艦載直升機(jī)機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法

張令波 曾晨暉

（1．海軍裝備部飛機(jī)辦，北京 100071；2.中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

1 概述

艦載直升機(jī)需要在長期遠(yuǎn)離基地、復(fù)雜海洋環(huán)境下，具備較高的戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功率，關(guān)鍵之一是要具備高可靠性的機(jī)載電子設(shè)備。因此在研制中必須高度重視機(jī)載電子設(shè)備可靠性工作，提升可靠性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的水平，需要在現(xiàn)有可靠性工作方法的基礎(chǔ)上，引入新的思路、新的方法。

本文針對(duì)機(jī)載電子設(shè)備高可靠性設(shè)計(jì)提出了“做實(shí)傳統(tǒng)方法、引入先進(jìn)技術(shù)”的理念和方法；針對(duì)高可靠性驗(yàn)證提出了“以可靠性綜合評(píng)價(jià)為主線，加強(qiáng)傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)工作，引入先進(jìn)可靠性試驗(yàn)技術(shù)”的理念和方法。

2 艦載直升機(jī)機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

目前國內(nèi)外的可靠性技術(shù)主要分為兩大類，即基于概率統(tǒng)計(jì)的傳統(tǒng)可靠性技術(shù)和基于故障物理的現(xiàn)代可靠性技術(shù)。傳統(tǒng)可靠性技術(shù)主要依靠邏輯分析和失效率統(tǒng)計(jì)，要提高產(chǎn)品的可靠性水平，只能通過改變外部環(huán)境和無限提高元器件、零部件可靠性水平，工程上難以實(shí)現(xiàn)。而基于故障物理的可靠性技術(shù)則是通過對(duì)產(chǎn)生失效的根本原因做分析，針對(duì)性的利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、布局優(yōu)化、器件更換等手段，達(dá)到現(xiàn)有條件下的最佳設(shè)計(jì)。

針對(duì)艦載直升機(jī)機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性要求高的特點(diǎn)，結(jié)合兩種可靠性技術(shù)特長，提出“做實(shí)傳統(tǒng)方法、引入先進(jìn)技術(shù)”的理念，指導(dǎo)思想如下：

將傳統(tǒng)可靠性工作項(xiàng)目做細(xì)做實(shí)，重點(diǎn)落實(shí)適用于電子產(chǎn)品的關(guān)鍵性傳統(tǒng)工作項(xiàng)目，確保其實(shí)施效果；

針對(duì)可靠性薄弱和功能關(guān)鍵設(shè)備，采用基于故障物理的可靠性仿真試驗(yàn)等新技術(shù)，更準(zhǔn)確的找出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，并采取針對(duì)性的糾正措施增強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性。

3 艦載直升機(jī)機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)方法

3.1 傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)工作方法

從“滿足型號(hào)需求，解決工程問題”的根本目的出發(fā)，根據(jù)機(jī)載電子產(chǎn)品的實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)GJB 450A–2004進(jìn)行剪裁，選擇并應(yīng)用手段成熟、目標(biāo)明確的可靠性設(shè)計(jì)方法。常用的傳統(tǒng)可行設(shè)計(jì)方法主要包括：可靠性建模、可靠性分配、可靠性預(yù)計(jì)、故障模式影響及危害性分析（FMECA）、可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的制定和實(shí)施、故障樹分析（FTA）、潛在分析（SCA）、電路容差分析以及元器件選擇與控制等。

3.2 基于故障物理的可靠性設(shè)計(jì)方法

基于故障物理的可靠性方法是一種“事前分析”方法，即通過對(duì)產(chǎn)品失效模式、位置、機(jī)理及發(fā)生過程的研究，確定失效的根源，提出預(yù)防措施；通過健壯設(shè)計(jì)預(yù)防產(chǎn)品失效，生產(chǎn)出具有較高“內(nèi)建可靠性”的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)“可靠性是設(shè)計(jì)出來的”的目標(biāo)。

故障物理方法應(yīng)用于工程實(shí)踐最有效的途徑是與仿真技術(shù)相結(jié)合，形成基于故障物理的“可靠性仿真試驗(yàn)方法”。即基于故障物理原理和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，以計(jì)算機(jī)仿真軟件和高性能計(jì)算機(jī)為工具，利用全數(shù)字模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬的可靠性試驗(yàn)，定量的預(yù)計(jì)產(chǎn)品的可靠性，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)并采取改進(jìn)措施?；诠收衔锢淼目煽啃苑抡嬖囼?yàn)方法能夠在產(chǎn)品研制階段并行分析和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的健壯性和可靠性，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)早期階段消除故障源、提高健壯性、減少試驗(yàn)量、縮短開發(fā)周期，進(jìn)而提高武器裝備可靠性的目的。

可靠性仿真試驗(yàn)可以為設(shè)計(jì)主流程提供產(chǎn)品應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)、可靠性薄弱環(huán)節(jié)及可靠性預(yù)計(jì)值（或可靠性虛擬試驗(yàn)評(píng)估值）等，從而為可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化（主要是消除可靠性薄弱環(huán)節(jié)、降低器件失效率等）提供輸入。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，通過“建模仿真——設(shè)計(jì)優(yōu)化——模型改進(jìn)”的迭代，實(shí)現(xiàn)高可靠性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其基本流程如圖1所示。

3.3 有機(jī)結(jié)合傳統(tǒng)方法與基于故障物理方法提高產(chǎn)品可靠性

工程上要提高電子產(chǎn)品的可靠性主要有3條途徑：選擇更高質(zhì)量等級(jí)的元器件；改善產(chǎn)品所處平臺(tái)的環(huán)境條件；以可靠性為中心的設(shè)計(jì)優(yōu)化。限于目前的元器件采購渠道，以及相對(duì)嚴(yán)酷的艦載直升機(jī)平臺(tái)環(huán)境條件，難以通過前兩種途徑大幅提高產(chǎn)品可靠性。而引入可靠性仿真試驗(yàn)方法，通過確定產(chǎn)品的主要故障模式和機(jī)理，可以有針對(duì)性地消除或者延遲故障的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠性要求。

在艦載直升機(jī)機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)方法中應(yīng)有機(jī)結(jié)合傳統(tǒng)方法與故障物理方法，如圖2所示。

4 艦載直升機(jī)機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證指導(dǎo)思想

針對(duì)艦載直升機(jī)機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性指標(biāo)要求高的特點(diǎn)，應(yīng)在產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證中貫徹“以可靠性綜合評(píng)價(jià)為主線，加強(qiáng)傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)工作，引入先進(jìn)可靠性試驗(yàn)技術(shù)”的理念，綜合利用各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)載電子產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品研制過程中的可靠性水平的控制，確?？煽啃灾笜?biāo)高的機(jī)載產(chǎn)品能夠得到準(zhǔn)確的可靠性驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證的工作思路如下。

圖1 可靠性仿真試驗(yàn)基本流程圖

圖2 有機(jī)結(jié)合傳統(tǒng)方法與故障物理方法

在初樣和正樣階段開展關(guān)鍵設(shè)備的可靠性仿真試驗(yàn)；

在正樣階段開展關(guān)鍵設(shè)備的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)、可靠性加速試驗(yàn)、首飛前的可靠性增長摸底試驗(yàn)和科研試飛；

在定型階段開展系統(tǒng)模擬試驗(yàn)，收集定型試飛和小批試用數(shù)據(jù)；

在產(chǎn)品研制全過程開展可靠性綜合評(píng)價(jià)。

5 艦載直升機(jī)機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證工作方法

5.1 加強(qiáng)傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)工作

傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)工作主要包括：環(huán)境應(yīng)力篩選、首飛前可靠性摸底試驗(yàn)和系統(tǒng)可靠性鑒定試驗(yàn)。

5.1.1 環(huán)境應(yīng)力篩選

環(huán)境應(yīng)力篩選在GJB 1032–1990中的定義為：在電子產(chǎn)品上施加隨即振動(dòng)和溫度循環(huán)應(yīng)力，以鑒別和剔除產(chǎn)品工藝和元件引起的早期故障的一種工藝或方法，使產(chǎn)品的可靠性接近于設(shè)計(jì)的固有可靠性水平。

5.1.2 首飛前可靠性摸底試驗(yàn)

首飛前可靠性摸底試驗(yàn)采用綜合環(huán)境條件，模擬產(chǎn)品實(shí)際使用條件，要求在給定的時(shí)間內(nèi)不允許發(fā)生影響飛行安全和任務(wù)成功的故障，主要用于確保艦載直升機(jī)的首飛安全和任務(wù)成功。

5.1.3 系統(tǒng)可靠性鑒定試驗(yàn)

根據(jù)GJB 899–1990開展系統(tǒng)可靠性鑒定試驗(yàn)。系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)?zāi)軌虼蠓s短試驗(yàn)時(shí)間，并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間接口的可靠性和兼容性進(jìn)行驗(yàn)證。

5.2 引入先進(jìn)的可靠性試驗(yàn)技術(shù)

在研制中引入強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)和基于故障物理的可靠性加速試驗(yàn)技術(shù)，前者針對(duì)關(guān)鍵模塊，提高模塊耐受應(yīng)力的強(qiáng)度；后者針對(duì)設(shè)備，開展快速的評(píng)估和暴露設(shè)計(jì)中未能解決的缺陷。

5.2.1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是將產(chǎn)品暴露在一系列依次提高的某種應(yīng)力（如溫度或振動(dòng)）臺(tái)階上，在每一應(yīng)力臺(tái)階完成后，進(jìn)行故障檢測(cè)，對(duì)發(fā)生的故障采取糾正措施，直至達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)極限，主要被用來在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究，以及確定產(chǎn)品在有效壽命期內(nèi)抗隨機(jī)故障的能力。

5.2.2 基于故障物理的可靠性加速試驗(yàn)

基于故障物理的可靠性加速試驗(yàn)是一種基于故障物理方法的定量可靠性加速試驗(yàn)。針對(duì)產(chǎn)品的主要故障機(jī)理確定加速模型和試驗(yàn)應(yīng)力種類，通過加嚴(yán)試驗(yàn)應(yīng)力水平快速評(píng)估產(chǎn)品的可靠性水平。

5.3 在產(chǎn)品研制全過程開展可靠性綜合評(píng)價(jià)

可靠性綜合評(píng)價(jià)技術(shù)是艦載直升機(jī)可靠性驗(yàn)證的主線，該技術(shù)將各種分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合起來對(duì)研制過程中產(chǎn)品可靠性狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，用于解決高可靠產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證問題；能夠?qū)ρ兄七^程各個(gè)階段的產(chǎn)品可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)有效縮短定型階段的可靠性鑒定試驗(yàn)時(shí)間?？煽啃跃C合評(píng)價(jià)技術(shù)適用于產(chǎn)品研制的各個(gè)階段，其主要信息源如圖3所示。

圖3 研制各階段可靠性綜合評(píng)價(jià)主要信息源

5.4 機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目的確定

機(jī)載電子產(chǎn)品應(yīng)根據(jù)自身的特點(diǎn)（定型級(jí)別、技術(shù)狀態(tài)和產(chǎn)品層次）確定需要開展的可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目，具體如圖4所示。

5.4.1 機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目的確定原則

所有產(chǎn)品均開展環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）。

貨架產(chǎn)品不安排可靠性試驗(yàn)（ESS除外）。

系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品只按系統(tǒng)開展首飛前摸底試驗(yàn)和系統(tǒng)可靠性鑒定試驗(yàn)。

IV級(jí)設(shè)備均開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，能構(gòu)成系統(tǒng)的設(shè)備均隨系統(tǒng)開展首飛前摸底試驗(yàn)和系統(tǒng)可靠性鑒定試驗(yàn)。

II級(jí)和III級(jí)設(shè)備開展可靠性仿真試驗(yàn)、加速增長試驗(yàn)、首飛前可靠性摸底試驗(yàn)、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)和可靠性鑒定試驗(yàn)。其中：

● 能構(gòu)成系統(tǒng)的設(shè)備隨系統(tǒng)開展首飛前摸底試驗(yàn)；

● 關(guān)鍵重要的電子產(chǎn)品開展可靠性仿真試驗(yàn)和加速增長試驗(yàn)；

圖4 機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目確定流程

● 新研產(chǎn)品對(duì)關(guān)鍵模塊開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)、改進(jìn)產(chǎn)品對(duì)改進(jìn)模塊開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)；

● 能構(gòu)成系統(tǒng)的設(shè)備均隨系統(tǒng)開展系統(tǒng)可靠性鑒定試驗(yàn)，不能構(gòu)成系統(tǒng)的設(shè)備安排1 000h的定時(shí)截尾可靠性鑒定試驗(yàn)。

5.4.2 可靠性綜合評(píng)價(jià)原則

系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品應(yīng)按照數(shù)據(jù)融合的方法給出結(jié)論，利用系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試飛數(shù)據(jù)和組成設(shè)備的數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；

II級(jí)和III級(jí)設(shè)備均應(yīng)按照信息融合的方法給出結(jié)論，利用研制過程中各類試驗(yàn)的信息對(duì)設(shè)備的可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；

II級(jí)和III級(jí)設(shè)備在每階段應(yīng)利用該階段的各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果作為轉(zhuǎn)段依據(jù)之一。

6 結(jié)論

艦載直升機(jī)機(jī)載電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)方法，對(duì)于高可靠電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的針對(duì)性，在強(qiáng)調(diào)落實(shí)傳統(tǒng)可靠性方法的同時(shí)，為傳統(tǒng)方法難以克服的問題給出了解決之道。該方法引入的基于故障物理的可靠性仿真試驗(yàn)方法，適應(yīng)了我國武器裝備數(shù)字化研制模式的轉(zhuǎn)變，應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化試驗(yàn)已經(jīng)具備的技術(shù)基礎(chǔ)，與故障物理方法相集成，為在艦載直升機(jī)機(jī)載電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供了條件，具備了可行性。

艦載直升機(jī)可靠性驗(yàn)證方法，以可靠性綜合評(píng)價(jià)為主線，將研制過程中可靠性定量分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，作為產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)的信息源，一方面擴(kuò)大了可靠性評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，另一方面將評(píng)價(jià)貫穿于研制的全過程，有利于對(duì)產(chǎn)品研制過程中的可靠性水平進(jìn)行控制，確?？煽啃灾笜?biāo)高的機(jī)載產(chǎn)品可靠性能夠得到準(zhǔn)確的驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。而系統(tǒng)可靠性鑒定試驗(yàn)、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)、可靠性加速試驗(yàn)等技術(shù)的引入，可以為減少試驗(yàn)時(shí)間和成本，縮短研制周期，提供有力的保障。

[1] GJB 450A-2004 裝備可靠性工作通用要求[S].

[2] George H.Ebel, “Reliability Physics in Electronic.A Historical View”[J].IEEE Transaction on Reliability, 1998,vol.47,no 3,379-389

[3] 呂明春，梁紅衛(wèi)，張春華，陳循.加速可靠性試驗(yàn)技術(shù)及其應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2007，3（25），46-49