基于故障物理模型的可靠性仿真分析方法研究

劉 揚,張 宇

(1. 海裝上海局駐南京地區第二軍事代表室,南京 211153; 2.中國船舶集團有限公司第八研究院,南京 211153)

0 引 言

武器裝備的可靠性水平對于裝備的戰備完好性、任務成功性以及維修保障等均有重要影響,可靠性已被世界各國列為武器裝備研制的重要考核指標。隨著裝備中電子產品研制周期加快,新技術大量應用,可靠性要求快速提高。傳統的可靠性設計、預計、分配、試驗等工作,在實際工程應用中暴露出越來越多的問題,故障隨機發生的假設日益顯露出局限性。要提高產品的可靠性水平,只能通過改變外部環境和無限提高元器件、零部件的可靠性水平,這在實際工作中往往難以實現。因此,基于電子產品武器裝備新的研制特點,當前可靠性工程技術面臨巨大挑戰和新的機遇,須發展新的高可靠電子產品的可靠性預計與設計方法。

當前,主要有兩種解決可靠性問題的方法:基于概率統計的可靠性分析方法和基于故障物理的可靠性分析方法。

基于概率統計的可靠性分析方法產生于20世紀50年代,該方法建立在“大數定律”的統計特性上,認為產品的故障是不可歸因且故障服從指數隨機分布,從故障發生的頻率和結果的統計分析角度出發,采用統計數學方法對產品可靠性進行預計、驗證和評估,從而為裝備的使用和保障資源的配置提供支持。目前國內常用的電子產品可靠性預計方法通常是借助各種手冊,例如國軍標GJB/Z299C-2006、美軍標MIL-HDBK-217f等標準進行的。在產品的故障機理認識不清,且無故障物理模型可用時,基于手冊的預計方法從宏觀角度給出元器件和產品的可靠性指標,為可靠性分配等工作提供基礎[1]。

基于故障物理的可靠性分析方法則認為產品的故障是由機械、電、熱和化學等應力作用的過程導致,因而對于故障不應僅從統計的角度去研究其規律性,被動地驗證產品可靠性水平,而應當從材料、結構、應力、強度和損傷累積等角度,全面了解產品故障機理,以準確評價產品可靠性。通過事先把可靠性設計工作結合到產品設計過程中,真正實現“可靠性是設計出來的”這一目標。基于故障物理的可靠性仿真分析技術近年來在國內外發展很快,為裝備研制中高可靠的設計與實現提供了一條新的技術途徑[2]。

本文以某電源組件為例,從材料、結構、應力、強度和損傷累積等角度全面分析產品故障機理,研究基于故障物理模型的可靠性仿真分析方法。

1 可靠性仿真試驗流程

基于故障物理模型的可靠性仿真試驗流程主要包括產品信息收集、數字樣機建模、應力分析和可靠性評估等幾個步驟,流程如圖1所示。

圖1 基于故障物理模型的可靠性仿真試驗流程

具體步驟如下:

(1)產品信息收集。收集產品基本信息,包括產品結構件與材料信息、元器件信息、邊界載荷等信息;

(2)數字樣機建模。建立產品的數字樣機模型,包含CFD和FEA數字樣機模型,完成模型簡化、參數設定以及模型修正和驗證;

(3)應力分析。施加收集的產品邊界載荷信息,在此基礎上進行應力分析;

(4)可靠性評估。將應力分析結果作為故障物理模型的輸入,進行可靠性評估。

2 產品信息收集

2.1 產品基本信息

包括產品組成、尺寸、重量、功耗等。

2.2 結構件與材料信息

包括結構三維模型、材料屬性、熱力學參數、尺寸、安裝方式、散熱措施以及焊點的材料與面積等。

2.3 元器件信息

包括裝配圖、各模塊元器件功率、尺寸、重量、封裝材料、引腳材料和位置等。

2.4 邊界載荷信息

包括產品的溫度應力、振動應力等環境條件及任務剖面,作為可靠性仿真分析的邊界條件。

3 數字樣機建模

3.1 CAD數字樣機建模

以某電源組件為例,依據產品實際結構尺寸建立CAD數字樣機模型,需確保組件主體結構與各子結構間的聯接關系正確,產品實物如圖2所示。建立的電源組件CAD模型如圖3所示。

圖2 電源組件實物圖

圖3 電源組件CAD模型圖

3.2 CFD和FEA數字樣機建模

3.2.1 模型簡化

CFD和FEA數字樣機建模時須對CAD模型進行簡化,以便進行相應的應力分析。模型簡化過程應當在盡量保證簡化前后模型特征變化最小的前提下進行,通常遵循以下簡化原則:

(1)簡化前后組件整體主結構傳力路徑完整。簡化結果應正確反映組件內部各模塊的裝配關系,以此確保在可靠性綜合分析過程中,盡可能覆蓋到所有的薄弱環節與結構細節。

(2)安裝接口處和載荷施加處的結構不應簡化。在保證結構外形、重量和質心位置基本不變的前提下,將結構簡化成單一材料,適當省略尺寸較小的孔、凸臺、圓角和不必要的倒角等。

模型簡化結果如圖4所示。

圖4 電源組件CAD模型簡化圖

3.2.2 網格劃分

網格劃分參數的設置與選取決定了后續仿真計算結果是否收斂,仿真精度是否達標。針對電源組件CAD模型不同區域的結構特點,在網格劃分過程選用不同的劃分方法。通常對于簡單的幾何模型采用六面體網格劃分方法,對于復雜幾何模型采用四面體網格劃分方法。本文對電源組件的外殼、基板以及定位銷采用四面體網格劃分方法;對電源組件內部的印制電路板、芯片和封裝模塊箱體采用六面體網格劃分方法。網格劃分過程中還須對網格尺寸、疏密程度、網格質量等一系列相關參數進行設置。

3.2.3 參數設置

電源組件包含多種部件和材料,設計人員根據相關文獻資料得到部件共9種材料,每種材料參數為6類。相關的材料參數如表1所示。電源組件中各熱源的載荷情況如表2所示。

表1 電源組件材料參數

表2 電源組件熱載荷參數

3.2.4 模型修正與驗證

建立CFD模型,在劃分完網格并設置好熱仿真分析參數及試驗條件后,開始仿真運算,得到溫度場輸出結果,包括產品及元器件的溫度值及溫度場分部,熱仿真分析結果可為數據表格和云圖。

在27 ℃環境下,對比電源組件實物熱測量試驗結果與電源組件CFD模型修正后的熱仿真分析結果,如表3所示。相對誤差小于10%,滿足工程應用要求,表明了CFD模型的正確性。

表3 電源組件實測溫度與熱仿真溫度對比(環境溫度27℃)

建立FEA模型,劃分完網格并設置好振動仿真分析參數及試驗條件后,開始仿真運算,得到振動仿真分析輸出結果,包括加速度相應云圖、位移響應云圖、應力與應變響應圖、各模塊固定點處響應的功率譜曲線等。

對比電源組件實物模態試驗結果與電源組件FEA模型修正之后的振動仿真分析結果,如表4所示。電源組件FEA模型模態分析仿真與實物試驗在不同階數下頻率的誤差均小于10%,滿足工程應用要求,驗證了電源組件FEA模型的正確性。

表4 電源組件模態試驗結果與振動仿真分析對比(自由狀態)

4 應力分析

4.1 熱仿真分析

為了分析元器件在不同環境溫度下的溫度分布情況,設置3種環境溫度分析電源組件,具體溫升結果如表5所示,可以看出電源組件發熱量較高區域為8個電源模塊的安裝位置。

表5 不同環境溫度下電源組件各元器件溫升

4.2 振動仿真分析

由約束模態分析可知,電源組件在Z方向上的形變最明顯,因此電源組件在諧響應分析過程中的邊界載荷設置方向選取Z方向。根據電源組件實際使用環境條件,對電源組件在Z方向上施加均方根為7.5 m/s2的加速度功率譜;頻率間隔方式設置為對數形式輸入;求解區間數目設置為20;求解方法設置為模態疊加法,頻率最小值設置為60 Hz,頻率最大值設置為300 Hz。在約束模態下,電源組件的Z向隨機振動分析結果分別如圖5、圖6所示。

圖5 電源組件Z向形變云圖

圖6 電源組件Z向等效應力圖

由圖5可知:在3σ的置信度區間內,數字樣機模型有99.73%的概率會發生如圖6所示的形變效果,圖中組件中心形變程度最高,其中形變量最大值為0.039 465 mm。由圖6可知:在3σ的置信度區間內,數字樣機模型有99.73%的概率會承受如圖6所示的等效應力。圖中模型在兩側定位銷處承受的等效應力最大,其等效應力最大值為15.26 MPa。

電源組件的振動應力分析結果表明:振動載荷激勵的施加使得模型中部易發生形變;當結構模型因振動載荷激勵的施加而發生形變時,模型結構的約束邊界位置處承受最大應力,因此推斷邊界約束位置易先發生損壞。

5 可靠性評估

通過對實際工作溫度剖面和振動剖面條件下的疲勞損傷進行累計計算,可得到該組件中各個元器件故障預計結果。計算得到的電源組件振動疲勞壽命分布云圖如圖7所示,電源組件熱疲勞壽命分布云圖如圖8所示。

圖7 電源組件振動疲勞壽命分布云圖

圖8 電源組件熱疲勞壽命分布云圖

由故障預計可以獲得各個元器件的潛在故障模式、對應的故障物理模型、失效表現形式和TTF等故障信息。通過對比組件故障預計云圖與左側梯度條,能夠判斷出該組件中預計壽命最短的關鍵元器件。

考慮到關鍵元器件的故障物理模型參數對應力損傷和累計損傷的影響,在故障物理分析的基礎上,通過對關鍵元器件的故障物理模型參數進行分散性設置(參數分布選擇設置選擇正態分布,參數上下限設置分別為恒定數值的±10%),并結合蒙特卡洛仿真方法進行參數離散和隨機抽樣計算(設置蒙特卡洛樣本容量為1萬),開展隨機故障分析,最終獲得大量的單點仿真故障數據。電源組件中關鍵元器件振動疲勞的預計壽命如表6所示。

表6 電源組件振動疲勞預計壽命

設定該組件線路板的預期工作時長(以10萬個小時為例),由關鍵元器件的單模式故障預計分析結果可以看出:以振動疲勞模型進行單一輸入時,該電源組件中CPLD芯片、穩壓塊1、穩壓塊2、開關電源的預計壽命較長,而8個電源模塊預計壽命較短,且不同電源模塊的預計壽命值相近。電源組件中關鍵元器件熱疲勞的預計壽命如表7所示。

表7 電源組件熱疲勞預計壽命

以熱疲勞模型進行單一輸入時,該電源組件內部各元器件的預計壽命值均低于振動疲勞模型的預計壽命值,說明該電源組件更容易受到熱應力影響。結合該電源組件的實際使用情況,能夠判斷出該電源組件的主要應力影響來自熱應力,振動應力產生的影響較小。

6 結束語

本文以某電源組件為例,研究了基于故障物理模型的可靠性仿真分析方法。介紹了產品信息收集、CAD模型建立及簡化方法,闡述了CFD建模及熱分析方法、FEA建模及振動分析方法。通過對物理樣機開展熱測量試驗和模態試驗對仿真模型進行修正和驗證,保證了數字樣機模型的準確性,提高了仿真結果的可信度。通過基于故障物理模型的可靠性仿真試驗,可以發現產品的可靠性設計薄弱環節,并指明潛在故障發生的位置和原因,從而指導設計改進。