機載電子設備結構可靠性技術分析

焦超鋒， 醋強一， 任召， 吳慧杰

（中國航空計算技術研究所，西安710068）

機載電子設備結構可靠性技術分析

焦超鋒， 醋強一， 任召， 吳慧杰

（中國航空計算技術研究所，西安710068）

現階段結構可靠性的工作主要包括結構可靠性設計、結構可靠性仿真和分析、整機可靠性試驗等，設計奠定了可靠性的基礎。可靠性仿真工作就是通過仿真建模，查找設計中存在的薄弱位置，通過修改模型，達到提高結構可靠性的目的。可靠性試驗驗證是可靠性量化的有效途徑。通過全流程質量控制，可以有效提高設計產品的可靠性。

電子設備；結構可靠性；可靠性設計

0 引言

隨著電子設備性能的不斷提高，設備內部大量采用了高密度組裝、輕量化設計等技術，這使得電子設備的集成化程度越來越高，單位體積內的重量也越來越大，熱流密度不斷攀升，這些都對系統的可靠性提出了更高的要求。

可靠性工程技術從一開始，就是作為研究產品的全壽命周期內，與故障作斗爭的工程技術，它從系統的整體性和外界環境適應性兩個角度出發，研究產品發生故障的物理機理和具體規律，運用這些機理和規律進行產品的故障預防、預測、診斷與修復。同時評估產品的可靠性水平、減少與產品故障相關的維修資源和維修費用。結構可靠性研究隨著在新產品研制中的不斷推廣和應用，近年來取得了較快的發展。目前我所已成立了"五性"工作小組，起草了結構產品五性相關技術規范和模板，通過某型號系列產品的可靠性設計、可靠性仿真分析和可靠性預計、可靠性摸底試驗和可靠性強化試驗驗證，形成了一套有效提高產品可靠性的方法，并正向其它項目推廣。

結構可靠性工作包括結構可靠性設計工作、結構仿真分析工作、整機可靠性試驗驗證、可靠性數據分析和信息積累等工作。從結構可靠性工作研究的對象角度來看，未來將進一步細化和深入，將從目前的整機級結構可靠性研究不斷向模塊級、芯片級乃至焊點級階段深入發展?？煽啃灶A計方面，將通過對產品的熱、強度剛度、EMC等方面的仿真分析，結合試驗驗證，實現在設計之初對產品各項關鍵技術指標的可信預計。

1 結構可靠性設計

現階段，機載電子設備在進行結構設計時，需要站在系統工程的角度，全面分析產品所面臨的熱加固問題、強度剛度問題、電磁兼容性問題及減重設計等問題。機載電子設備結構可靠性首先是設計出來的，站在設計的角度，需要考慮的方面很多，以結構可靠性強度指標為例，目前結構可靠性指標主要是講疲勞強度極限和壽命指標。它是以疲勞強度校核為主線，以仿真分析的零件薄弱部位的最大應力作為研究對象，以零部件材料高周疲勞強度極限除以安全因子作為許用應力，通過兩者比對來判斷結構設計是否合適。根據頻率響應仿真分析結果，可以得到零部件在既定疲勞強度下的循環次數，用該指標除以正零交越數，即可得到零部件的疲勞壽命。

目前，電子產品的可靠性預計和分析技術已經成熟，結構類產品因為大多是為特定用途而單獨設計的，屬于專用件，由于樣本量較小，通用性也不強，標準化程度還不是很高，且其對載荷大小、使用環境等十分敏感，因此結構件可靠性分析與預計目前屬于該領域的前沿技術。還不能像電子器件那么明確和容易，機械類產品的可靠性設計和可靠性指標的預計，目前還沒有一套成熟、簡便的經驗和章程可循，但實踐證明，一些電子產品的可靠性方法和通用準則，只要使用得當，它對結構可靠性水平的提高，也是具有參考意義的。

1）簡化設計和標準化設計。在電子機械類產品中，基本是由零部件通過串聯方式組成，其可靠性模型大部分屬于串聯形式。因此，提高系統可靠性的基本方法是從選用高可靠性的零部件、減少整機中零部件數目及簡化結構設計形式做起。盡量采用結構簡單、具有成熟經驗、低故障率的產品，采用標準化的零件和技術，減少不必要的零件，去掉可有可無的零部件。這樣可以減少零部件故障的可能性，可以有效保證電子設備的系統可靠性目標實現。

2）故障經驗的總結和應用。解決產品故障，需要花費大量的精力，失效經驗是凝聚了前人經驗的寶貴財富，因此，總結和利用這些經驗，是保證后續產品高可靠性的最直接方法。可靠性設計顧名思義，就是要在設計階段預測和預防產品將來可能發生什么樣的故障。要做到這些，一是要認真研究理論，通過分析和試驗方法驗證；二是借鑒個人和前輩們成功或者失敗的經驗。成功的經驗在設計規范和手冊中基本可以看到，對于故障的經驗，因為種種原因，大家往往不太重視。而這些，對于產品可靠性設計工作來說，是極其重要的信息。國外企業在這方面非常重視，收集失效案例，供設計者參考，目前國內也已經慢慢重視這方面的工作，定期發布故障信息，采用故障案例等方式，不斷對設計人員進行教育，取得了一定的效果。

3）損傷容限和失效安全設計。在機械結構零部件中，當一部分結構發生裂紋或損傷時，通過結構設計，能使這種損傷控制在一定的范圍之內，直到下一次檢測或者定期維修前，整個結構不至于發生致命的破壞或者影響系統功能的正常發揮，這樣的設計理念稱作損傷容限設計。失效安全是指當系統的一部分發生故障后，依靠產品自身結構特性，保證系統安全的一種設計。這些方法在航空、船舶及壓力容器等涉及安全性的重要結構中經常使用。

4）FMECA、FTA和設計評審。FMECA就是故障模式影響和危害度分析，FTA就是故障樹分析。這些方法和設計評審一樣，無論是對電子產品還是機械產品來說，都是適用的。它可以幫助設計人員在設計環節，盡早快速找出設計中的薄弱環節。尤其是FMECA和設計評審這些方法，被業界認為是目前機械產品領域可靠性分析中具有最高效費比的管理方法。在國外已經得到了普遍的應用，是設計階段必須要開展的工作。FTA方法適用于較為復雜的結構系統，對于一般串聯故障模式的機械設備，在多因素影響時的故障分析方面具有重要的使用價值。

提高結構設計可靠性的方法還有很多，例如安全裕度設計、冗余設計、機械零件結構的概率設計、健壯設計、系統可靠性分析和預計等，總之，這些方法需要融會貫通，根據不同場合合理運用在設計中，就能不斷提高產品的結構設計可靠性。

2 可靠性仿真及熱仿真分析

可靠性仿真是通過收集產品信息，建立虛擬試驗數字樣機，根據產品在全壽命周期內的使用條件和工作環境，進行虛擬的數字樣機的建模和熱應力及應變分析、隨機振動分析，建立產品的失效物理模型，并結合實際物理樣機的模態試驗和熱試驗進行數字樣機的校正。對虛擬模型中的薄弱環節進行改進，最終達到設計需求，然后進行產品的故障預計和可靠性評估。仿真流程如圖1所示。

圖1 可靠性仿真分析流程圖

熱仿真分析是利用有限元分析軟件，例如Flotherm軟件，通過其它常用的三維結構設計軟件建模，然后導入熱分析軟件，建立虛擬的三維熱仿真有限元模型。再對仿真的機箱及內部模塊的結構特征和材料屬性進行設置，施加相應的溫度邊界條件，確定內部模塊上溫度分布云圖和溫度梯度，如果建模足夠細致，也可以得到內部關注的元器件表面殼溫。通過熱仿真分析，可以在設計階段就能找到產品設計中潛在的熱問題，通過修改散熱方式或提高器件的耐溫等級，以剔除設計中的薄弱環節，達到優化熱設計和提高設備可靠性、降低設備壽命周期費用的目的。

在熱分析過程中，首先確定模塊內部器件功耗分布，建立產品模型，然后根據邊界條件，施加相應的熱應力及風量，再進行軟件仿真分析。以某計算機為例，環境溫度70℃，通過分析，可以得到整機溫度場分布結果。機箱表面的平均溫度為60℃，比環境溫度低10℃。整機溫度分布如圖2所示，機箱和模塊溫度分析結果數據見表1和表2。

模塊上的溫度分布如圖3所示。

圖2 整機溫度分布云圖（環境溫度：70℃）

表1 機箱溫度結果（環境溫度：70℃）

圖3 模塊上的溫度分布圖

通過仿真分析，可以找到設計的薄弱環節，通過改進供風量、器件布局、散熱措施等，降低模塊上最高溫度，從而達到剔除設計缺陷、優化產品設計的目的。

3 可靠性試驗驗證

可靠性試驗是可靠性設計、改進及評價的重要手段。目前的可靠性試驗，大多是建立在統計基礎上的環境模擬試驗，這是國內比較普遍的可靠性試驗的方法。國際上的一些研究機構在現有基于故障物理學的可靠性技術的框架下，研究和發展基于故障物理學的加速可靠性試驗技術、基于故障物理的環境應力篩選技術及基于故障物理的可靠性鑒定與評估方法等。

4 結語

現階段，通過可靠性設計、可靠性熱仿真、強度、剛度等振動仿真分析以及充分的可靠性試驗驗證方法，就可以在產品設計的初期，發現設計中潛在的故障隱患和薄弱環節，盡早解決設計缺陷。減少設計更改次數，減少研發經費，縮短研發周期，對產品的順利研發很有幫助。

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（編輯：立 明）

V 243

A

1002－2333（2014）04－0112－03

焦超鋒（1975—），男，高級工程師，主要研究方向為機載電子設備結構設計。

2013-12-05