一种基于故障物理的电子产品任务可靠度计算方法

摘要

一种基于故障物理的电子产品任务可靠度计算方法，其步骤：一：采集产品所有任务剖面信息，确定各任务的环境剖面；二：对各任务的环境应力进行热仿真和振动仿真，得到产品对环境载荷的局部响应；三：建立产品仿真模型；四：完成所有任务剖面下产品仿真计算，得出产品的平均故障前时间和主故障机理；五：根据平均故障前时间来计算产品任务可靠度。本发明是基于故障物理的电子产品任务可靠度计算方法，考虑产品在寿命使用中所有任务，对各任务的环境应力进行仿真，综合计算出产品平均故障前时间及任务可靠度。通过故障物理模型可以得到产品材料、结构和工艺等参数与可靠性的直接关系，明确而直接地为产品提供设计改进方向。

主权项

1.一种基于故障物理的电子产品任务可靠度计算方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：采集产品各任务相关设计信息，包括：a.确定产品在全寿命周期内所有执行任务剖面信息，包括产品在全寿命周期使用中历经的所有典型任务剖面、每个任务剖面的名称与持续时间；统计飞机的飞行记录历史信息获得各个任务剖面的持续时间，任务剖面个数为m；b.确定各任务的环境剖面，根据国家军用标准GJB899A-2009《可靠性鉴定与验收试验》，结合产品任务剖面内不同任务阶段的环境温度数据，并综合考虑产品散热和气候变化的影响，画出产品各个任务对应的温度剖面，根据产品在任务过程中承受随机振动情况分析画出产品在各个任务剖面所经受的振动剖面；温度剖面包括任务过程中各时间对应的温度，其中包括静态温度及温度变化过程，振动剖面包括任务过程中各时间对应的不同振动量级的振动应力及各振动量级对应的振动加速度功率谱密度图；c.确定产品在全寿命周期内的总工作时间要求T；步骤二：将产品各任务的环境应力进行仿真，获得产品对环境载荷的局部响应，包括：a.针对产品每个任务，利用Flotherm软件对产品进行温度应力仿真，得到产品的温度分布，包括：1)导入产品的三维CAD模型；首先将建立好的产品三维CAD模型通过中间格式导入到Flotherm软件中，该三维CAD模型描述了产品的结构组成、装配连接关系，包括了产品所有的电路模块以及功耗超过0.1W的元器件的几何结构，不需要建立元器件焊接点的几何结构；2)定义产品各组成部分的温度分布仿真材料参数，包括：各组成材料的比热容、导热系数，至此形成产品模型Ⅰ；3)对产品模型Ⅰ进行网格划分；利用Flotherm软件进行自动网格划分，网格长宽比应控制在20以内，至此形成产品模型Ⅱ；4)施加温度载荷与边界条件；温度载荷包括环境温度和元器件的工作实际功耗，利用Flotherm软件的温度施加命令，将步骤一中确定的任务的温度剖面中静态温度施加到产品模型Ⅱ中，将元器件的实际功耗除以元器件的表面积，得到面热流密度，利用Flotherm软件的热流密度施加命令，输入到Flotherm软件中，利用Flotherm软件的温度边界设置命令，设置元器件与空气相接触面的自然对流换热系数；5)实施温度应力仿真；利用Flotherm软件的求解命令进行该产品在温度条件下的温度分布仿真，最终获得产品各部分各位置点的温度分布，得到温度应力仿真结果；b.针对每个任务，利用ANSYS软件对产品进行振动应力分布仿真，包括：1)导入产品的三维CAD模型；首先将建立好的产品三维CAD模型通过中间格式导入到ANSYS软件中，该三维CAD模型描述了产品的结构组成、装配连接关系，包括了产品所有的电路模块以及重量大于0.1克的元器件的几何结构，不需要建立元器件焊接点的几何结构；2)定义产品组成各部分的振动应力仿真材料参数，包括：各组成材料的密度、弹性模量、泊松比，至此形成产品模型Ⅲ；3)对产品模型Ⅲ进行网格划分，利用ANSYS软件进行自动网格划分，网格长宽比应控制在5以内；4)施加振动加速度功率谱密度与边界条件；利用ANSYS软件的加速度功率谱密度施加命令，将步骤一中确定的加速度功率谱密度图中振动加速度功率谱密度量值及其对应的频率值输入到ANSYS软件中，并施加到产品的固定位置部位，施加方向垂直于产品的安装方向，利用ANSYS软件的位移边界施加命令，对产品固定位置部位施加X、Y、Z三个方向的零位移约束；5)实施振动应力仿真；设置产品的振动阻尼值，根据工程经验选择0.03到0.05之间的数量，利用ANSYS软件的求解命令对该产品在该任务的振动条件下的应力仿真，求解结束后获得产品各部位的响应，包括位移、速度以及加速度均方根，得到振动应力仿真结果；步骤三：建立产品仿真模型，针对各个任务进行单应力损伤分析，调用CalcePWA软件中的故障物理模型和损伤累积模型对产品进行故障仿真,对产品进行故障仿真和预计的软件，包括:a.采用CalcePWA软件建立产品仿真模型，包括：1)利用CalcePWA软件的PWA DESIGN模块输入电路板的外形尺寸，板层信息及镀通孔尺寸及材料参数；2)编辑输入电路板上所有类型的元器件参数，对不同封装类型的元器件，需要输入的参数不同，参数类型主要包括元器件尺寸、封装参数、芯片参数、互联信息、焊点信息、工作条件和修正因子；3)根据产品设计单位提供的信息输入电路板上各个元器件的位置信息，包括器件所属类型、中心X和Y坐标、安装面、安装角度及电热过孔数目和类型和额定功率；4)对产品内因参数离散化；考虑到同一批次产品由于工艺等原因其参数会有一定分散性，在CalcePWA软件中将影响产品设备故障的内因包括元器件结构尺寸、材料参数以及工艺参数进行离散化，由于在产品中，结构、材料、工艺等参数分布函数难以获得，统一采用三角分布，三角分布需定义参数的标准值以及取值的上下限，并假定取值在上下限范围内呈线性变化；b.对产品进行单应力损伤分析，并生成产品寿命周期内的应力剖面，包括：1)针对每个任务的环境剖面，进行单应力损伤分析；将步骤二得到的温度应力仿真结果作为各电路模块的热分析边界条件输入至CalcePWA软件的THERMAL ANALYSIS模块中并进行热分析，将步骤二的振动应力仿真结果作为振动激励条件输入至CalcePWA软件的VIBEATION ANALYSIS模块中进行振动分析；2)在CalcePWA软件的LIFE PROFILE模块中生成产品寿命周期内的应力剖面，即将THERMAL ANALYSIS和VIBEATION ANALYSIS模块中分析得到的温度和振动分析的结果作为输入，并设置高低温持续时间和转换时间，环境剖面循环次数，在对各个任务下的产品进行仿真分析时，假设产品在整个寿命周期内重复完成某种任务，设各个任务的持续时间为t_i，则环境剖面循环次数T为产品在全寿命周期内的总工作时间要求，n_i取整数；c.对产品各尺寸、结构参数用蒙特卡洛方法进行1000次抽样，蒙特卡洛方法是一种使用随机抽样统计来估算数学函数的计算方法，进行损伤累积分析，计算产品在该任务下的主故障机理和TTF_i，包括：1)在CalcePWA软件的FAILURE ANALYSIS模块中将LIFE PROFILE模块中生成的产品寿命周期内的应力剖面作为输入，产品在多种应力作用下有多种潜在故障机理，在仿真中要调用所有故障物理模型；对产品各尺寸、结构参数进行1000次蒙特卡洛抽样；通过每种故障物理模型计算出产品各任务下该潜在故障机理对应的1000个故障前时间TTF，这1000个数值的均值为该潜在故障机理对应的TTF；2)对产品所有潜在故障机理进行仿真，得到各自对应的故障前时间TTF，根据故障机理的竞争关系模型，取TTF最短的故障机理为产品在该任务下的主故障机理，主故障机理的TTF为产品在该任务下的TTF_i；步骤四：完成所有任务剖面下产品仿真，并得到产品主故障机理和MTTF，包括：a.重复步骤二和步骤三，直到将产品在寿命周期内历经的所有任务完成仿真；b.对所有任务仿真分析结果的主故障机理综合分析，画出分布直方图；c.对所有任务下的故障前时间TTF_i取平均值，为产品的平均故障前时间MTTF,即其中MTTF为产品平均故障前时间，m为产品任务剖面个数，TTF_i为第i个任务下的故障前时间，i=1,2,…m；步骤五：根据步骤四计算的MTTF值计算产品任务可靠度，包括：a.根据步骤四计算出的MTTF，求得产品故障率λ的预计值，λ=1/MTTF；b.产品服从指数分布，产品可靠度R(t)=e^-λt，R(t)为t时刻产品的任务可靠度，t为工作时间，λ为产品故障率，根据产品可靠度R(t)计算公式，描绘出R(t)曲线，并求得任意工作时间t下的产品任务可靠度。