基于失效物理的可靠性仿真技術及軟件設計

梁奕坤，胡寧，黃進永，余昭杰

（工業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及軟件設計

梁奕坤，胡寧，黃進永，余昭杰

（工業和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610）

介紹了失效物理、可靠性仿真試驗的內涵及其分析流程，在此基礎上引入了基于失效物理的可靠性仿真技術及軟件工具，闡述了CARMES-pofRAS的技術架構和主要功能，其能夠根據產品的熱、機械、電子和電化學等應力，并結合材料和結構信息快速、準確地定位產品的故障部位、故障機理和首次故障平均前時間。

失效物理；可靠性仿真；軟件設計；可靠性仿真軟件

0　引言

可靠性技術經過60多年的發展，已經逐步地形成了較為完整的技術體系，可靠性建模、可靠性預計、FMEA和FTA等工程技術已在工程中得到了普遍的應用，對于提升產品的可靠性、降低其壽命周期費用發揮了重要的作用［1］。

可靠性的發展與技術的發展、產品演進的需求是密不可分的。近年來，隨著工業技術、信息技術和原材料的不斷發展和進步，以及產品向復雜化、集成化、體系化、智能化、微型化、機電一體化、綠色環保和信息物理融合等方向演進，可靠性工程技術也在快速地向前發展。本文將結合當前技術、產品發展的現狀和趨勢，介紹一種基于失效物理的可靠性仿真技術和軟件設計。

1　可靠性仿真試驗的內涵和發展趨勢

隨著信息技術、建模與仿真、虛擬現實、人工智能和計算機網絡等技術的飛速發展，以及仿真、虛擬技術與試驗評價技術的融合，仿真試驗技術應運而生。將仿真試驗技術應用到可靠性領域，形成一種基于仿真試驗的可靠性驗證評價技術，即可靠性仿真試驗與評價技術，是目前可靠性試驗技術的研究熱點和發展趨勢之一。

2.1仿真試驗的內涵

仿真試驗又被稱為虛擬試驗，仿真試驗是在長期積累的大量有關數據、動力學模型和各類三維模型的基礎上，利用高性能計算機、網絡環境、傳感器或各種虛擬現實設備，建立一種能方便地進行人機交互的虛擬環境或虛擬與實際結合的環境，在此環境中對實體、物理樣機或虛擬樣機進行試驗，用可視化的方法觀察被視物體的性能及其相互間的關系，并對試驗結果進行分析與研究。例如：虛擬風洞、發動機試車仿真試驗和飛行仿真試驗等。

從廣義上講，任何不使用或部分使用實際的硬件來構造試驗環境，完成實際物理試驗的方法和技術都可以被稱為仿真試驗。

仿真試驗技術的作用主要體現在，它能搭建起產品數字化設計和性能試驗的橋梁，通過構建數字化的試驗和測試環境，利用計算機技術、信息處理技術、CAX（CAD/CAE/CAPP/CAM）技術和虛擬現實等技術，對指定試驗的特殊屬性進行數字化檢測，為設計人員提供產品功能、性能等多方面的信息，使設計人員能夠根據設計方案方便、快捷地評估產品的各項性能與可靠性等指標。從虛擬試驗的內容方面看，仿真試驗往往對照傳統實物試驗的試驗目的進行，對已經能夠利用數學模型描述的部分進行仿真建模，得到虛擬試驗樣機，在此基礎上進行仿真預示，開展相關的試驗驗證活動。顧名思義，仿真技術是仿真試驗不可或缺的關鍵技術和有效手段。

仿真試驗意味著試驗手段、對象和環境應力等都是虛擬的。仿真試驗技術屬于可控制的、無破壞性的、耗費小并且允許多次重復的試驗手段。在復雜產品的研制過程中，仿真試驗不僅可以作為真實試驗的前期準備工作，而且可以在一定的程度上替代傳統的物理試驗，減少物理樣機制造試驗次數，使試驗不受場地、時間和次數的限制，并實現對試驗過程的記錄、重復和再現，實現設計者、產品用戶在設計階段信息的互反饋，使設計者盡早地發現并解決設計過程中存在的潛在問題，從而達到縮短新產品試驗周期、降低試驗費用、提高產品質量的目的。

但是，仿真試驗并不能完全代替真實試驗，二者具有互補性。真實試驗除了可以為仿真試驗模型的確認提供必要的數據和信息之外，還可以發現仿真試驗不能涵蓋的問題。

2.2可靠性仿真試驗

a）目的

在產品研制的早期，發現設計上的薄弱環節并指明原因，指導設計改進，提高產品的固有可靠性，以及對產品的可靠性水平進行預先評估。

b）適用階段

開始于產品詳細設計階段，隨著研制進度的循環迭代，直至產品設計定型前最終完成。

c）主要特點

可靠性仿真主要包括以下幾個特點：

1）它是一種基于物理故障的可靠性技術，是一種采用建模與仿真手段，對產品的可靠性進行分析和評估的工程方法；

2）與性能設計并行開展，及時地支撐設計人員進行可靠性設計和優化；

3）采用數字樣機與計算機仿真，不受物理樣機和試驗資源的限制；

4）“建模仿真-物理試驗-模型修正”是可靠性仿真試驗最有效的運行方式。

d）原理和主要流程

可靠性仿真試驗的原理如圖1所示，主要原理和流程如下所述：

1）輸入 （導入）產品的數據化樣機、壽命周期環境條件、使用條件和設計信息等；

2）按照產品的使用 （任務）剖面仿真輸入熱、電、振動和機械等方面的應力（可應用FLOTHERM、ANSYS等）；

3）應用失效物理模型庫和相應的仿真軟件工具 （例如：美國馬里蘭大學的Ca1ce PWA、工業和信息化部電子第五研究所的pofRAS等），進行故障模式/機理及影響分析 （FMMEA）、累積損傷分析和蒙特卡洛仿真等，預測產品的平均首次故障時間，找出相應的主故障機理；

4）根據上述故障預計結果，綜合地運用故障分布擬合、故障聚類、多分布綜合和可靠性綜合評估等手段，評估產品的可靠性水平；

5）輸出仿真試驗結果，主要包括產品的可靠性薄弱環節、建議的改進措施和可靠性綜合評估結果等。

圖1　可靠性仿真試驗原理示意圖

國內外型號產品在項目中的應用實踐表明，可靠性仿真試驗可以有效地克服實物試驗的局限性，顯著地縮短研制周期，降低技術、項目風險和研制成本，已經成為了與可靠性實物試驗并舉 （或作為必要補充）的一種新的試驗形式?？煽啃苑抡嬖囼炁c實物試驗可以相輔相成、互相補充?？煽啃苑抡嬖囼灴梢詮浹a實物試驗的不足，尤其是在對子樣或試驗過程中會對試驗對象造成嚴重損傷的情況下，但是，仿真試驗的成功必須建立在實物試驗積累的大量的數據的基礎上；實物試驗可以通過提供虛擬試驗模型，以及仿真驗證和確認時所需的信息來改進仿真試驗的效能和精確度。

2　基于失效物理的可靠性仿真軟件設計

基于失效物理的可靠性仿真技術利用失效物理原理和恰當的故障概率密度分布進行無故障工作設計，并預測每種潛在故障機理的平均首次故障前時間［2-4］。它從了解故障過程的根本原因著手，找出最早發生故障的部位和設計的“最薄弱環節”，也可以用于判斷產品能否達到預期的使用壽命，亦可用來針對主要故障機理進行改進設計，增強產品的耐用性。如果能獲得基本的物理和應力信息，這種方法也可以用來認證設計和制造過程，確保設計和制造規格滿足或超過可靠性目標。

CARMES-pofRAS［5］是國內首款基于失效物理的可靠性仿真軟件，其技術架構如圖2所示。CARMES-pofRAS根據溫度、振動、沖擊和其他環境條件，采用計算機模擬產品的熱、機械、電子和電化學等局部應力，再結合材料和結構對應力響應的知識快速、準確地定位產品的故障部位、故障機理和平均首次故障前時間 （如表1所示），將產品在后端物理試驗及實際使用中產生的問題暴露在設計階段，從而提高產品的固有可靠性、保證產品的使用可靠性，減少產品重復設計的時間，降低產品的設計成本和維護經費。

圖2　CARMES-pofRAS的技術架構

表1　某數據采集器可靠性仿真分析結果報表

CARMES-pofRAS主要具有以下幾種功能。

a）計算產品在定時加速壽命試驗中的極限情況，在設計前端快速地定位薄弱環節，試驗包括：溫度循環、隨機振動、機械沖擊、機械諧振和機械靜力，以及前5項試驗中任意項的隨機組合。

b）計算產品的平均首次故障時間和相應的主故障機理，各階段所采用的計算產品的平均首次故障時間和相應的主故障機理的方法為：1）出廠驗收試驗——溫度循環、隨機振動和機械沖擊等；2）工廠到倉庫運輸階段——溫度循環和隨機振動等；3）貯存階段——溫度循環；4）倉庫到安裝地點運輸階段——溫度循環和隨機振動等；5）安裝階段——溫度循環和機械沖擊等；6）正常工作階段——溫度循環、隨機振動和機械沖擊等。

CARMES-pofRAS集電裝組件建模、熱學分析、振動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同設計方案，提高產品的固有可靠性、保證產品的使用可靠性，減少產品重復設計的時間。

3　結束語

基于失效物理的可靠性仿真技術是以產品失效的宏觀表象特征和微觀過程為依據，構建產品的失效模型，綜合利用熱仿真、振動仿真獲取的應力數據和其他可靠性相關信息對產品進行可靠性建模和統計推斷的技術。CARMES-pofRAS從電裝組件建模模塊、熱分析模塊和振動分析模塊獲取局部溫度和局部位移數據，結合內嵌的失效物理算法，能夠快速地定位電裝組件的故障部位和故障模式，同時采用失效物理方法計算其累積損傷度和平均首次故障前時間，包括焊接熱疲勞故障、引腳機械疲勞故障。

［1］潘勇，黃進永，胡寧.可靠性概論 ［M］.北京：電子工業出版社，2015.

［2］彭健.基于失效物理的電子系統可靠性預計研究與實現［D］.成都：電子科技大學，2012.

［3］劉強.基于失效物理的性能可靠性技術及應用研究 ［D］.長沙：國防科學技術大學，2011.

［4］陳云霞，謝汶姝，曾聲奎.功能分析與失效物理結合的可靠性預計方法 ［J］.航空學報，2009，29（5）：1133-1138.

［5］潘勇，馮燕寬.六性協同工作平臺CARMES用戶手冊［Z］.廣州：工業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，工業和信息化部電子第五研究所可靠性數據中心助理工程師，主要從事計算機輔助五性一體化協同設計與分析技術研究、五性工程軟件設計開發工作。