基于故障物理模型的可靠性仿真分析方法研究

劉 揚(yáng),張 宇

(1. 海裝上海局駐南京地區(qū)第二軍事代表室,南京 211153; 2.中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

武器裝備的可靠性水平對于裝備的戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性以及維修保障等均有重要影響,可靠性已被世界各國列為武器裝備研制的重要考核指標(biāo)。隨著裝備中電子產(chǎn)品研制周期加快,新技術(shù)大量應(yīng)用,可靠性要求快速提高。傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)、預(yù)計(jì)、分配、試驗(yàn)等工作,在實(shí)際工程應(yīng)用中暴露出越來越多的問題,故障隨機(jī)發(fā)生的假設(shè)日益顯露出局限性。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、零部件的可靠性水平,這在實(shí)際工作中往往難以實(shí)現(xiàn)。因此,基于電子產(chǎn)品武器裝備新的研制特點(diǎn),當(dāng)前可靠性工程技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)和新的機(jī)遇,須發(fā)展新的高可靠電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)與設(shè)計(jì)方法。

當(dāng)前,主要有兩種解決可靠性問題的方法:基于概率統(tǒng)計(jì)的可靠性分析方法和基于故障物理的可靠性分析方法。

基于概率統(tǒng)計(jì)的可靠性分析方法產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代,該方法建立在“大數(shù)定律”的統(tǒng)計(jì)特性上,認(rèn)為產(chǎn)品的故障是不可歸因且故障服從指數(shù)隨機(jī)分布,從故障發(fā)生的頻率和結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析角度出發(fā),采用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)方法對產(chǎn)品可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)、驗(yàn)證和評估,從而為裝備的使用和保障資源的配置提供支持。目前國內(nèi)常用的電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)方法通常是借助各種手冊,例如國軍標(biāo)GJB/Z299C-2006、美軍標(biāo)MIL-HDBK-217f等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。在產(chǎn)品的故障機(jī)理認(rèn)識不清,且無故障物理模型可用時(shí),基于手冊的預(yù)計(jì)方法從宏觀角度給出元器件和產(chǎn)品的可靠性指標(biāo),為可靠性分配等工作提供基礎(chǔ)[1]。

基于故障物理的可靠性分析方法則認(rèn)為產(chǎn)品的故障是由機(jī)械、電、熱和化學(xué)等應(yīng)力作用的過程導(dǎo)致,因而對于故障不應(yīng)僅從統(tǒng)計(jì)的角度去研究其規(guī)律性,被動(dòng)地驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性水平,而應(yīng)當(dāng)從材料、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、強(qiáng)度和損傷累積等角度,全面了解產(chǎn)品故障機(jī)理,以準(zhǔn)確評價(jià)產(chǎn)品可靠性。通過事先把可靠性設(shè)計(jì)工作結(jié)合到產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,真正實(shí)現(xiàn)“可靠性是設(shè)計(jì)出來的”這一目標(biāo)?；诠收衔锢淼目煽啃苑抡娣治黾夹g(shù)近年來在國內(nèi)外發(fā)展很快,為裝備研制中高可靠的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了一條新的技術(shù)途徑[2]。

本文以某電源組件為例,從材料、結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、強(qiáng)度和損傷累積等角度全面分析產(chǎn)品故障機(jī)理,研究基于故障物理模型的可靠性仿真分析方法。

1 可靠性仿真試驗(yàn)流程

基于故障物理模型的可靠性仿真試驗(yàn)流程主要包括產(chǎn)品信息收集、數(shù)字樣機(jī)建模、應(yīng)力分析和可靠性評估等幾個(gè)步驟,流程如圖1所示。

圖1 基于故障物理模型的可靠性仿真試驗(yàn)流程

具體步驟如下:

(1)產(chǎn)品信息收集。收集產(chǎn)品基本信息,包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件與材料信息、元器件信息、邊界載荷等信息;

(2)數(shù)字樣機(jī)建模。建立產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)模型,包含CFD和FEA數(shù)字樣機(jī)模型,完成模型簡化、參數(shù)設(shè)定以及模型修正和驗(yàn)證;

(3)應(yīng)力分析。施加收集的產(chǎn)品邊界載荷信息,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)力分析;

(4)可靠性評估。將應(yīng)力分析結(jié)果作為故障物理模型的輸入,進(jìn)行可靠性評估。

2 產(chǎn)品信息收集

2.1 產(chǎn)品基本信息

包括產(chǎn)品組成、尺寸、重量、功耗等。

2.2 結(jié)構(gòu)件與材料信息

包括結(jié)構(gòu)三維模型、材料屬性、熱力學(xué)參數(shù)、尺寸、安裝方式、散熱措施以及焊點(diǎn)的材料與面積等。

2.3 元器件信息

包括裝配圖、各模塊元器件功率、尺寸、重量、封裝材料、引腳材料和位置等。

2.4 邊界載荷信息

包括產(chǎn)品的溫度應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力等環(huán)境條件及任務(wù)剖面,作為可靠性仿真分析的邊界條件。

3 數(shù)字樣機(jī)建模

3.1 CAD數(shù)字樣機(jī)建模

以某電源組件為例,依據(jù)產(chǎn)品實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立CAD數(shù)字樣機(jī)模型,需確保組件主體結(jié)構(gòu)與各子結(jié)構(gòu)間的聯(lián)接關(guān)系正確,產(chǎn)品實(shí)物如圖2所示。建立的電源組件CAD模型如圖3所示。

圖2 電源組件實(shí)物圖

圖3 電源組件CAD模型圖

3.2 CFD和FEA數(shù)字樣機(jī)建模

3.2.1 模型簡化

CFD和FEA數(shù)字樣機(jī)建模時(shí)須對CAD模型進(jìn)行簡化,以便進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力分析。模型簡化過程應(yīng)當(dāng)在盡量保證簡化前后模型特征變化最小的前提下進(jìn)行,通常遵循以下簡化原則:

(1)簡化前后組件整體主結(jié)構(gòu)傳力路徑完整。簡化結(jié)果應(yīng)正確反映組件內(nèi)部各模塊的裝配關(guān)系,以此確保在可靠性綜合分析過程中,盡可能覆蓋到所有的薄弱環(huán)節(jié)與結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

(2)安裝接口處和載荷施加處的結(jié)構(gòu)不應(yīng)簡化。在保證結(jié)構(gòu)外形、重量和質(zhì)心位置基本不變的前提下,將結(jié)構(gòu)簡化成單一材料,適當(dāng)省略尺寸較小的孔、凸臺、圓角和不必要的倒角等。

模型簡化結(jié)果如圖4所示。

圖4 電源組件CAD模型簡化圖

3.2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分參數(shù)的設(shè)置與選取決定了后續(xù)仿真計(jì)算結(jié)果是否收斂,仿真精度是否達(dá)標(biāo)。針對電源組件CAD模型不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在網(wǎng)格劃分過程選用不同的劃分方法。通常對于簡單的幾何模型采用六面體網(wǎng)格劃分方法,對于復(fù)雜幾何模型采用四面體網(wǎng)格劃分方法。本文對電源組件的外殼、基板以及定位銷采用四面體網(wǎng)格劃分方法;對電源組件內(nèi)部的印制電路板、芯片和封裝模塊箱體采用六面體網(wǎng)格劃分方法。網(wǎng)格劃分過程中還須對網(wǎng)格尺寸、疏密程度、網(wǎng)格質(zhì)量等一系列相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.2.3 參數(shù)設(shè)置

電源組件包含多種部件和材料,設(shè)計(jì)人員根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料得到部件共9種材料,每種材料參數(shù)為6類。相關(guān)的材料參數(shù)如表1所示。電源組件中各熱源的載荷情況如表2所示。

表1 電源組件材料參數(shù)

表2 電源組件熱載荷參數(shù)

3.2.4 模型修正與驗(yàn)證

建立CFD模型,在劃分完網(wǎng)格并設(shè)置好熱仿真分析參數(shù)及試驗(yàn)條件后,開始仿真運(yùn)算,得到溫度場輸出結(jié)果,包括產(chǎn)品及元器件的溫度值及溫度場分部,熱仿真分析結(jié)果可為數(shù)據(jù)表格和云圖。

在27 ℃環(huán)境下,對比電源組件實(shí)物熱測量試驗(yàn)結(jié)果與電源組件CFD模型修正后的熱仿真分析結(jié)果,如表3所示。相對誤差小于10%,滿足工程應(yīng)用要求,表明了CFD模型的正確性。

表3 電源組件實(shí)測溫度與熱仿真溫度對比(環(huán)境溫度27℃)

建立FEA模型,劃分完網(wǎng)格并設(shè)置好振動(dòng)仿真分析參數(shù)及試驗(yàn)條件后,開始仿真運(yùn)算,得到振動(dòng)仿真分析輸出結(jié)果,包括加速度相應(yīng)云圖、位移響應(yīng)云圖、應(yīng)力與應(yīng)變響應(yīng)圖、各模塊固定點(diǎn)處響應(yīng)的功率譜曲線等。

對比電源組件實(shí)物模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與電源組件FEA模型修正之后的振動(dòng)仿真分析結(jié)果,如表4所示。電源組件FEA模型模態(tài)分析仿真與實(shí)物試驗(yàn)在不同階數(shù)下頻率的誤差均小于10%,滿足工程應(yīng)用要求,驗(yàn)證了電源組件FEA模型的正確性。

表4 電源組件模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與振動(dòng)仿真分析對比(自由狀態(tài))

4 應(yīng)力分析

4.1 熱仿真分析

為了分析元器件在不同環(huán)境溫度下的溫度分布情況,設(shè)置3種環(huán)境溫度分析電源組件,具體溫升結(jié)果如表5所示,可以看出電源組件發(fā)熱量較高區(qū)域?yàn)?個(gè)電源模塊的安裝位置。

表5 不同環(huán)境溫度下電源組件各元器件溫升

4.2 振動(dòng)仿真分析

由約束模態(tài)分析可知,電源組件在Z方向上的形變最明顯,因此電源組件在諧響應(yīng)分析過程中的邊界載荷設(shè)置方向選取Z方向。根據(jù)電源組件實(shí)際使用環(huán)境條件,對電源組件在Z方向上施加均方根為7.5 m/s2的加速度功率譜;頻率間隔方式設(shè)置為對數(shù)形式輸入;求解區(qū)間數(shù)目設(shè)置為20;求解方法設(shè)置為模態(tài)疊加法,頻率最小值設(shè)置為60 Hz,頻率最大值設(shè)置為300 Hz。在約束模態(tài)下,電源組件的Z向隨機(jī)振動(dòng)分析結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 電源組件Z向形變云圖

圖6 電源組件Z向等效應(yīng)力圖

由圖5可知:在3σ的置信度區(qū)間內(nèi),數(shù)字樣機(jī)模型有99.73%的概率會發(fā)生如圖6所示的形變效果,圖中組件中心形變程度最高,其中形變量最大值為0.039 465 mm。由圖6可知:在3σ的置信度區(qū)間內(nèi),數(shù)字樣機(jī)模型有99.73%的概率會承受如圖6所示的等效應(yīng)力。圖中模型在兩側(cè)定位銷處承受的等效應(yīng)力最大,其等效應(yīng)力最大值為15.26 MPa。

電源組件的振動(dòng)應(yīng)力分析結(jié)果表明:振動(dòng)載荷激勵(lì)的施加使得模型中部易發(fā)生形變;當(dāng)結(jié)構(gòu)模型因振動(dòng)載荷激勵(lì)的施加而發(fā)生形變時(shí),模型結(jié)構(gòu)的約束邊界位置處承受最大應(yīng)力,因此推斷邊界約束位置易先發(fā)生損壞。

5 可靠性評估

通過對實(shí)際工作溫度剖面和振動(dòng)剖面條件下的疲勞損傷進(jìn)行累計(jì)計(jì)算,可得到該組件中各個(gè)元器件故障預(yù)計(jì)結(jié)果。計(jì)算得到的電源組件振動(dòng)疲勞壽命分布云圖如圖7所示,電源組件熱疲勞壽命分布云圖如圖8所示。

圖7 電源組件振動(dòng)疲勞壽命分布云圖

圖8 電源組件熱疲勞壽命分布云圖

由故障預(yù)計(jì)可以獲得各個(gè)元器件的潛在故障模式、對應(yīng)的故障物理模型、失效表現(xiàn)形式和TTF等故障信息。通過對比組件故障預(yù)計(jì)云圖與左側(cè)梯度條,能夠判斷出該組件中預(yù)計(jì)壽命最短的關(guān)鍵元器件。

考慮到關(guān)鍵元器件的故障物理模型參數(shù)對應(yīng)力損傷和累計(jì)損傷的影響,在故障物理分析的基礎(chǔ)上,通過對關(guān)鍵元器件的故障物理模型參數(shù)進(jìn)行分散性設(shè)置(參數(shù)分布選擇設(shè)置選擇正態(tài)分布,參數(shù)上下限設(shè)置分別為恒定數(shù)值的±10%),并結(jié)合蒙特卡洛仿真方法進(jìn)行參數(shù)離散和隨機(jī)抽樣計(jì)算(設(shè)置蒙特卡洛樣本容量為1萬),開展隨機(jī)故障分析,最終獲得大量的單點(diǎn)仿真故障數(shù)據(jù)。電源組件中關(guān)鍵元器件振動(dòng)疲勞的預(yù)計(jì)壽命如表6所示。

表6 電源組件振動(dòng)疲勞預(yù)計(jì)壽命

設(shè)定該組件線路板的預(yù)期工作時(shí)長(以10萬個(gè)小時(shí)為例),由關(guān)鍵元器件的單模式故障預(yù)計(jì)分析結(jié)果可以看出:以振動(dòng)疲勞模型進(jìn)行單一輸入時(shí),該電源組件中CPLD芯片、穩(wěn)壓塊1、穩(wěn)壓塊2、開關(guān)電源的預(yù)計(jì)壽命較長,而8個(gè)電源模塊預(yù)計(jì)壽命較短,且不同電源模塊的預(yù)計(jì)壽命值相近。電源組件中關(guān)鍵元器件熱疲勞的預(yù)計(jì)壽命如表7所示。

表7 電源組件熱疲勞預(yù)計(jì)壽命

以熱疲勞模型進(jìn)行單一輸入時(shí),該電源組件內(nèi)部各元器件的預(yù)計(jì)壽命值均低于振動(dòng)疲勞模型的預(yù)計(jì)壽命值,說明該電源組件更容易受到熱應(yīng)力影響。結(jié)合該電源組件的實(shí)際使用情況,能夠判斷出該電源組件的主要應(yīng)力影響來自熱應(yīng)力,振動(dòng)應(yīng)力產(chǎn)生的影響較小。

6 結(jié)束語

本文以某電源組件為例,研究了基于故障物理模型的可靠性仿真分析方法。介紹了產(chǎn)品信息收集、CAD模型建立及簡化方法,闡述了CFD建模及熱分析方法、FEA建模及振動(dòng)分析方法。通過對物理樣機(jī)開展熱測量試驗(yàn)和模態(tài)試驗(yàn)對仿真模型進(jìn)行修正和驗(yàn)證,保證了數(shù)字樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性,提高了仿真結(jié)果的可信度。通過基于故障物理模型的可靠性仿真試驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié),并指明潛在故障發(fā)生的位置和原因,從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)。