海軍機載電子產(chǎn)品(電子方艙)的可靠性設(shè)計與仿真試驗*

羅 銳

(海軍裝備部西安軍事代表局 西安 710054)

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海軍機載電子產(chǎn)品(電子方艙)的可靠性設(shè)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(chǎn)品的整個壽命周期,從產(chǎn)品的設(shè)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(chǎn)品的可靠性設(shè)計是重中之重,必須嚴肅認真對待,為產(chǎn)品固有可靠性奠定基礎(chǔ)。

電子產(chǎn)品; 可靠性

Class Number TN97

1 引言

由于海軍機載電子產(chǎn)品的特殊性,在海上常常會遇到各種復雜的環(huán)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(huán)境因素的存在,都將大大影響機載電子產(chǎn)品的可靠性。只有通過可靠性設(shè)計與可靠性試驗,充分考慮電子產(chǎn)品在使用過程中可能遇到的各種環(huán)境條件,采取耐環(huán)境設(shè)計和電磁兼容性設(shè)計等各項措施,才能保證機載電子產(chǎn)品在規(guī)定環(huán)境條件下的可靠性。本文就海軍機載電子產(chǎn)品的可靠性設(shè)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(shè)計

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

2.1 元器件選用與降額設(shè)計

1) 元器件的選用原則。一是選用經(jīng)過質(zhì)量認證或認定,并經(jīng)現(xiàn)場使用證明質(zhì)量良好,可靠性高的通用元器件。二是必須根據(jù)不同電路的工作參數(shù)和整機的使用環(huán)境條件,選用能滿足這些要求的相應(yīng)元器件,以充分發(fā)揮元器件應(yīng)有的功能提高元器件的使用可靠性。

2) 元器件的降額設(shè)計。各種電子元器由于它們的材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)計和制造工藝等方面的原因,對外應(yīng)力(包括電應(yīng)力、熱應(yīng)力等)都有一定的耐受強度。當外應(yīng)力超過元器件本身的應(yīng)力承受強度(即額定應(yīng)力)時,元器件就會損壞。降額設(shè)計能提高元器件和設(shè)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(yīng)力和電應(yīng)力的降低而下降。

2.2 熱設(shè)計

電子元器件及電子設(shè)備的可靠性與溫度的關(guān)系極為密切。當環(huán)境溫度升高時,就會使晶體管內(nèi)部材料的物理和化學反應(yīng)的速率加快,從而使晶體管的性能參數(shù)(電流放大系數(shù)hfe、反向飽和電流Is和噪聲系數(shù)Nf等)隨溫度升高而產(chǎn)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(shè)計的基本準則主要包括[2]:

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

2) 合理布局。把設(shè)備內(nèi)的發(fā)熱元件均勻地分散于各個部位,防止設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)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(fā)熱體的熱量散發(fā)出去。

1) 傳導散熱。充分利用設(shè)備的各個部分(如結(jié)構(gòu)件,印制板和引線等)作為傳導通路,對發(fā)熱量較高的大中功率管,可裝在散熱器上,讓發(fā)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(huán)境。 2) 加強對流。合理設(shè)計通風孔,進風口和出風口應(yīng)開在溫差最大的兩處。對自然通風的設(shè)備,進風口應(yīng)開在設(shè)備的底部,出風口應(yīng)盡量高,以形成較強的拔風效應(yīng)。對功率較大的設(shè)備還應(yīng)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(fā)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(shù)急劇變化使設(shè)備出現(xiàn)性能失效,或是元件失效率升高使設(shè)備故障增多。

2.3 電磁兼容性設(shè)計

電子設(shè)備或系統(tǒng)總是處在電磁環(huán)境中工作: 1) 自然界造成的電磁環(huán)境,如雷電、宇宙射線、地磁輻射等; 2) 周圍其他電子設(shè)備造成的電磁環(huán)境,如家用電器、工業(yè)電器、儀器設(shè)備、雷達、發(fā)射臺、輸電網(wǎng)等; 3) 自身造成的電磁環(huán)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(huán)境等。設(shè)備處在這些電磁環(huán)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(yīng)和遠場輻射三種方式。

電磁兼容性設(shè)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(shè)備,也可采用機殼屏蔽。

2.4 漂移設(shè)計

電子元器件的性能參數(shù)在應(yīng)力作用下或在貯存條件下將隨時間而發(fā)生緩慢的變化,如果參數(shù)變化到一定限度,使設(shè)備或系統(tǒng)不能完成規(guī)定的功能,則發(fā)生漂移失效。因此在設(shè)計階段就要考慮到參數(shù)的漂移,要分析哪些元器件對設(shè)備性能的影響最敏感,并要了解各種元器件的參數(shù)漂移特性。設(shè)計電路時,選取怎樣的參數(shù)組合能使電路性能最穩(wěn)定,要考慮在設(shè)備的任務(wù)周期內(nèi)應(yīng)取怎樣的允許差才不致于出現(xiàn)漂移失效,而又最為經(jīng)濟合理等。

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

2.5 三防設(shè)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(shè)備有很大影響,它們會使機內(nèi)凝聚水汽,降低絕緣電阻,元件的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗增大、塑料變形、金屬腐蝕、材料變質(zhì),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(shè)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(huán)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(shè)備中充以高濃度臭氧滅菌。

2.6 冗余設(shè)計

冗余設(shè)計是為完成規(guī)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(xiàn)了故障,但作為整體仍能正常工作的一種設(shè)計。冗余設(shè)計主要包括:并聯(lián)裝置、串并聯(lián)或并串聯(lián)混合裝置、多數(shù)表決裝置、等待裝置等。這種設(shè)計技術(shù)通常應(yīng)用在比較重要,而且對安全性及經(jīng)濟性要求較高的場合,如鍋爐的控制系統(tǒng)、程控交換系統(tǒng)、飛行器的控制系統(tǒng)等。

2.7 維修性設(shè)計

維修性設(shè)計應(yīng)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(jīng)濟、快速等。

2.8 人-機工程設(shè)計

人-機工程設(shè)計的基本任務(wù),就是根據(jù)人體特性和人-機系統(tǒng)的關(guān)系,確定需要完成的操作,并恰當?shù)胤峙浣o入和機器,使兩者協(xié)調(diào)地工作,達到高效、經(jīng)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(shè)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(jié)選。以文本維度為基準，進行“由外到內(nèi)，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(xiàn)實差別過大，承載了作者的過度偏見；第二，是文內(nèi)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(jié)局如何。結(jié)論如下：

采用把電路、數(shù)據(jù)直接輸入計算機系統(tǒng),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(yè)的電子設(shè)備熱分析軟件Icepak對方艙進行建模、分析,可以驗證熱設(shè)計方案的正確性和可行性,節(jié)約成本的同時大大提高效率[4]。

3.1 系統(tǒng)建模

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

該電子方艙系統(tǒng)的散熱及降溫措施有:在設(shè)備艙中設(shè)置進、排風口,提供艙內(nèi)人員的新鮮空氣需要量及艙內(nèi)外的換熱;方艙前壁安裝一臺整體式空調(diào),送風風道布置到大功率設(shè)備。在電控機柜兩側(cè)面板開設(shè)進風百葉網(wǎng)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(nèi)流體為空氣。

1) 通過對流傳熱實現(xiàn)艙內(nèi)流體與外界的有效交換,調(diào)節(jié)艙內(nèi)環(huán)境溫度;

2) 熱源主要考慮電子設(shè)備的生熱;

3) 方艙壁為絕熱狀態(tài),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(nèi)部熱傳導包括元件與印制板、器件與安裝結(jié)構(gòu)件、設(shè)備與機柜之間的傳熱;設(shè)備內(nèi)外部、方艙內(nèi)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(nèi)部對流換熱包括設(shè)備的強制風冷散熱、方艙的內(nèi)外部空氣交換、空調(diào)的艙內(nèi)外換熱及其他由于空氣流過固定表面且溫度不同所產(chǎn)生的熱量交換。

3) 輻射換熱。方艙內(nèi)部的輻射換熱包括設(shè)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(shè)備的可靠性。如果通過加大整體式空調(diào)制冷功率來降溫的方式,會使人員工作區(qū)域的區(qū)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(shè)置在方艙后部上角兩側(cè),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(nèi)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(yōu)化設(shè)計[7]。

3.4 仿真分析

從系統(tǒng)角度考慮,艙內(nèi)空氣的流動與換熱應(yīng)在滿足設(shè)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(nèi)熱環(huán)境的衡量,應(yīng)兼顧兩方面的指標:設(shè)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(tǒng)的熱計算區(qū)域,在Icepak中將方艙設(shè)定為cabinet,功率模塊設(shè)定為sources,機柜和操控臺的百葉通風口設(shè)定為openings,機柜和操控臺的框架設(shè)定為wall,模型的網(wǎng)格劃分采用自適應(yīng)智能劃分方法,單元網(wǎng)格類型為Mesher-HD。

2) 仿真參數(shù)設(shè)定。根據(jù)Icepak軟件估算的Rayleigh數(shù),Prandtl數(shù)0,設(shè)置模型的流態(tài)為湍流,并采用零方程模型,同時求解流場和溫度場,方艙內(nèi)部和外部流體為空氣,外部大氣溫度20℃,設(shè)置解算器求解迭代步數(shù)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(wěn)定時的溫度場。

3.5 仿真結(jié)果

經(jīng)仿真計算,在設(shè)定環(huán)境溫度55℃下,艙內(nèi)最高溫度點出現(xiàn)在設(shè)備熱源處,為45.1℃,低于電子設(shè)備的設(shè)計容許溫度85℃?？紤]到模型仿真的顆粒度,可以初步認為,即使相關(guān)標準規(guī)定的極限環(huán)境溫度下,環(huán)控系統(tǒng)仍能夠有效調(diào)節(jié)艙內(nèi)溫度,艙內(nèi)熱環(huán)境基本可以滿足任務(wù)系統(tǒng)電子設(shè)備正常工作要求[9]。

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

從仿真結(jié)果看,該機載艙內(nèi)仿真人員活動區(qū)域內(nèi)的溫度與氣流速度分布比較均勻,與艙內(nèi)設(shè)備的總體布局設(shè)計合理,整體式空調(diào)選型合理,對進、排風口的位置和熱阻進行的優(yōu)化設(shè)計合理。

通過對方艙內(nèi)的熱環(huán)境進行仿真分析,證實總體設(shè)計方案可滿足艙內(nèi)電子設(shè)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(shè)計和風機選型還應(yīng)進一步優(yōu)化,實現(xiàn)冷氣流量的合理分配,提高電子設(shè)備溫度分布的均勻性,提高系統(tǒng)的工作可靠性。對于高度集成的方艙系統(tǒng),艙內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)直接關(guān)系到系統(tǒng)工作的可靠性,在系統(tǒng)總體設(shè)計過程中尤為重要,應(yīng)當予以充分重視。

4 結(jié)語

可靠性貫穿于機載電子產(chǎn)品的整個壽命周期,從產(chǎn)品的設(shè)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(chǎn)品的可靠性設(shè)計和試驗的質(zhì)量監(jiān)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(chǎn)品件件質(zhì)量高、功能全、性能好、可靠性高[10]。

[1] 劉柳,周林,邵將.基于數(shù)字化樣機的電子產(chǎn)品可靠性設(shè)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(shè)備可靠性仿真試驗技術(shù)應(yīng)用研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2012,30(6):13-19.

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

[4] 王麗.大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計研究[J].無線電工程,2009,39(1):61-64.

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

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

[8] 李雨,魏強.方艙艙內(nèi)熱環(huán)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(shè)備熱設(shè)計中的應(yīng)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(shù)在電子設(shè)備熱設(shè)計中的應(yīng)用[J].長春工業(yè)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