法。徑向基模型為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，正交多項(xiàng)式模型為切比雪夫多項(xiàng)式回歸擬合。

本文采用響應(yīng)面和Kriging近似模型進(jìn)行環(huán)境因素對(duì)可靠性影響的對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)以上四種方法的擬合誤差進(jìn)行了對(duì)比。

圖1 76組不同條件下可靠性仿真結(jié)果

圖2 不同近似建模方法溫度對(duì)失效率影響

圖3 不同近似建模方法溫差對(duì)失效率影響

圖4 不同近似建模方法振動(dòng)對(duì)失效率

2.2 不同近似建模影響趨勢(shì)分析

從圖2～4中各不同近似建模方法各單因素對(duì)失效率影響分析圖可以看出，一階響應(yīng)面1階模型分析的趨勢(shì)居中、二階響應(yīng)面模型分析的趨勢(shì)最保守、kriging趨勢(shì)最小。

不同近似模型環(huán)境影響因素對(duì)失效率的影響如圖2、圖3、圖4所示，可以看出一階響應(yīng)面模型為線性關(guān)系，其它兩個(gè)模型為非線性模型。

從圖2、圖3可以看出溫度和溫差對(duì)失效率影響，二階響應(yīng)面模型保守，一階響應(yīng)面居中，kriging較小。但振動(dòng)對(duì)失效率影響當(dāng)振動(dòng)量級(jí)大于2.5 grm時(shí)，kriging模型趨勢(shì)超過(guò)其它兩個(gè)模型。

2.3 建模誤差分析

在功率（額定功率百分比）80 %，環(huán)境溫度26 ℃，相對(duì)濕度90 %，溫差15 ℃，年循環(huán)365次，循環(huán)持續(xù)時(shí)間12 h，隨機(jī)振動(dòng)2 grm，鹽霧污染高等統(tǒng)一條件下，按照各自近似建模獲得的模型對(duì)比分析其誤差，如表3所示。對(duì)比分析的近似建模包括Kriging的高斯、指數(shù)、線性、立方等模型，響應(yīng)面一階、二階模型，徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和正交多項(xiàng)式模型，可以看出二階響應(yīng)面模型誤差最小。

表3 近似建模誤差

3 結(jié)論

本文針對(duì)水下航行器電子設(shè)備采用基于失效物理的可靠性方法進(jìn)行了溫度、相對(duì)濕度、溫升、振動(dòng)、功耗等10因素影響可靠性正交試驗(yàn)仿真，結(jié)合仿真結(jié)果進(jìn)行了4種近似建模方法對(duì)比。可以獲得以下結(jié)論。

1）基于失效物理的可靠性預(yù)計(jì)方法在不同應(yīng)力條件下可靠性結(jié)果不同，反映了其失效物理特性。

2）二階響應(yīng)面模型相對(duì)kriging模型可靠性結(jié)果較保守。

3）二階響應(yīng)面模型相對(duì)本文提到的近似模型，擬合誤差最小。在誤差接收范圍內(nèi)，可利用該方法建立電子設(shè)備在各環(huán)境影響下的可靠性模型，快速評(píng)估各環(huán)境對(duì)可靠性的影響，促進(jìn)產(chǎn)品優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)。