[發明專利]一種基于故障物理的電子產品任務可靠度計算方法

有效

• 申請號: 201310589193.4
• 申請日: 2013-11-20
• 公開（公告）號: CN103559418A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 駱明珠;陳穎;葉翠;康銳
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G06F9/455;G06F17/50
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種基于故障物理的電子產品任務可靠度計算方法，其特征在于：該方法具體步驟如下：

步驟一：采集產品各任務相關設計信息，包括：

a.確定產品在全壽命周期內所有執行任務剖面信息，包括產品在全壽命周期使用中歷經的所有典型任務剖面、每個任務剖面的名稱與持續時間；統計飛機的飛行記錄歷史信息獲得各個任務剖面的持續時間，任務剖面個數為m；

b.確定各任務的環境剖面，根據國家軍用標準GJB899A-2009《可靠性鑒定與驗收試驗》，結合產品任務剖面內不同任務階段的環境溫度數據，并綜合考慮產品散熱和氣候變化的影響，畫出產品各個任務對應的溫度剖面，根據產品在任務過程中承受隨機振動情況分析畫出產品在各個任務剖面所經受的振動剖面；溫度剖面包括任務過程中各時間對應的溫度，其中包括靜態溫度及溫度變化過程，振動剖面包括任務過程中各時間對應的不同振動量級的振動應力及各振動量級對應的振動加速度功率譜密度圖；

c.確定產品在全壽命周期內的總工作時間要求T；

步驟二：將產品各任務的環境應力進行仿真，獲得產品對環境載荷的局部響應，包括：

a.針對產品每個任務，利用Flotherm軟件對產品進行溫度應力仿真，得到產品的溫度分布，包括：

1)導入產品的三維CAD模型；首先將建立好的產品三維CAD模型通過中間格式導入到Flotherm軟件中，該三維CAD模型描述了產品的結構組成、裝配連接關系，包括了產品所有的電路模塊以及功耗超過0.1W的元器件的幾何結構，不需要建立元器件焊接點的幾何結構；

2)定義產品各組成部分的溫度分布仿真材料參數，包括：各組成材料的比熱容、導熱系數，至此形成產品模型Ⅰ；

3)對產品模型Ⅰ進行網格劃分；利用Flotherm軟件進行自動網格劃分，網格長寬比應控制在20以內，至此形成產品模型Ⅱ；

4)施加溫度載荷與邊界條件；溫度載荷包括環境溫度和元器件的工作實際功耗，利用Flotherm軟件的溫度施加命令，將步驟一中確定的任務的溫度剖面中靜態溫度施加到產品模型Ⅱ中，將元器件的實際功耗除以元器件的表面積，得到面熱流密度，利用Flotherm軟件的熱流密度施加命令，輸入到Flotherm軟件中，利用Flotherm軟件的溫度邊界設置命令，設置元器件與空氣相接觸面的自然對流換熱系數；

5)實施溫度應力仿真；利用Flotherm軟件的求解命令進行該產品在溫度條件下的溫度分布仿真，最終獲得產品各部分各位置點的溫度分布，得到溫度應力仿真結果；

b.針對每個任務，利用ANSYS軟件對產品進行振動應力分布仿真，包括：

1)導入產品的三維CAD模型；首先將建立好的產品三維CAD模型通過中間格式導入到ANSYS軟件中，該三維CAD模型描述了產品的結構組成、裝配連接關系，包括了產品所有的電路模塊以及重量大于0.1克的元器件的幾何結構，不需要建立元器件焊接點的幾何結構；

2)定義產品組成各部分的振動應力仿真材料參數，包括：各組成材料的密度、彈性模量、泊松比，至此形成產品模型Ⅲ；

3)對產品模型Ⅲ進行網格劃分，利用ANSYS軟件進行自動網格劃分，網格長寬比應控制在5以內；

4)施加振動加速度功率譜密度與邊界條件；利用ANSYS軟件的加速度功率譜密度施加命令，將步驟一中確定的加速度功率譜密度圖中振動加速度功率譜密度量值及其對應的頻率值輸入到ANSYS軟件中，并施加到產品的固定位置部位，施加方向垂直于產品的安裝方向，利用ANSYS軟件的位移邊界施加命令，對產品固定位置部位施加X、Y、Z三個方向的零位移約束；

5)實施振動應力仿真；設置產品的振動阻尼值，根據工程經驗選擇0.03到0.05之間的數量，利用ANSYS軟件的求解命令對該產品在該任務的振動條件下的應力仿真，求解結束后獲得產品各部位的響應，包括位移、速度以及加速度均方根，得到振動應力仿真結果；

步驟三：建立產品仿真模型，針對各個任務進行單應力損傷分析，調用CalcePWA軟件中的故障物理模型和損傷累積模型對產品進行故障仿真,對產品進行故障仿真和預計的軟件，包括:

a.采用CalcePWA軟件建立產品仿真模型，包括：

1)利用CalcePWA軟件的PWA?DESIGN模塊輸入電路板的外形尺寸，板層信息及鍍通孔尺寸及材料參數；

2)編輯輸入電路板上所有類型的元器件參數，對不同封裝類型的元器件，需要輸入的參數不同，參數類型主要包括元器件尺寸、封裝參數、芯片參數、互聯信息、焊點信息、工作條件和修正因子；

3)根據產品設計單位提供的信息輸入電路板上各個元器件的位置信息，包括器件所屬類型、中心X和Y坐標、安裝面、安裝角度及電熱過孔數目和類型和額定功率；

4)對產品內因參數離散化；考慮到同一批次產品由于工藝等原因其參數會有一定分散性，在CalcePWA軟件中將影響產品設備故障的內因包括元器件結構尺寸、材料參數以及工藝參數進行離散化，由于在產品中，結構、材料、工藝等參數分布函數難以獲得，統一采用三角分布，三角分布需定義參數的標準值以及取值的上下限，并假定取值在上下限范圍內呈線性變化；

b.對產品進行單應力損傷分析，并生成產品壽命周期內的應力剖面，包括：

1)針對每個任務的環境剖面，進行單應力損傷分析；將步驟二得到的溫度應力仿真結果作為各電路模塊的熱分析邊界條件輸入至CalcePWA軟件的THERMAL?ANALYSIS模塊中并進行熱分析，將步驟二的振動應力仿真結果作為振動激勵條件輸入至CalcePWA軟件的VIBEATION?ANALYSIS模塊中進行振動分析；

2)在CalcePWA軟件的LIFE?PROFILE模塊中生成產品壽命周期內的應力剖面，即將THERMAL?ANALYSIS和VIBEATION?ANALYSIS模塊中分析得到的溫度和振動分析的結果作為輸入，并設置高低溫持續時間和轉換時間，環境剖面循環次數，在對各個任務下的產品進行仿真分析時，假設產品在整個壽命周期內重復完成某種任務，設各個任務的持續時間為t_i，則環境剖面循環次數T為產品在全壽命周期內的總工作時間要求，n_i取整數；

c.對產品各尺寸、結構參數用蒙特卡洛方法進行1000次抽樣，蒙特卡洛方法是一種使用隨機抽樣統計來估算數學函數的計算方法，進行損傷累積分析，計算產品在該任務下的主故障機理和TTF_i，包括：

1)在CalcePWA軟件的FAILURE?ANALYSIS模塊中將LIFE?PROFILE模塊中生成的產品壽命周期內的應力剖面作為輸入，產品在多種應力作用下有多種潛在故障機理，在仿真中要調用所有故障物理模型；對產品各尺寸、結構參數進行1000次蒙特卡洛抽樣；通過每種故障物理模型計算出產品各任務下該潛在故障機理對應的1000個故障前時間TTF，這1000個數值的均值為該潛在故障機理對應的TTF；

2)對產品所有潛在故障機理進行仿真，得到各自對應的故障前時間TTF，根據故障機理的競爭關系模型，取TTF最短的故障機理為產品在該任務下的主故障機理，主故障機理的TTF為產品在該任務下的TTF_i；

步驟四：完成所有任務剖面下產品仿真，并得到產品主故障機理和MTTF，包括：

a.重復步驟二和步驟三，直到將產品在壽命周期內歷經的所有任務完成仿真；

b.對所有任務仿真分析結果的主故障機理綜合分析，畫出分布直方圖；

c.對所有任務下的故障前時間TTF_i取平均值，為產品的平均故障前時間MTTF,即其中MTTF為產品平均故障前時間，m為產品任務剖面個數，TTF_i為第i個任務下的故障前時間，i=1,2,…m；

步驟五：根據步驟四計算的MTTF值計算產品任務可靠度，包括：

a.根據步驟四計算出的MTTF，求得產品故障率λ的預計值，λ=1/MTTF；

b.產品服從指數分布，產品可靠度R(t)=e^-λt，R(t)為t時刻產品的任務可靠度，t為工作時間，λ為產品故障率，根據產品可靠度R(t)計算公式，描繪出R(t)曲線，并求得任意工作時間t下的產品任務可靠度。

2.根據權利要求1所述的一種基于故障物理的電子產品任務可靠度計算方法，其特征在于：在步驟二、三中所述的“中間格式”是指IGES、SAT、STEP格式中的一種。