一种航空参数处理设备电源模块的FMIS方法

摘要

一种航空参数处理设备电源模块的FMIS方法，该方法有四大步骤：步骤一：确定航空参数处理设备电源模块上的关键部件；步骤二：确定关键部件的失效模式；步骤三：进行电源模块在正常状态下的瞬态电路仿真；步骤四：进行电源模块在失效状态下的瞬态电路仿真。本发明是基于应力仿真方法和失效模式注入技术来确定航空参数处理设备电源模块失效模式，并定量获得该失效模式下电路输出，为设计人员评估失效模式的影响、确定其危害性提供依据，同时也为电源模块的设计改进提供依据。它在产品可靠性仿真技术领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。

主权项

1.一种航空参数处理设备电源模块的FMIS方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：确定航空参数处理设备电源模块上的关键部件：包括：a.首先要获得电源模块在温度、振动载荷下的应力分布；详细过程如下：1）确定电源模块任务过程中最恶劣的温度和振动环境；包括：①.若电源模块的设计要求中给出了电源模块的工作温度范围以及振动加速度功率谱密度剖面，则选择温度范围中的高温作为最恶劣的温度环境，选择所给出的振动加速度功率谱密度剖面中，振动加速度功率谱密度量值最大的一个做为最恶劣振动环境，若只给出一个振动加速度功率谱密度剖面，则将该剖面确定为最恶劣振动环境；②.若电源模块设计要求中未给出电源模块的工作温度范围以及振动加速度功率谱密度剖面，根据国家标准《GBT2423.43-2008电工电子产品环境试验》确定最恶劣的温度和振动环境；2）对电源模块进行Flotherm温度分布仿真；Flotherm是一种有限积分软件，其功能是进行温度仿真；包括：a)导入电源模块的三维CAD模型；首先将建立好的电源模块三维CAD模型通过中间格式，IGES、SAT、STEP格式导入到Flotherm软件中，该三维CAD模型描述了电源模块的结构组成、装配连接关系，包括电源模块以及功耗超过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；b)定义电源模块组成各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；c)对电源模块模型进行网格划分;利用Flotherm软件进行自动网格划分，网格长宽比控制在20以内；d)施加温度载荷与边界条件；温度载荷包括最恶劣环境温度和元器件的工作实际功耗，利用Flotherm的温度施加命令，将1）中确定的最恶劣温度环境条件施加到电源模块模型中；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的热流密度施加命令，输入到Flotherm软件中；利用Flotherm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；e)实施温度分布仿真；利用Flotherm的求解命令进行该电源模块在最恶劣温度条件下的温度分布仿真，最终获得电源模块各部分，各位置点的温度分布；3）对电源模块进行ANSYS振动应力分布仿真；ANSYS是一种有限元仿真软件，能进行功率谱密度仿真；包括：a）导入电源模块的三维CAD模型；首先将建立好的电源模块三维CAD模型通过中间格式，IGS、STEP格式导入到ANSYS软件中，该三维CAD模型描述了电源模块的结构组成、装配连接关系，包括了电源模块以及重量大于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；b）定义电源模块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；c）对电源模块模型进行网格划分；利用ANSYS软件进行自动网格划分，网格长宽比控制在5以内；d）施加振动加速度功率谱密度与边界条件；包括，利用ANSYS的加速度功率谱密度施加命令，将1）中确定的最恶劣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，并施加到电源模块的固定位置部位，施加方向垂直于电源模块的安装方向；利用ANSYS的位移边界施加命令，对电源模块固定位置部位施加X、Y、Z三个方向的零位移约束；e）实施振动应力仿真；设置电源模块的振动阻尼值，根据工程经验选择0.03到0.05之间的数量；利用ANSYS的求解命令进行该电源模块在最恶劣振动条件下的应力仿真，求解结束后获得电源模块各部位的响应，包括位移、速度以及加速度均方根；b.将高温、高振动响应的元器件、零部件确定为关键部件；对于集成电路芯片、二极管、晶体管分立器件，若芯片的质量等级为工业级，则当仿真得到其表面温度超过85℃时，该集成电路为关键部件；若芯片质量等级为军品级，则当仿真得到其表面温度超过100℃时，该集成电路为关键部件；对于电阻器、电容器元器件，若其与电路板的连接方式为表面贴装，则当仿真得到其表面温度超过90℃时，该元器件定为关键部件；将设备在振动仿真中得到的位移、加速度均方根最大值的部位所在的元器件、零部件定为关键部件；步骤二：确定关键部件的失效模式；根据下列表1，电子产品的载荷与失效模式及失效原因的对应关系，利用步骤一中获得的电源模块上关键元器件与部件所受的载荷类型来确定其可能的失效模式；表1电子产品受到的载荷与失效模式与失效原因对应关系步骤三：进行电源模块在正常状态下的瞬态电路仿真；包括：a.建立正常状态下电源模块的Pspice电路模型；首先建立组成电源模块的各元器件的模型；对于电阻器、电容器、电感器、二极管、晶体管元器件的电路模型在Pspice的模型库中选择通用模型，根据元器件的实际参数来修改通用模型中相应参数；对于集成电路芯片和二极管、晶体管器件，若Pspice模型库中无法找到对应型号的模型，到元器件制造商的网页下载相应的模型；元器件模型建好后，根据电路功能关系，将各元器件输入输出端连接起来，形成电源模块的Pspice电路模型；b.对正常状态下电路进行瞬态仿真；输入外界提供给电源电路的电压随时间的变化曲线，启动Pspice电路瞬态仿真，获得正常状态下电路中各元器件的输入和输出电参数以及电路最终的输出，步骤四：进行电源模块在失效状态下的瞬态电路仿真；包括：a.失效模式注入；将步骤二确定的关键元器件的失效模式注入到步骤三中的步骤a中建立的电源模块Pspice电路模型中，形成失效状态下的电路模型；元器件的失效模式注入方法如下列表2所示；表2元器件失效模式的注入方法b.对失效状态下的电路进行瞬态仿真；输入外界提供给电源电路的电压随时间的变化曲线，启动Pspice电路瞬态仿真，获得失效状态下电路中各元器件的输入和输出电参数以及电路最终的输出。