基于失效率預計的電連接器設計因素指標估算方法研究

(中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

1 引言

電連接器作為基礎元器件，主要用于實現電信號的傳輸、控制及電子與電氣設備間的電連接，已廣泛應用于航空、航天、電子、通訊等領域[1]，其可靠性的高低對系統的安全運行起著舉足輕重的作用[2]。電連接器的可靠性預計工作，不僅可以定量的評估其可靠性水平，而且可以有效指導產品的設計從而提高其可靠性[3,4]。GJB/Z 299C《電子設備可靠性預計手冊》中對電連接器的失效率預計模型為[5]：

λp=λbπEπQπPπKπC

(1)

其中，λp為工作失效率，λb為基本失效率(僅考慮電應力和溫度作用)。近年來，工程領域對依照上述模型開展的元器件失效率預計工作的缺陷已有了廣泛的共識[6,7]。對應美軍標MIL-HDBK-217F早已停用，GJB/Z 299C目前也正在進行換版修訂。

傳統模型除了缺少相關數據支撐以外，其缺陷還主要表現在：模型中并未充分考慮電連接器的設計、生產和使用過程對其失效率的影響，使得預計結果無法體現產品實際可靠性水平，也無法表現出不同研制、使用方案的差異或優劣。電連接器的工作失效率應當是由其基本失效率、設計因素、生產因素和使用因素的綜合作用的結果，即：

λ=f(λb，Dn，Pm，Uk)

(2)

其中，λb——產品基本失效率；Dn——Design，設計因素；Pm——Produce，生產過程因素；Uk——Use，使用過程因素。

設計因素Dn是指，在電連接器設計過程中，由技技術條件本身及設計水平的高低所引起可能會導致產品失效的因素。(2)式中將影響失效率的設計因素量化為Dn(Dn>1)。如何分析影響產品失效率的各種設計因素，并將其量化為一個綜合性指標Dn，是本文研究的問題。

2 電連接器設計因素的確定

2.1 關鍵設計因素集合

根據研發經驗及以往的失效數據構建電連接器設計因素集合。設計因素共21項如表1所示。主要包含通用因素、主要部件因素和其他零部件因素。

通用因素：標識問題、標準問題、更改問題、新技術新產品應用問題；

主要部件因素：接觸件規格尺寸、插孔結構、接觸件端接方式、接觸件材料、接觸件密封性結構、絕緣體材料，絕緣體結構、絕緣體尺寸、殼體連接方式、殼體材料、殼體灌膠、殼體鍵位、殼體螺紋；

其他零部件因素：其他零部件結構、其他零部件材料、其他零部件尺寸、附件問題。

表1 設計因素集合

2.2 關鍵設計因素確定

不同設計因素對產品失效率的影響是不同的。針對某一類型電連接器，需要對全部設計因素進行重要度分析和排序。從提高質量的方面來說，關注重要度高的設計因素可以改進產品設計從而提高產品質量；從對產品失效率預計方面來說，設計因素指標中體現對產品失效影響重要度高的設計因素，不會造成信息流失，同時也能夠簡化計算。

層次分析法(Analytic hierarchy process,簡稱AHP法)是處理綜合評價問題的有效模型[8,9,10]，它可以將人主觀判斷的定性分析進行定量化，同時幫助決策者保持思維過程的一致性，其具體步驟為：

1.明確問題。弄清楚需要確定的問題的范圍、所包含的因素和各因素之間的關系等。

2.建立層次結構。將因素進行分組，按最高層、若干中間層以及最低層的形式排列起來。

3.構造判斷矩陣。針對上一層次中的某元素而言，評定該層次中各有關元素相對重要性的狀況。

4.層次單排序。確定本層次與之有聯系的元素重要性的權重值。

5.層次總排序。利用層次單排序的結果計算針對上一層次的本層次所有元素的重要性權重值。

6.一致性檢驗。為了評價層次排序的計算結果的一致性，需要進行一致性檢驗。

采用該方法對某型號電連接器設計因素集合(表1)進行分析。

2.2.1 建立電連接器層次結構模型

某型號電連接器，現需要獲得該產品的關鍵設計因素以便進行設計改進。運用AHP法對影響產品失效率的所有設計因素進行重要度分析和排序，構建設計因素集合的層次結構模型，如圖1所示：

圖1 某型號電連接器設計因素層次結構模型

2.2.2 建立判斷矩陣

確定產品的設計因素層次結構模型上下兩層的隸屬關系，按照AHP法的一般步驟，構造同一層次因素的兩兩判斷矩陣。設兩兩判斷矩陣為aij，aij>0，aij=1/aji(i,j=1,2,…,n)，n為矩陣階數。以影響電連接器失效率的設計因素A為目標層，根據通用因素，主要部件因素和其他零部件因素在產品設計過程中相對比重來確定各因素的重要性，構造該級別的判斷矩陣。一般用1～9的標度對重要性結果進行量化，如表2所示：

表2 重要度判斷標度含義

由多位專家根據經驗對能夠影響該產品設計可靠性的不同類別設計因素之間和同一類別設計因素之間的重要度做出標度判斷，綜合后形成矩陣，見表3～6。

表3 判斷矩陣A-B

表4 判斷矩陣B1-C

表5 判斷矩陣B2-C

表6 判斷矩陣B3-C

由于產品復雜性和人們認知中存在的主觀偏差以及數字標度的限制，需要對專家們給出的判斷矩陣進行一致性檢驗，以確定評分沒有邏輯上的混亂。一致性檢驗的標準為：

(3)

其中，λmax為判斷矩陣最大特征值，IR為平均隨即一致性指標，數值可在表7中查詢：

表7 平均隨機一致性指標IR數值

各矩陣一致性檢驗結果計算如下，各矩陣CR值均小于0.1，具有滿意的一致性。

CRA-B=0.012<0.1

CRB1-C=0.030<0.1

CRB2-C=0.020<0.1

CRB3-C=0.089<0.1

2.2.3 計算各層次因素的權重系數并進行綜合評分

由2.2.2中的得到電連接器設計因素各判斷矩陣，對各因素的重要度指標值進行幾何平均：

(4)

(i,j=1,2,…,n，n為矩陣階數，aij為矩陣第i行，第j列的元素)

將其規范化，得到的向量W=(w1,w2,…,wn)T，是該層指標對上一層指標的權重向量。

得到因素B對因素A的權重WB-A和因素C對因素B的權重WC-B后，因素C對頂層因素A的權重也可以通過下式得到：

WC-A=WC-B·WB-A

(5)

所得結果如表8所示：

表8 權重值表

WC={0.0960 0.0143 0.0443 0.0120

0.1869 0.0899 0.0899 0.0215

0.0183 0.0899 0.0865 0.0336

0.0633 0.0141 0.0192 0.0124

0.0141 0.0604 0.0082 0.0213

0.0041}T

對該型號電連接器設計因素對其失效率影響權重值WC進行從大到小排序:

WC5>WC1>WC6=WC7=WC10>WC11>WC13>WC18>WC3>WC12>WC8>WC20>WC15>WC9>WC2>WC14=WC17>WC16>WC4>WC19>WC21

從權重值排序可看出，各設計因素對產品失效率影響權重值排列前6位的分別是：接觸件規格尺寸C5、標識問題C1、插孔結構C6、接觸件端接方式C7、接觸件密封性結構C10、絕緣體結構C11，說明這幾個因素對該產品失效有較大影響。

3 設計因素指標的估算

以某型號電連接器的產品歷史故障庫為基礎，初步得到設計因素Dn值，稱為對比法。具體步驟為：

1.收集關于該電連接器有效失效案例共214件，按之前確定21種設計因素，進行分類統計：

表9 某產品設計因素影響統計表(共214例)

2.將重要度值最小的設計因素指標Qmin為附件問題C21，將其設計因素值記為1，即Dn0=1；

3.在表9中找到由Qmin造成的產品失效的個數，記為k0，k0=2；

4.統計樣本中所有設計因素導致產品失效的個數{kCj}：

kC1=12；kC2=6；kC3=9；kC4=4；kC5=20；kC6=13；kC7=12；kC8=6；kC9=5；kC10=12；kC11=13；kC12=8；kC13=11；kC14=4；kC15=6；kC16=3；kC17=4；kC18=35；kC19=10；kC20=19

5.設計因素值記做{DnCj}，按照對比關系，各設計因素值的確定通過公式(6)得到：

(6)

DnC1=6；DnC2=3；DnC3=4.5；DnC4=2；DnC5=10；DnC6=6.5；DnC7=6；DnC8=3；DnC9=2.5；DnC10=6；DnC11=6.5；DnC12=4；DnC13=5.5；DnC14=2；DnC15=3；DnC16=1.5；DnC17=2；DnC18=17.5；DnC19=5；DnC20=9.5

6.采用加權計算來估算設計因素指標Dn值：

(7)

結合前一節內容，權重值前6位的設計因素為：接觸件規格尺寸C5、插孔結構C1、絕緣體材料C6、接觸件端接方式C7、絕緣體結構C10、殼體連接方式C11。選擇這六個設計因素參與計算不會造成設計影響因素主要信息的流失，同時簡化計算。根據比例關系相應得到：

DnC5=10.0000；DnC1=6.0000；DnC6=6.5000；

DnC7=6.0000；DnC10=6.0000；DnC11=6.5000；

則有：

Dn=(DnC5DnC1DnC6DnC7DnC10DnC11)

(WC5WC1WC1WC6WC7WC10WC11)T

=10.0000×0.1868+6.0000×0.0960+6.5000×0.0899+6.0000×0.0899+6.0000×0.0899+6.5000×0.0865

=4.6694

保留兩位小數，得到此型號電連接器的設計因素指標Dn為4.67。

4 總結

本文對電連接器失效率模型中的設計因素Dn進行了描述，并以某型號電連接器為例，應用層次分析法和對比法，討論了Dn的分析和估算方法，為電連接器失效率預計的優化提供了新的思路。需要說明的是：

1. 本研究中確定的電連接器設計因素及其重要度排序，是建立在某典型產品的相關歷史數據和統計方法基礎上的，符合產品實際。但隨著產品種類、功能、結構的日益豐富，電連接器關鍵設計因素及重要度排序也可能不斷變化；

2. 本研究中得到的電連接器設計因素定量指標Dn，可用于公式(2)中以支撐電連接器可靠性預計模型的優化。在Dn建模過程中獲得設計因素重要度排序從而反饋產品的設計，使得Dn也具有較高的工程實用價值。