胡 云

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

在機(jī)載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,普遍存在著“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—可靠性設(shè)計(jì)—可靠性試驗(yàn)—改進(jìn)與完善—可靠性試驗(yàn)”的串行工作模式,通常是在設(shè)計(jì)完成后,通過(guò)可靠性預(yù)計(jì)、試驗(yàn)等手段對(duì)設(shè)備進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)與完善。這種設(shè)計(jì)方式存在的主要不足是在設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有充分考慮可靠性要求,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)脫節(jié)[1],使設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能同步完成,導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程的多次迭代,甚至有可能在試驗(yàn)中出現(xiàn)不滿足可靠性指標(biāo)的情況。

因此在設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中,如何將可靠性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融為一體,實(shí)現(xiàn)可靠性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步,是目前的一個(gè)迫切需求[2]。而本文提出的可靠性與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法正好能滿足這方面的需求,它通過(guò)分析在設(shè)計(jì)過(guò)程中尋找設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié),根據(jù)薄弱環(huán)節(jié)對(duì)設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以提升可靠性水平。

2 一體化設(shè)計(jì)方法概述

隨著電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù)的不斷發(fā)展,可靠性與性能的融合設(shè)計(jì)越來(lái)越受到重視。以可靠性為主的多學(xué)科一體化設(shè)計(jì)是近年來(lái)可靠性工程中的一個(gè)新興研究領(lǐng)域。該方法充分利用產(chǎn)品已有的性能模型和CAD工具,在性能模型與性能分析的基礎(chǔ)上建立可靠性模型,然后以此模型為基礎(chǔ)進(jìn)行可靠性綜合優(yōu)化設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)可靠性與性能同步設(shè)計(jì)?；谶@種理念,我們?cè)跈C(jī)載電子設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中將設(shè)備的可靠性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合考慮,將可靠性仿真與評(píng)價(jià)融入到設(shè)備的整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,從而形成了可靠性與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法。如圖1所示,該設(shè)計(jì)方法運(yùn)用應(yīng)力分析結(jié)果,在設(shè)備的設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)備進(jìn)行潛在故障分析與可靠性評(píng)價(jià),并根據(jù)潛在故障分析中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),從而在設(shè)備的設(shè)計(jì)階段不斷提高設(shè)備的固有可靠性,并降低設(shè)備在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)不滿足可靠性指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 可靠性與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)流程Fig.1 Integrated design flow of reliability and structure

根據(jù)這一流程,本文以某機(jī)載電子設(shè)備為例,詳細(xì)介紹可靠性與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法。

3 設(shè)備方案與數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì)

某機(jī)載電子設(shè)備是航電系統(tǒng)的重要組成部分,能夠?qū)︼w機(jī)上的信息進(jìn)行綜合化管理與處理。該設(shè)備通過(guò)安裝架固定在飛機(jī)上,結(jié)合其安裝位置與狀態(tài),并參照其實(shí)際環(huán)境條件,進(jìn)行減振與整體輕量化等方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);該設(shè)備的可靠性指標(biāo)平均故障間隔時(shí)間(MTBF)要求值不低于7 500 h,需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮,從而確?？煽啃灾笜?biāo)。

該設(shè)備由機(jī)箱和內(nèi)部模塊構(gòu)成,各模塊詳細(xì)信息如表1所示,其數(shù)字樣機(jī)可參見(jiàn)圖2。該設(shè)備采用上下開蓋與模塊上下插拔的方式。整個(gè)機(jī)箱采用框架結(jié)構(gòu),由鋁板螺接而成,從而確保其穩(wěn)定性。機(jī)箱內(nèi)規(guī)劃了隔板與導(dǎo)槽,用于各個(gè)模塊的安裝;模塊5和母板通過(guò)螺釘與機(jī)箱連接,其余模塊通過(guò)楔形鎖緊組件固定在機(jī)箱的導(dǎo)槽內(nèi)。大部分功能模塊(模塊2～5)通過(guò)電連接器與母板相連;模塊1為子板,通過(guò)與主板(模塊2)對(duì)插實(shí)現(xiàn)電連接。

表1 設(shè)備的模塊構(gòu)成Table 1 Modules of avionics

圖2 某機(jī)載電子設(shè)備內(nèi)部布局Fig.2 Layout of the airborne avionics

4 應(yīng)力分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

電子設(shè)備的故障是在一定的環(huán)境條件與工作載荷的激發(fā)下出現(xiàn)。故障的出現(xiàn)一般與設(shè)計(jì)裕度不足有關(guān),可以通過(guò)電子設(shè)備的健壯設(shè)計(jì)來(lái)消除或者抑制。而健壯設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)的加強(qiáng);在設(shè)計(jì)階段,薄弱環(huán)節(jié)的發(fā)現(xiàn)依賴于應(yīng)力分析。應(yīng)力分析主要包括熱、振動(dòng)等應(yīng)力分析。

根據(jù)環(huán)境條件與工作載荷,某機(jī)載電子設(shè)備承受的振動(dòng)應(yīng)力較小,其應(yīng)力以熱應(yīng)力為主。在這里,以熱應(yīng)力分析為例對(duì)應(yīng)力分析方法進(jìn)行說(shuō)明。

該設(shè)備的散熱方式為自然散熱,要求在環(huán)境溫度為70℃時(shí)能正常工作。其整機(jī)功耗較大,約為67 W,內(nèi)部模塊的功耗分布比較集中,其中采用對(duì)插結(jié)構(gòu)的模塊1與模塊2的功耗之和為21.5 W,其余模塊的功耗較小。該設(shè)備主要通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱輻射方式向外散熱,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)的措施來(lái)提高設(shè)備的熱傳導(dǎo)和熱輻射能力,確保設(shè)備內(nèi)部各個(gè)模塊的散熱路徑暢通。

在加入這些熱設(shè)計(jì)信息的基礎(chǔ)上,采用熱分析軟件FLOTHERM進(jìn)行設(shè)備的應(yīng)力分析數(shù)字樣機(jī)建模。為確保應(yīng)力分析數(shù)字樣機(jī)的準(zhǔn)確性,可在有條件的情況下通過(guò)設(shè)備實(shí)物溫度測(cè)試進(jìn)行模型驗(yàn)證[3]。參照環(huán)境條件對(duì)該設(shè)備進(jìn)行熱分析,從而得到設(shè)備內(nèi)部的器件殼溫與結(jié)溫、模塊溫度分布以及設(shè)備的整機(jī)溫度分布[4]。通過(guò)這些溫度分布,可以發(fā)現(xiàn)器件、模塊,乃至設(shè)備是否存在熱應(yīng)力薄弱環(huán)節(jié)。針對(duì)熱應(yīng)力薄弱環(huán)節(jié),對(duì)該設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,避免設(shè)備內(nèi)的器件與模塊在高溫時(shí)出現(xiàn)熱疲勞失效,從而提高整個(gè)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性與可靠性。下面分別以模塊4上的器件A、模塊1與模塊2、設(shè)備整機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明。

模塊4的印制板布局對(duì)比如圖3所示。

圖3 模塊4的印制板布局對(duì)比Fig.3 Comparison of PCB layout for module 4

圖3(a)為模塊4在優(yōu)化設(shè)計(jì)前的印制板布局,圖中的圓圈內(nèi)都存在著大功耗器件,整個(gè)模塊中溫度最高的器件A位于左邊圓圈內(nèi)。經(jīng)分析,優(yōu)化前器件A的殼溫為97.7℃,其許用極限殼溫 TA為120℃,取降額系數(shù)0.8,推薦使用殼溫 TA最高為96℃,器件A的殼溫已超出推薦范圍。從圖3(a)可以看出,器件A底部的覆銅層未與印制板周邊覆銅層連接,而周邊覆銅層與冷板接觸,因此器件A無(wú)法直接向冷板傳熱。為降低其殼溫,將器件A的封裝換成底部帶導(dǎo)熱金屬片的形式,導(dǎo)熱片與器件底部覆銅層焊接;將器件A底部覆銅層與周邊覆銅層連成一片,如圖3(b)所示,這樣就暢通了散熱路徑,器件A的熱量直接傳遞到了冷板。對(duì)優(yōu)化后的模塊進(jìn)行仿真,可以得到器件A的殼溫降到了89.8℃,滿足器件A的推薦使用要求。

優(yōu)化設(shè)計(jì)前的模塊1與模塊2的組合情況如圖4(a)所示。兩個(gè)模塊的熱量都通過(guò)中間的冷板傳至機(jī)箱隔板,再傳遞到機(jī)箱外殼。兩個(gè)模塊的發(fā)熱器件都布于冷板兩側(cè),熱量比較集中。通過(guò)仿真可以得出這兩個(gè)模塊中各個(gè)器件的最高殼溫為101.1℃。由于這個(gè)器件(器件B)的極限殼溫 TA為125℃,取降額系數(shù)0.8,推薦使用殼溫 TA最高為100℃,因而器件B殼溫超出推薦范圍。為縮短散熱路徑,分散發(fā)熱器件,增加了一塊冷板,如圖4(b)所示,將模塊2的發(fā)熱器件挪到新增冷板一側(cè),新增冷板與機(jī)箱的接觸面由兩側(cè)邊改為中間大面積與機(jī)箱外殼直接接觸,減小傳導(dǎo)熱阻;另一塊冷板通過(guò)楔形鎖緊組件和機(jī)箱隔板將熱量傳遞到機(jī)箱外殼上。采取這些措施后,器件B的殼溫變?yōu)?6.7℃,符合器件B的推薦使用要求。通過(guò)這種設(shè)計(jì)優(yōu)化方式,其余溫度較高器件也可以得到類似結(jié)論,都在推薦使用溫度范圍內(nèi),因此,模塊1與模塊2滿足高溫環(huán)境使用需求。

圖4 模塊1和模塊2冷板優(yōu)化前后對(duì)比Fig.4 Comparison of module 1 and 2 before and after optimization

對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的設(shè)備進(jìn)行熱分析,可以得到設(shè)備內(nèi)部的溫度分布云圖如圖5所示。從圖中可以看出,設(shè)備內(nèi)部沒(méi)有溫度特別高的器件,并且溫度較高器件的分布也比較合理,說(shuō)明采取了相關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施后,該設(shè)備滿足環(huán)境適應(yīng)性要求。

圖5 設(shè)備整機(jī)溫度分布云圖Fig.5 Image of temperature distribution for avionics

5 潛在故障分析與可靠性優(yōu)化

某機(jī)載電子設(shè)備的可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)是建立在潛在故障分析與可靠性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)之上的。應(yīng)用前述應(yīng)力分析結(jié)果,進(jìn)行基于故障物理分析方法的潛在故障分析,可以得到設(shè)備內(nèi)部各個(gè)潛在故障位置、故障模式、故障機(jī)理、故障時(shí)間等潛在故障信息。根據(jù)平均故障時(shí)間最短的“薄弱鏈原理”確定設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)及其故障信息[5]。針對(duì)設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)及相應(yīng)的故障信息,對(duì)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)防止故障出現(xiàn),從而提升設(shè)備的可靠性指標(biāo)。

在得到該設(shè)備的主要故障信息后,可以據(jù)此進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。根據(jù)主要故障信息,假定各故障模式相互獨(dú)立并服從Weibull分布[6],利用Monte Carlo方法,可以計(jì)算出設(shè)備故障時(shí)間分布[7],然后據(jù)此評(píng)價(jià)設(shè)備的可靠性水平。

前面的熱應(yīng)力分析反映出模塊1和模塊2的溫度較高,下面就以模塊1為重點(diǎn),對(duì)潛在故障分析與可靠性優(yōu)化的流程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。在加入前述相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立模塊1的故障物理數(shù)字樣機(jī),基于前面的應(yīng)力分析結(jié)果開展?jié)撛诠收戏治?采用故障物理分析軟件CALCE分析1 000次可以得到的模塊1的故障分布情況,如表2和圖6所示。

表2 模塊1的主要故障信息Table 2 Fault information in module 1

圖6 模塊1的潛在故障分布Fig.6 Potential fault distribution of module 1

故障分布情況表明模塊1的設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)為器件D6、D12,均為熱疲勞造成的焊點(diǎn)開裂。器件D6的功耗偏大,殼溫較高;器件D12自身功耗較小,但屬于熱敏感元件。為了提高該模塊的可靠性,需要對(duì)這兩個(gè)器件進(jìn)行處理,以降低這兩個(gè)器件承受的熱應(yīng)力。通過(guò)冷板優(yōu)化將模塊1的冷板覆蓋到器件D6上方,擴(kuò)大器件D6底部及四周覆銅層面積來(lái)增強(qiáng)其散熱能力,降低殼溫,從而提高其故障時(shí)間。器件D12右移以遠(yuǎn)離熱源器件D6。潛在故障分析結(jié)果顯示改進(jìn)后器件D6、D12的故障機(jī)理和模式都沒(méi)有變化,預(yù)計(jì)故障時(shí)間分別提高到27 000 h和28 000 h。

在設(shè)計(jì)優(yōu)化完成后,根據(jù)設(shè)備的主要故障分布,開展設(shè)備的可靠性評(píng)價(jià)。模塊1的平均故障間隔時(shí)間評(píng)估值約為17 000 h。以模塊分析結(jié)果為基礎(chǔ),可以得到整個(gè)設(shè)備的平均故障間隔時(shí)間評(píng)估值為12 000 h,符合該設(shè)備可靠性指標(biāo)的要求。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

某機(jī)載電子設(shè)備已通過(guò)了包含高低溫試驗(yàn)在內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn),符合環(huán)境適應(yīng)性要求;對(duì)設(shè)備中各個(gè)高溫器件進(jìn)行溫度測(cè)試,可以得到器件A和器件B的殼溫分別為89.2℃和95.6℃,都在器件推薦工作溫度范圍內(nèi),與應(yīng)力分析中的結(jié)論基本相符,其余溫度較高器件也可以得到類似結(jié)論。

按照規(guī)定的載荷,該設(shè)備通過(guò)可靠性試驗(yàn)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)設(shè)備在設(shè)定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的故障數(shù)量,可以計(jì)算出設(shè)備的平均故障間隔時(shí)間為11 000 h,表明可靠性評(píng)價(jià)結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,進(jìn)一步證實(shí)了可靠性與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法的有效性。

7 結(jié)束語(yǔ)

基于可靠性的一體化設(shè)計(jì)是近年來(lái)發(fā)展比較迅速的一個(gè)新興領(lǐng)域,也是可靠性設(shè)計(jì)分析技術(shù)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。本文以可靠性指標(biāo)提升為目的,提出了適用于機(jī)載電子設(shè)備的一體化設(shè)計(jì)思路,對(duì)可靠性與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。該方法通過(guò)定位設(shè)備的設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié),并據(jù)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)可靠性與結(jié)構(gòu)性能的同步提升。典型案例的應(yīng)用實(shí)踐證明了該方法的可行性。

該方法改進(jìn)了傳統(tǒng)模式中可靠性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)脫節(jié)的不足,確保設(shè)備可靠性指標(biāo)在設(shè)計(jì)階段得到切實(shí)提升,降低了設(shè)備的試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn),有利于縮短設(shè)備研制周期。對(duì)于目前高可靠電子設(shè)備的設(shè)計(jì)工作,該方法具有重要參考價(jià)值,并可在其他電子設(shè)備的基于可靠性的多學(xué)科綜合一體化設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

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