基于失效物理的可靠性仿真技術(shù)及軟件設(shè)計(jì)

梁奕坤，胡寧，黃進(jìn)永，余昭杰

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東　廣州　510610）

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基于失效物理的可靠性仿真技術(shù)及軟件設(shè)計(jì)

梁奕坤，胡寧，黃進(jìn)永，余昭杰

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610）

介紹了失效物理、可靠性仿真試驗(yàn)的內(nèi)涵及其分析流程，在此基礎(chǔ)上引入了基于失效物理的可靠性仿真技術(shù)及軟件工具，闡述了CARMES-pofRAS的技術(shù)架構(gòu)和主要功能，其能夠根據(jù)產(chǎn)品的熱、機(jī)械、電子和電化學(xué)等應(yīng)力，并結(jié)合材料和結(jié)構(gòu)信息快速、準(zhǔn)確地定位產(chǎn)品的故障部位、故障機(jī)理和首次故障平均前時(shí)間。

失效物理；可靠性仿真；軟件設(shè)計(jì)；可靠性仿真軟件

0　引言

可靠性技術(shù)經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，已經(jīng)逐步地形成了較為完整的技術(shù)體系，可靠性建模、可靠性預(yù)計(jì)、FMEA和FTA等工程技術(shù)已在工程中得到了普遍的應(yīng)用，對(duì)于提升產(chǎn)品的可靠性、降低其壽命周期費(fèi)用發(fā)揮了重要的作用［1］。

可靠性的發(fā)展與技術(shù)的發(fā)展、產(chǎn)品演進(jìn)的需求是密不可分的。近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)和原材料的不斷發(fā)展和進(jìn)步，以及產(chǎn)品向復(fù)雜化、集成化、體系化、智能化、微型化、機(jī)電一體化、綠色環(huán)保和信息物理融合等方向演進(jìn)，可靠性工程技術(shù)也在快速地向前發(fā)展。本文將結(jié)合當(dāng)前技術(shù)、產(chǎn)品發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)，介紹一種基于失效物理的可靠性仿真技術(shù)和軟件設(shè)計(jì)。

1　可靠性仿真試驗(yàn)的內(nèi)涵和發(fā)展趨勢(shì)

隨著信息技術(shù)、建模與仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的飛速發(fā)展，以及仿真、虛擬技術(shù)與試驗(yàn)評(píng)價(jià)技術(shù)的融合，仿真試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。將仿真試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用到可靠性領(lǐng)域，形成一種基于仿真試驗(yàn)的可靠性驗(yàn)證評(píng)價(jià)技術(shù)，即可靠性仿真試驗(yàn)與評(píng)價(jià)技術(shù)，是目前可靠性試驗(yàn)技術(shù)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)之一。

2.1仿真試驗(yàn)的內(nèi)涵

仿真試驗(yàn)又被稱為虛擬試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)是在長(zhǎng)期積累的大量有關(guān)數(shù)據(jù)、動(dòng)力學(xué)模型和各類三維模型的基礎(chǔ)上，利用高性能計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、傳感器或各種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，建立一種能方便地進(jìn)行人機(jī)交互的虛擬環(huán)境或虛擬與實(shí)際結(jié)合的環(huán)境，在此環(huán)境中對(duì)實(shí)體、物理樣機(jī)或虛擬樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，用可視化的方法觀察被視物體的性能及其相互間的關(guān)系，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與研究。例如：虛擬風(fēng)洞、發(fā)動(dòng)機(jī)試車仿真試驗(yàn)和飛行仿真試驗(yàn)等。

從廣義上講，任何不使用或部分使用實(shí)際的硬件來(lái)構(gòu)造試驗(yàn)環(huán)境，完成實(shí)際物理試驗(yàn)的方法和技術(shù)都可以被稱為仿真試驗(yàn)。

仿真試驗(yàn)技術(shù)的作用主要體現(xiàn)在，它能搭建起產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)的橋梁，通過(guò)構(gòu)建數(shù)字化的試驗(yàn)和測(cè)試環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、CAX（CAD/CAE/CAPP/CAM）技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，對(duì)指定試驗(yàn)的特殊屬性進(jìn)行數(shù)字化檢測(cè)，為設(shè)計(jì)人員提供產(chǎn)品功能、性能等多方面的信息，使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)設(shè)計(jì)方案方便、快捷地評(píng)估產(chǎn)品的各項(xiàng)性能與可靠性等指標(biāo)。從虛擬試驗(yàn)的內(nèi)容方面看，仿真試驗(yàn)往往對(duì)照傳統(tǒng)實(shí)物試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行，對(duì)已經(jīng)能夠利用數(shù)學(xué)模型描述的部分進(jìn)行仿真建模，得到虛擬試驗(yàn)樣機(jī)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真預(yù)示，開(kāi)展相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證活動(dòng)。顧名思義，仿真技術(shù)是仿真試驗(yàn)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)和有效手段。

仿真試驗(yàn)意味著試驗(yàn)手段、對(duì)象和環(huán)境應(yīng)力等都是虛擬的。仿真試驗(yàn)技術(shù)屬于可控制的、無(wú)破壞性的、耗費(fèi)小并且允許多次重復(fù)的試驗(yàn)手段。在復(fù)雜產(chǎn)品的研制過(guò)程中，仿真試驗(yàn)不僅可以作為真實(shí)試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作，而且可以在一定的程度上替代傳統(tǒng)的物理試驗(yàn)，減少物理樣機(jī)制造試驗(yàn)次數(shù)，使試驗(yàn)不受場(chǎng)地、時(shí)間和次數(shù)的限制，并實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的記錄、重復(fù)和再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者、產(chǎn)品用戶在設(shè)計(jì)階段信息的互反饋，使設(shè)計(jì)者盡早地發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的潛在問(wèn)題，從而達(dá)到縮短新產(chǎn)品試驗(yàn)周期、降低試驗(yàn)費(fèi)用、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

但是，仿真試驗(yàn)并不能完全代替真實(shí)試驗(yàn)，二者具有互補(bǔ)性。真實(shí)試驗(yàn)除了可以為仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇_認(rèn)提供必要的數(shù)據(jù)和信息之外，還可以發(fā)現(xiàn)仿真試驗(yàn)不能涵蓋的問(wèn)題。

2.2可靠性仿真試驗(yàn)

a）目的

在產(chǎn)品研制的早期，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)并指明原因，指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高產(chǎn)品的固有可靠性，以及對(duì)產(chǎn)品的可靠性水平進(jìn)行預(yù)先評(píng)估。

b）適用階段

開(kāi)始于產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，隨著研制進(jìn)度的循環(huán)迭代，直至產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型前最終完成。

c）主要特點(diǎn)

可靠性仿真主要包括以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）它是一種基于物理故障的可靠性技術(shù)，是一種采用建模與仿真手段，對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行分析和評(píng)估的工程方法；

2）與性能設(shè)計(jì)并行開(kāi)展，及時(shí)地支撐設(shè)計(jì)人員進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)和優(yōu)化；

3）采用數(shù)字樣機(jī)與計(jì)算機(jī)仿真，不受物理樣機(jī)和試驗(yàn)資源的限制；

4）“建模仿真-物理試驗(yàn)-模型修正”是可靠性仿真試驗(yàn)最有效的運(yùn)行方式。

d）原理和主要流程

可靠性仿真試驗(yàn)的原理如圖1所示，主要原理和流程如下所述：

1）輸入 （導(dǎo)入）產(chǎn)品的數(shù)據(jù)化樣機(jī)、壽命周期環(huán)境條件、使用條件和設(shè)計(jì)信息等；

2）按照產(chǎn)品的使用 （任務(wù)）剖面仿真輸入熱、電、振動(dòng)和機(jī)械等方面的應(yīng)力（可應(yīng)用FLOTHERM、ANSYS等）；

3）應(yīng)用失效物理模型庫(kù)和相應(yīng)的仿真軟件工具 （例如：美國(guó)馬里蘭大學(xué)的Ca1ce PWA、工業(yè)和信息化部電子第五研究所的pofRAS等），進(jìn)行故障模式/機(jī)理及影響分析 （FMMEA）、累積損傷分析和蒙特卡洛仿真等，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的平均首次故障時(shí)間，找出相應(yīng)的主故障機(jī)理；

4）根據(jù)上述故障預(yù)計(jì)結(jié)果，綜合地運(yùn)用故障分布擬合、故障聚類、多分布綜合和可靠性綜合評(píng)估等手段，評(píng)估產(chǎn)品的可靠性水平；

5）輸出仿真試驗(yàn)結(jié)果，主要包括產(chǎn)品的可靠性薄弱環(huán)節(jié)、建議的改進(jìn)措施和可靠性綜合評(píng)估結(jié)果等。

圖1　可靠性仿真試驗(yàn)原理示意圖

國(guó)內(nèi)外型號(hào)產(chǎn)品在項(xiàng)目中的應(yīng)用實(shí)踐表明，可靠性仿真試驗(yàn)可以有效地克服實(shí)物試驗(yàn)的局限性，顯著地縮短研制周期，降低技術(shù)、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)和研制成本，已經(jīng)成為了與可靠性實(shí)物試驗(yàn)并舉 （或作為必要補(bǔ)充）的一種新的試驗(yàn)形式?？煽啃苑抡嬖囼?yàn)與實(shí)物試驗(yàn)可以相輔相成、互相補(bǔ)充。可靠性仿真試驗(yàn)可以彌補(bǔ)實(shí)物試驗(yàn)的不足，尤其是在對(duì)子樣或試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)對(duì)試驗(yàn)對(duì)象造成嚴(yán)重?fù)p傷的情況下，但是，仿真試驗(yàn)的成功必須建立在實(shí)物試驗(yàn)積累的大量的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上；實(shí)物試驗(yàn)可以通過(guò)提供虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以及仿真?yàn)證和確認(rèn)時(shí)所需的信息來(lái)改進(jìn)仿真試驗(yàn)的效能和精確度。

2　基于失效物理的可靠性仿真軟件設(shè)計(jì)

基于失效物理的可靠性仿真技術(shù)利用失效物理原理和恰當(dāng)?shù)墓收细怕拭芏确植歼M(jìn)行無(wú)故障工作設(shè)計(jì)，并預(yù)測(cè)每種潛在故障機(jī)理的平均首次故障前時(shí)間［2-4］。它從了解故障過(guò)程的根本原因著手，找出最早發(fā)生故障的部位和設(shè)計(jì)的“最薄弱環(huán)節(jié)”，也可以用于判斷產(chǎn)品能否達(dá)到預(yù)期的使用壽命，亦可用來(lái)針對(duì)主要故障機(jī)理進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)產(chǎn)品的耐用性。如果能獲得基本的物理和應(yīng)力信息，這種方法也可以用來(lái)認(rèn)證設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，確保設(shè)計(jì)和制造規(guī)格滿足或超過(guò)可靠性目標(biāo)。

CARMES-pofRAS［5］是國(guó)內(nèi)首款基于失效物理的可靠性仿真軟件，其技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。CARMES-pofRAS根據(jù)溫度、振動(dòng)、沖擊和其他環(huán)境條件，采用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)品的熱、機(jī)械、電子和電化學(xué)等局部應(yīng)力，再結(jié)合材料和結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力響應(yīng)的知識(shí)快速、準(zhǔn)確地定位產(chǎn)品的故障部位、故障機(jī)理和平均首次故障前時(shí)間 （如表1所示），將產(chǎn)品在后端物理試驗(yàn)及實(shí)際使用中產(chǎn)生的問(wèn)題暴露在設(shè)計(jì)階段，從而提高產(chǎn)品的固有可靠性、保證產(chǎn)品的使用可靠性，減少產(chǎn)品重復(fù)設(shè)計(jì)的時(shí)間，降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本和維護(hù)經(jīng)費(fèi)。

圖2　CARMES-pofRAS的技術(shù)架構(gòu)

表1　某數(shù)據(jù)采集器可靠性仿真分析結(jié)果報(bào)表

CARMES-pofRAS主要具有以下幾種功能。

a）計(jì)算產(chǎn)品在定時(shí)加速壽命試驗(yàn)中的極限情況，在設(shè)計(jì)前端快速地定位薄弱環(huán)節(jié)，試驗(yàn)包括：溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)、機(jī)械沖擊、機(jī)械諧振和機(jī)械靜力，以及前5項(xiàng)試驗(yàn)中任意項(xiàng)的隨機(jī)組合。

b）計(jì)算產(chǎn)品的平均首次故障時(shí)間和相應(yīng)的主故障機(jī)理，各階段所采用的計(jì)算產(chǎn)品的平均首次故障時(shí)間和相應(yīng)的主故障機(jī)理的方法為：1）出廠驗(yàn)收試驗(yàn)——溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)和機(jī)械沖擊等；2）工廠到倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸階段——溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)等；3）貯存階段——溫度循環(huán)；4）倉(cāng)庫(kù)到安裝地點(diǎn)運(yùn)輸階段——溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)等；5）安裝階段——溫度循環(huán)和機(jī)械沖擊等；6）正常工作階段——溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)和機(jī)械沖擊等。

CARMES-pofRAS集電裝組件建模、熱學(xué)分析、振動(dòng)分析和故障分析等功能于一體，可提供一站式的性能與可靠性協(xié)同設(shè)計(jì)方案，提高產(chǎn)品的固有可靠性、保證產(chǎn)品的使用可靠性，減少產(chǎn)品重復(fù)設(shè)計(jì)的時(shí)間。

3　結(jié)束語(yǔ)

基于失效物理的可靠性仿真技術(shù)是以產(chǎn)品失效的宏觀表象特征和微觀過(guò)程為依據(jù)，構(gòu)建產(chǎn)品的失效模型，綜合利用熱仿真、振動(dòng)仿真獲取的應(yīng)力數(shù)據(jù)和其他可靠性相關(guān)信息對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性建模和統(tǒng)計(jì)推斷的技術(shù)。CARMES-pofRAS從電裝組件建模模塊、熱分析模塊和振動(dòng)分析模塊獲取局部溫度和局部位移數(shù)據(jù)，結(jié)合內(nèi)嵌的失效物理算法，能夠快速地定位電裝組件的故障部位和故障模式，同時(shí)采用失效物理方法計(jì)算其累積損傷度和平均首次故障前時(shí)間，包括焊接熱疲勞故障、引腳機(jī)械疲勞故障。

［1］潘勇，黃進(jìn)永，胡寧.可靠性概論 ［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2015.

［2］彭健.基于失效物理的電子系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2012.

［3］劉強(qiáng).基于失效物理的性能可靠性技術(shù)及應(yīng)用研究 ［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

［4］陳云霞，謝汶姝，曾聲奎.功能分析與失效物理結(jié)合的可靠性預(yù)計(jì)方法 ［J］.航空學(xué)報(bào)，2009，29（5）：1133-1138.

［5］潘勇，馮燕寬.六性協(xié)同工作平臺(tái)CARMES用戶手冊(cè)［Z］.廣州：工業(yè)和信息化部電子第五研究所，2015.

Reliability Simulation Technology and Software Design Based on Physics of Failure

LIANG Yi-kun，HU Ning，HUANG Jin-yong，YU Zhao-jie
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

The connotation and ana1ysis process of physics of fai1ure and re1iabi1ity simu1ation test are introduced.And then，the physics of fai1ure based re1iabi1ity simu1ation techno1ogy and its software too1s are presented，and the technica1 framework and main functions of CARMES-pofRAS are described，which can quick1y and accurate1y confirm the fai1ure 1ocation，fai1ure mechanism and mean time to first fai1ure of product according to the therma1，mechnica1，e1ectrica1 and e1ectrochemica1 stress as we11 as the materia1 and structure information of product.

physics of fai1ure；re1iabi1ity simu1ation；software design；re1iabi1ity simu1ation software

TP 391.9

A

1672-5468（2016）03-0076-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.015

2015-12-11

梁奕坤 （1989-），男，廣東廣州人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所可靠性數(shù)據(jù)中心助理工程師，主要從事計(jì)算機(jī)輔助五性一體化協(xié)同設(shè)計(jì)與分析技術(shù)研究、五性工程軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。