摘要：現(xiàn)代工程研制中可靠性設(shè)計是重要設(shè)計活動，通過可靠性設(shè)計分析介紹以及可靠性計算機(jī)仿真試驗(yàn)的介紹，探討可靠性仿真試驗(yàn)獲得的產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)應(yīng)用于可靠性設(shè)計分析的可能性，通過某單元的實(shí)際可靠性仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于其可靠性定量分析的實(shí)例，證明了可靠性仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)在可靠性定量分析中的價值，拓展了可靠性設(shè)計定量分析的數(shù)據(jù)來源，加快產(chǎn)品可靠性成熟穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：可靠性；定量分析；計算機(jī)仿真

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）12-2888-03

1 概述

現(xiàn)代工程研制中都重視可靠性設(shè)計，大型系統(tǒng)設(shè)備的研制更是將可靠性設(shè)計貫穿于研制過程，而可靠性定量指標(biāo)的分析是可靠性設(shè)計的核心?？煽啃远恐笜?biāo)分析通常采用對系統(tǒng)的建模，對組成的設(shè)備、單元、模塊和元器件建模，包括結(jié)構(gòu)模型和數(shù)學(xué)模型，從組成元器件開始進(jìn)行逐級計算，最終獲得一定工況下的系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)?？煽啃远糠治鲋?，采用的是美軍標(biāo)或國軍標(biāo)可靠性預(yù)計手冊，其模型中的參數(shù)通常采用整機(jī)的特征量，如整機(jī)的工作環(huán)境溫度，這樣的預(yù)計分析工作粗放，出來的結(jié)果難免偏差較大。為了將可靠性定量指標(biāo)分析得更準(zhǔn)確，工程人員采用了很多辦法，如對全過程進(jìn)行管理，進(jìn)行可靠性增長試驗(yàn)，用系統(tǒng)使用的可靠性數(shù)據(jù)回饋修正預(yù)計報告等。為精確分析研制早期可靠性定量指標(biāo)，該文提出用可靠性仿真數(shù)據(jù)修正通?？煽啃苑治龅慕Y(jié)果，供探討。

2 可靠性定量分析

大型系統(tǒng)設(shè)備的組成一般包括分系統(tǒng)、設(shè)備、單元，基本組成部分還包括電子元器件、結(jié)構(gòu)件等。假設(shè)系統(tǒng)組成包括n個分系統(tǒng)，每個分系統(tǒng)里又包括mn個設(shè)備或單元，產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)樹如圖1，構(gòu)建這個系統(tǒng)的基本可靠性結(jié)構(gòu)模型如圖2，該系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型如下：

λ=λf1+λf2+…+λfn=λs11+…+λs1m1+λs21+…+λs2m2+…+λsn1+…+λsnmn （1）

其中，λ為系統(tǒng)失效率，λf1～fn為分系統(tǒng)失效率，λsij為第i（=1～n）個分系統(tǒng)第j（=1～mn）個單元或設(shè)備。

依此類推，系統(tǒng)的基本可靠性數(shù)學(xué)模型為系統(tǒng)的失效率是所有組成部分失效率的和，當(dāng)產(chǎn)品層次細(xì)分后，最終可靠性定量指標(biāo)落實(shí)到元器件的使用可靠性上。在工程設(shè)計初期，掌握了一定產(chǎn)品設(shè)計信息后即可開展元器件應(yīng)力分析法的可靠性分析工作。元器件應(yīng)力分析法也是在建立元器件可靠性模型后，根據(jù)過去工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，獲得模型中的參數(shù)量值。以砷化鎵場效應(yīng)晶體管為例，其數(shù)學(xué)模型如下：

λp=λbπEπQπAπTπM

式中：

λp為使用失效率，與具體設(shè)計使用有關(guān)；

λb為基本失效率，與輸出功率和工作頻率相關(guān)；

πE為環(huán)境系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)給出了固定類別環(huán)境，但可以通過環(huán)控設(shè)計改進(jìn)環(huán)境因子；

πQ為質(zhì)量系數(shù)；

πA為應(yīng)用系數(shù)；

πT為溫度應(yīng)力系數(shù)，與工作環(huán)境溫度密切相關(guān)；

πM為匹配網(wǎng)絡(luò)系數(shù)。

上式中的參數(shù)都可以在標(biāo)準(zhǔn)中查得，我們可以發(fā)現(xiàn)選擇了某元器件不是使用可靠性就一定不變了，還有一定變化范圍，特別是與溫度，使用應(yīng)力比，環(huán)境系數(shù)等相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，還可以在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化。

3 可靠性仿真試驗(yàn)

提高產(chǎn)品的可靠性就應(yīng)該對產(chǎn)品的任何故障均應(yīng)分析其原因，確定其故障位置、故障機(jī)理、造成故障的應(yīng)力和故障時間，故障物理方法就是有效的分析故障原因的方法，而故障物理方法應(yīng)用于工程實(shí)踐最為有效的途徑是與仿真技術(shù)相結(jié)合，形成基于故障物理的可靠性仿真試驗(yàn)方法。

可靠性仿真試驗(yàn)在仿真軟件環(huán)境下，通過數(shù)字樣機(jī)和故障物理模型，將產(chǎn)品預(yù)期承受的工作環(huán)境應(yīng)力與潛在故障發(fā)生、發(fā)展過程聯(lián)系起來，從而定量計算產(chǎn)品各種潛在故障發(fā)生時間，指明薄弱環(huán)節(jié)，以便于采取針對性的改進(jìn)措施提高設(shè)計的可靠性水平?？煽啃苑抡嬖囼?yàn)作為輔助流程與性能設(shè)計并行開展，一般在初樣詳細(xì)設(shè)計階段初期開始，貫穿于整個初樣研制階段，通過“建模仿真-設(shè)計優(yōu)化-模型改進(jìn)”的多次迭代，實(shí)現(xiàn)“可靠性是設(shè)計出來的”這一目標(biāo)。

可靠性仿真試驗(yàn)開展的理由是基于電子產(chǎn)品的任何故障必然是由特定的熱、機(jī)械、化學(xué)、物理或電子驅(qū)使的某種故障機(jī)理所導(dǎo)致，主要內(nèi)容包括熱應(yīng)力分析、振動應(yīng)力分析、電應(yīng)力分析、故障預(yù)計、仿真評估等?？煽啃苑抡嬖囼?yàn)輸出數(shù)據(jù)包括熱應(yīng)力分析結(jié)果、振動應(yīng)力分析結(jié)果、故障預(yù)計等，這些結(jié)果會給出對應(yīng)位置元器件的溫度、振動情況以及失效率情況。

4 可靠性仿真數(shù)據(jù)應(yīng)用可靠性分析實(shí)例

某單元在研制初期開展了可靠性計算機(jī)仿真試驗(yàn)，并應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對可靠性進(jìn)行了修正。

4.1組成及功能

單元包括模擬收發(fā)通道、分布式電源模塊、集中式電源模塊，以及數(shù)據(jù)傳輸和光電轉(zhuǎn)換等部分，實(shí)現(xiàn)微波收發(fā)。設(shè)備在整機(jī)上的環(huán)境為運(yùn)輸機(jī)無人艙，標(biāo)準(zhǔn)查得的溫度范圍-55℃～+70℃。仿真試驗(yàn)結(jié)果指示重點(diǎn)關(guān)注位置為功放器件和分布式電源模塊。

4.2熱分析結(jié)果

系統(tǒng)工作正常工況下，分析得功放和電源上的熱分布圖（如圖3、4），從圖可以看出，高溫明顯比70℃低，也就是器件的實(shí)際工作環(huán)境遠(yuǎn)好于標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)稱的環(huán)境，按此溫度對單元的可靠性數(shù)據(jù)重新分析（見表1和表2），調(diào)整了πE和πT，從仿真試驗(yàn)的溫度和振動看，環(huán)境系數(shù)能與運(yùn)輸機(jī)駕駛艙相當(dāng)，將πE從13調(diào)整到10。πT原計算是設(shè)計估計值，經(jīng)仿真分析后，將πT從17.426調(diào)整到9.963，單元可靠性調(diào)高了30%左右。經(jīng)后期使用證明，調(diào)整后的預(yù)計值與用戶使用的可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計值基本相當(dāng)。

[序號＼&名稱＼&λb

（10-6/h）＼&C1＼&πT＼&πA＼&πP＼&C3＼&πE＼&πL＼&πQ＼&λp

（10-6/h）＼&1＼&中頻＼&10.10＼&0.425＼&17.426＼&1＼&1＼&0.0372＼&13＼&1＼&0.08＼&0.631＼&2＼&功率放大器＼&16.00＼&0.362＼&17.426＼&1＼&1＼&0.0032＼&13＼&1＼&0.08＼&1＼&3＼&分布式電源＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&8.510＼&＼&其它＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&單元失效率匯總值＼&288.56＼&]

注：上表給出的是單個器件的模型參數(shù)，單元失效率匯總是根據(jù)公式（1）進(jìn)行的，過程略

[序號＼&名稱＼&λb

（10-6/h）＼&C1＼&πT＼&πA＼&πP＼&C3＼&πE＼&πL＼&πQ＼&λp

（10-6/h）＼&1＼&中頻＼&10.10＼&0.425＼&9.963＼&1＼&1＼&0.0372＼&10＼&1＼&0.08＼&0.216＼&2＼&功率放大器＼&16.00＼&0.362＼&9.963＼&1＼&1＼&0.0032＼&10＼&1＼&0.08＼&0.312＼&3＼&分布式電源＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&5.17＼&＼&其它＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&單元失效率匯總值＼&288.56＼&]

注：上表給出的是單個器件的模型參數(shù)，單元失效率匯總是根據(jù)公式（1）進(jìn)行的，過程略

4 結(jié)論

本文研究通過進(jìn)行可靠性定量指標(biāo)分析是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，其參數(shù)的選擇要有一定量的設(shè)計信息，研制早期，可以通過可靠性仿真試驗(yàn)的方法對重要產(chǎn)品或部分（主要）組成進(jìn)行試驗(yàn)分析，以獲得更詳細(xì)的設(shè)計信息?？煽啃苑抡鏀?shù)據(jù)用于可靠性定量指標(biāo)分析應(yīng)該還不只是獲得設(shè)計信息修改分析報告，仿真本身的可靠性預(yù)計至少可以對不同產(chǎn)品進(jìn)行橫向可靠性比較，振動分析還可以幫助分析和預(yù)計某些失效模式的機(jī)理，以使我們的可靠性設(shè)計更精細(xì)化，盡早使工程的可靠性成熟穩(wěn)定。