机载电子设备结构可靠性仿真展望

焦超锋

(中国航空计算技术研究所， 陕西 西安 710068)

机载电子设备结构可靠性仿真展望

焦超锋

(中国航空计算技术研究所， 陕西 西安 710068)

随着可靠性技术的不断发展，可靠性仿真技术越来越受到设计工程师的认可和亲睐。现阶段结构可靠性工作主要包括可靠性设计、可靠性仿真分析、可靠性试验验证等。设计奠定可靠性基础，仿真是查找薄弱环节从而提高可靠性的有效手段，试验验证是可靠性量化的重要途径。未来，结构可靠性技术将结合设备自身特点，向着广义应力损伤研究的方向并结合系统级健康监控技术不断向前发展。

应力损伤；结构疲劳强度；可靠性仿真

引 言

机载电子设备技术的发展，伴随着性能的不断提升，设备内部大量采用了综合化集成技术、减重设计技术、新型非金属复合材料等，这使得电子设备的集成化程度越来越高，单位体积内的重量也越来越大，热流密度不断攀升，散热条件不断恶劣，这些都对系统的可靠性提出了更高的要求。

机载产品的可靠性工程技术是一门研究产品全寿命周期内与故障作斗争的工程技术，其从系统的整体性和外界环境适应性的角度出发，研究产品发生故障的机理和规律，运用这些机理和规律进行产品的故障预防、预测、诊断与修复[1]。同时评估产品的可靠性水平，减少与产品故障相关的维修资源和维修费用。结构可靠性研究随着在新产品研制中的不断推广和应用，近年来取得了较快的发展。文中通过某型号系列产品的可靠性设计、可靠性仿真分析和预计、可靠性摸底和可靠性强化试验验证，形成了一套有效提高产品可靠性的方法，该方法可向其他项目推广。

结构可靠性工作包括结构可靠性设计、结构可靠性仿真分析、结构可靠性试验、结构可靠性数据分析等工作。从结构可靠性技术研究的对象角度来看，未来将进一步细化和深入，从目前的整机级结构可靠性研究不断向模块级、芯片级、乃至焊点级阶段发展。可靠性预计方面，将通过对产品的热、强度刚度、EMC等方面的仿真分析，结合试验验证，实现在设计之初对产品各项关键技术指标的可信预计。

1 可靠性仿真

可靠性仿真是通过收集产品信息，建立虚拟试验数字样机，根据产品寿命周期内使用条件和环境要求，进行虚拟试验数字样机的振动分析，建立产品的失效物理模型，并结合实际物理样机的模态试验进行数字样机的校正。对虚拟模型中的薄弱环节进行改进，最终达到设计需求，然后进行产品的故障预计和可靠性评估。下面就以强度、刚度仿真为例，阐述可靠性仿真工作的流程。

强度、刚度仿真分析一般采用Ansys或Patran& Nastran等软件实现，仿真对象主要是电子设备的机械结构部分。可以用在产品三维CAD模型基础上，结合产品的材料属性、零部件的尺寸特性、质量分布等信息进行简化并利用有限元分析软件建立振动载荷模型，对产品及各组成部分进行模态分析和随机振动响应分析。设计人员可以从中获取模型的振动载荷分布云图，从而可以得到产品及各组件的局部振动载荷信息，并确定产品设计的薄弱环节，实现有针对性的改进。

以典型机架产品为例，阐述强度、刚度仿真分析的一般流程。首先根据CAD三维模型，进行必要的简化，将产品CAD数字样机导入Patran软件，转化为比较准确且可分析的FEA数字样机，如图1所示。

图1 产品FEA数字样机

为了得到产品的刚度信息，需要计算数字样机的固有频率，仿真分析所得谐振频率和位置如表1所示，固有频率云图如图2所示。

表1 设备谐振频率及位置

模态是分析产品刚度的主要评价指标。在质量一定的情况下，模态频率越高，刚度越大，产生的振幅越小，有利于产品的结构强度。模态频率的高低是相对的，一般情况下，首阶固有频率低于100 Hz的固有频率认为低，高于400 Hz的认为高。通过模态分析可以看出设备整机和加固后的模块印制板的一阶模态频率都大于400 Hz，因此其整体刚性良好，可以满足产品刚度需求。

刚度分析完成后，进行随机振动响应分析。首先按照设备试验大纲、耐久振动试验图谱，在软件中对模型施加耐久振动应力，可以得到整机加速度均方根云图，如图3所示。

图3 设备加速度均方根云图

从云图中可以找到设计模型强度的最薄弱环节，通过持续模型改进和分析迭代，使结构设计中的最薄弱环节满足设计安全系数要求，即可完成强度仿真设计工作。

通过建模和仿真分析，可以找到结构强度、刚度设计的薄弱环节，通过增加材料、增加结构件等措施，提高结构刚度，进行局部加固，提高最薄弱点的固有频率，从而达到优化设计的目的。

2 可靠性试验验证

目前的可靠性试验大多是建立在统计基础上的环境模拟试验，这是国内比较普遍的可靠性试验方法。可靠性试验是可靠性设计、改进及评价的重要手段。国际上一些研究机构在基于故障物理学的可靠性技术框架下，研究和发展基于故障物理学的加速可靠性试验技术、环境应力筛选技术及可靠性鉴定与评估方法等。未来，必须对这些有效的可靠性研制试验和评估试验进行系统研究，以解决目前环境模拟试验耗时长、效率低下的问题。美国在设备单元级的可靠性试验评价主要采用定量和定性的可靠性加速试验方式，并通过必要的系统可靠性验证试验，有效地对可靠性进行评价。在评价方式上，重点不在于对物理样机是否通过试验做出评价，而是充分运用研制过程中可靠性增长经历的所有信息对可靠性进行评价。在产品验证流程中，将可靠性建模与仿真分析、研制、使用试验评价纳入产品的实际研发流程。结合数字建模、仿真分析、实验室验证等手段，形成产品综合试验与评价技术流程，贯穿于产品研制、生产和使用的全寿命周期，实现产品可靠性增长[1]。

3 结束语

现阶段，通过可靠性设计、可靠性仿真分析及可靠性试验等环节，可以在产品设计初期发现产品潜在的故障隐患和薄弱环节，尽早解决设计缺陷。可以减少设计更改次数、减少研发经费、缩短研发周期，对产品的顺利研发很有帮助。

可靠性指标中的失效概率，对于结构类标准件和通用件是可以评估的，它以一定样本量零部件的可靠性数据的统计分析为基础，对于可靠性宏观管理工作是必要的，但由于其并不要求对产品的设计信息及故障过程有清楚的了解，因此无法与产品的设计和改善紧密结合，无法实现故障的有效反馈。要实现产品的优化设计，未来可靠性技术的研究必须从对产品的故障时间统计分析转向故障过程机理分析，探讨基于广义应力损伤(包括环境应力损伤和电应力损伤)的途径，采取智能传感器网络等措施，并结合系统级健康监控技术、智能传感器网络及专家评估系统技术的研究不断向前发展。

[1] 王云, 邵将, 曾晨晖. 航空电子产品基于故障物理的可靠性工程技术[C]//第四届中国航空学会青年科技论坛文集, 2010.

[2] 李永红, 曾晨晖. 电子产品基于故障物理的可靠性设计优化方法研究[J]. 航空标准化与质量, 2008(4): 23-24.

[3] 乔亮, 李传日, 刘龙涛. 基于故障物理的可靠性仿真试验的应用[J]. 装备环境工程, 2012, 9(2): 7-11.

焦超锋(1975-)，男，高级工程师，主要研究方向为机载电子设备结构设计。

Prospect of Reliability Simulation of Airborne Electronic Equipment Structure

JIAO Chao-feng

(ChinaAeronauticsComputingTechniqueResearchInstitute,Xi′an710068,China)

With the continuous development of reliability technology, reliability simulation technology is more and more recognized and favored by engineers. At the present stage, structural reliability work mainly includes reliability design, reliability simulation and analysis, reliability test, and so on. Reliability design lays the foundation, simulation is an effective means to find the weak links and thus improve the reliability, test is an important way to quantify the reliability. In future, considering the characteristics of the equipment itself, the structural reliability technology will utilize the system-level health monitoring technology and continuously develop in the direction of the research of generalized stress damage.

stress damage; fatigue strength of structure; reliability simulation

2013-12-05

V24；TP391.99

A

1008-5300(2014)02-0016-03