機載電子設備可靠性與結構一體化設計方法

胡 云

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

在機載電子設備的結構設計過程中,普遍存在著“結構設計—可靠性設計—可靠性試驗—改進與完善—可靠性試驗”的串行工作模式,通常是在設計完成后,通過可靠性預計、試驗等手段對設備進行可靠性評價與完善。這種設計方式存在的主要不足是在設備的結構設計過程中沒有充分考慮可靠性要求,結構設計與可靠性設計脫節(jié)[1],使設備的可靠性設計與結構設計不能同步完成,導致設計過程的多次迭代,甚至有可能在試驗中出現(xiàn)不滿足可靠性指標的情況。

因此在設備的設計過程中,如何將可靠性與結構設計融為一體,實現(xiàn)可靠性與結構設計同步,是目前的一個迫切需求[2]。而本文提出的可靠性與結構一體化設計方法正好能滿足這方面的需求,它通過分析在設計過程中尋找設備的薄弱環(huán)節(jié),根據(jù)薄弱環(huán)節(jié)對設備進行結構優(yōu)化設計以提升可靠性水平。

2 一體化設計方法概述

隨著電子設備可靠性設計與分析技術的不斷發(fā)展,可靠性與性能的融合設計越來越受到重視。以可靠性為主的多學科一體化設計是近年來可靠性工程中的一個新興研究領域。該方法充分利用產(chǎn)品已有的性能模型和CAD工具,在性能模型與性能分析的基礎上建立可靠性模型,然后以此模型為基礎進行可靠性綜合優(yōu)化設計,以實現(xiàn)可靠性與性能同步設計。基于這種理念,我們在機載電子設備的設計過程中將設備的可靠性與結構設計進行綜合考慮,將可靠性仿真與評價融入到設備的整個結構設計過程中,從而形成了可靠性與結構一體化設計方法。如圖1所示,該設計方法運用應力分析結果,在設備的設計階段對設備進行潛在故障分析與可靠性評價,并根據(jù)潛在故障分析中發(fā)現(xiàn)的設計薄弱環(huán)節(jié)對設備進行優(yōu)化設計,從而在設備的設計階段不斷提高設備的固有可靠性,并降低設備在試驗過程中出現(xiàn)不滿足可靠性指標的風險。

圖1 可靠性與結構一體化設計流程Fig.1 Integrated design flow of reliability and structure

根據(jù)這一流程,本文以某機載電子設備為例,詳細介紹可靠性與結構一體化設計方法。

3 設備方案與數(shù)字樣機設計

某機載電子設備是航電系統(tǒng)的重要組成部分,能夠對飛機上的信息進行綜合化管理與處理。該設備通過安裝架固定在飛機上,結合其安裝位置與狀態(tài),并參照其實際環(huán)境條件,進行減振與整體輕量化等方面的結構設計;該設備的可靠性指標平均故障間隔時間(MTBF)要求值不低于7 500 h,需要在結構設計過程中重點考慮,從而確?？煽啃灾笜?。

該設備由機箱和內部模塊構成,各模塊詳細信息如表1所示,其數(shù)字樣機可參見圖2。該設備采用上下開蓋與模塊上下插拔的方式。整個機箱采用框架結構,由鋁板螺接而成,從而確保其穩(wěn)定性。機箱內規(guī)劃了隔板與導槽,用于各個模塊的安裝;模塊5和母板通過螺釘與機箱連接,其余模塊通過楔形鎖緊組件固定在機箱的導槽內。大部分功能模塊(模塊2～5)通過電連接器與母板相連;模塊1為子板,通過與主板(模塊2)對插實現(xiàn)電連接。

表1 設備的模塊構成Table 1 Modules of avionics

圖2 某機載電子設備內部布局Fig.2 Layout of the airborne avionics

4 應力分析與設計優(yōu)化

電子設備的故障是在一定的環(huán)境條件與工作載荷的激發(fā)下出現(xiàn)。故障的出現(xiàn)一般與設計裕度不足有關,可以通過電子設備的健壯設計來消除或者抑制。而健壯設計的關鍵在于設計薄弱環(huán)節(jié)的加強;在設計階段,薄弱環(huán)節(jié)的發(fā)現(xiàn)依賴于應力分析。應力分析主要包括熱、振動等應力分析。

根據(jù)環(huán)境條件與工作載荷,某機載電子設備承受的振動應力較小,其應力以熱應力為主。在這里,以熱應力分析為例對應力分析方法進行說明。

該設備的散熱方式為自然散熱,要求在環(huán)境溫度為70℃時能正常工作。其整機功耗較大,約為67 W,內部模塊的功耗分布比較集中,其中采用對插結構的模塊1與模塊2的功耗之和為21.5 W,其余模塊的功耗較小。該設備主要通過熱傳導和熱輻射方式向外散熱,在結構設計中采取相應的措施來提高設備的熱傳導和熱輻射能力,確保設備內部各個模塊的散熱路徑暢通。

在加入這些熱設計信息的基礎上,采用熱分析軟件FLOTHERM進行設備的應力分析數(shù)字樣機建模。為確保應力分析數(shù)字樣機的準確性,可在有條件的情況下通過設備實物溫度測試進行模型驗證[3]。參照環(huán)境條件對該設備進行熱分析,從而得到設備內部的器件殼溫與結溫、模塊溫度分布以及設備的整機溫度分布[4]。通過這些溫度分布,可以發(fā)現(xiàn)器件、模塊,乃至設備是否存在熱應力薄弱環(huán)節(jié)。針對熱應力薄弱環(huán)節(jié),對該設備進行設計優(yōu)化,避免設備內的器件與模塊在高溫時出現(xiàn)熱疲勞失效,從而提高整個設備的環(huán)境適應性與可靠性。下面分別以模塊4上的器件A、模塊1與模塊2、設備整機為例進行說明。

模塊4的印制板布局對比如圖3所示。

圖3 模塊4的印制板布局對比Fig.3 Comparison of PCB layout for module 4

圖3(a)為模塊4在優(yōu)化設計前的印制板布局,圖中的圓圈內都存在著大功耗器件,整個模塊中溫度最高的器件A位于左邊圓圈內。經(jīng)分析,優(yōu)化前器件A的殼溫為97.7℃,其許用極限殼溫 TA為120℃,取降額系數(shù)0.8,推薦使用殼溫 TA最高為96℃,器件A的殼溫已超出推薦范圍。從圖3(a)可以看出,器件A底部的覆銅層未與印制板周邊覆銅層連接,而周邊覆銅層與冷板接觸,因此器件A無法直接向冷板傳熱。為降低其殼溫,將器件A的封裝換成底部帶導熱金屬片的形式,導熱片與器件底部覆銅層焊接;將器件A底部覆銅層與周邊覆銅層連成一片,如圖3(b)所示,這樣就暢通了散熱路徑,器件A的熱量直接傳遞到了冷板。對優(yōu)化后的模塊進行仿真,可以得到器件A的殼溫降到了89.8℃,滿足器件A的推薦使用要求。

優(yōu)化設計前的模塊1與模塊2的組合情況如圖4(a)所示。兩個模塊的熱量都通過中間的冷板傳至機箱隔板,再傳遞到機箱外殼。兩個模塊的發(fā)熱器件都布于冷板兩側,熱量比較集中。通過仿真可以得出這兩個模塊中各個器件的最高殼溫為101.1℃。由于這個器件(器件B)的極限殼溫 TA為125℃,取降額系數(shù)0.8,推薦使用殼溫 TA最高為100℃,因而器件B殼溫超出推薦范圍。為縮短散熱路徑,分散發(fā)熱器件,增加了一塊冷板,如圖4(b)所示,將模塊2的發(fā)熱器件挪到新增冷板一側,新增冷板與機箱的接觸面由兩側邊改為中間大面積與機箱外殼直接接觸,減小傳導熱阻;另一塊冷板通過楔形鎖緊組件和機箱隔板將熱量傳遞到機箱外殼上。采取這些措施后,器件B的殼溫變?yōu)?6.7℃,符合器件B的推薦使用要求。通過這種設計優(yōu)化方式,其余溫度較高器件也可以得到類似結論,都在推薦使用溫度范圍內,因此,模塊1與模塊2滿足高溫環(huán)境使用需求。

圖4 模塊1和模塊2冷板優(yōu)化前后對比Fig.4 Comparison of module 1 and 2 before and after optimization

對設計優(yōu)化后的設備進行熱分析,可以得到設備內部的溫度分布云圖如圖5所示。從圖中可以看出,設備內部沒有溫度特別高的器件,并且溫度較高器件的分布也比較合理,說明采取了相關設計優(yōu)化措施后,該設備滿足環(huán)境適應性要求。

圖5 設備整機溫度分布云圖Fig.5 Image of temperature distribution for avionics

5 潛在故障分析與可靠性優(yōu)化

某機載電子設備的可靠性優(yōu)化設計是建立在潛在故障分析與可靠性評價基礎之上的。應用前述應力分析結果,進行基于故障物理分析方法的潛在故障分析,可以得到設備內部各個潛在故障位置、故障模式、故障機理、故障時間等潛在故障信息。根據(jù)平均故障時間最短的“薄弱鏈原理”確定設計薄弱環(huán)節(jié)及其故障信息[5]。針對設計薄弱環(huán)節(jié)及相應的故障信息,對設備進行進一步設計優(yōu)化來防止故障出現(xiàn),從而提升設備的可靠性指標。

在得到該設備的主要故障信息后,可以據(jù)此進行可靠性評價。根據(jù)主要故障信息,假定各故障模式相互獨立并服從Weibull分布[6],利用Monte Carlo方法,可以計算出設備故障時間分布[7],然后據(jù)此評價設備的可靠性水平。

前面的熱應力分析反映出模塊1和模塊2的溫度較高,下面就以模塊1為重點,對潛在故障分析與可靠性優(yōu)化的流程進行詳細說明。在加入前述相關數(shù)據(jù)的基礎上,建立模塊1的故障物理數(shù)字樣機,基于前面的應力分析結果開展?jié)撛诠收戏治?采用故障物理分析軟件CALCE分析1 000次可以得到的模塊1的故障分布情況,如表2和圖6所示。

表2 模塊1的主要故障信息Table 2 Fault information in module 1

圖6 模塊1的潛在故障分布Fig.6 Potential fault distribution of module 1

故障分布情況表明模塊1的設計薄弱環(huán)節(jié)為器件D6、D12,均為熱疲勞造成的焊點開裂。器件D6的功耗偏大,殼溫較高;器件D12自身功耗較小,但屬于熱敏感元件。為了提高該模塊的可靠性,需要對這兩個器件進行處理,以降低這兩個器件承受的熱應力。通過冷板優(yōu)化將模塊1的冷板覆蓋到器件D6上方,擴大器件D6底部及四周覆銅層面積來增強其散熱能力,降低殼溫,從而提高其故障時間。器件D12右移以遠離熱源器件D6。潛在故障分析結果顯示改進后器件D6、D12的故障機理和模式都沒有變化,預計故障時間分別提高到27 000 h和28 000 h。

在設計優(yōu)化完成后,根據(jù)設備的主要故障分布,開展設備的可靠性評價。模塊1的平均故障間隔時間評估值約為17 000 h。以模塊分析結果為基礎,可以得到整個設備的平均故障間隔時間評估值為12 000 h,符合該設備可靠性指標的要求。

6 試驗驗證

某機載電子設備已通過了包含高低溫試驗在內的各項環(huán)境試驗,符合環(huán)境適應性要求;對設備中各個高溫器件進行溫度測試,可以得到器件A和器件B的殼溫分別為89.2℃和95.6℃,都在器件推薦工作溫度范圍內,與應力分析中的結論基本相符,其余溫度較高器件也可以得到類似結論。

按照規(guī)定的載荷,該設備通過可靠性試驗對指標進行了驗證。根據(jù)設備在設定時間內出現(xiàn)的故障數(shù)量,可以計算出設備的平均故障間隔時間為11 000 h,表明可靠性評價結論與試驗結果基本一致,進一步證實了可靠性與結構一體化設計方法的有效性。

7 結束語

基于可靠性的一體化設計是近年來發(fā)展比較迅速的一個新興領域,也是可靠性設計分析技術研究中的一個熱點。本文以可靠性指標提升為目的,提出了適用于機載電子設備的一體化設計思路,對可靠性與結構一體化設計方法進行了研究。該方法通過定位設備的設計薄弱環(huán)節(jié),并據(jù)此進行結構設計優(yōu)化,從而實現(xiàn)可靠性與結構性能的同步提升。典型案例的應用實踐證明了該方法的可行性。

該方法改進了傳統(tǒng)模式中可靠性與結構設計脫節(jié)的不足,確保設備可靠性指標在設計階段得到切實提升,降低了設備的試驗風險,有利于縮短設備研制周期。對于目前高可靠電子設備的設計工作,該方法具有重要參考價值,并可在其他電子設備的基于可靠性的多學科綜合一體化設計中應用。

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