专利名称：一种航空参数处理设备可靠性薄弱环节确定方法
技术领域：
本发明提供一种航空参数处理设备可靠性薄弱环节确定方法，特别是涉及一种基于最恶劣温度和振动应力仿真的航空参数处理设备可靠性薄弱环节确定方法，属于产品可靠性仿真领域。
背景技术：
随着科技的高速发展，航空电子设备的复杂程度不断提高，同时对可靠性的要求也越来越高，需要从设计的早期阶段就确定设备的可靠性薄弱环节，从而采取有针对性的措施改进设计，保证设备安全、可靠的工作。航空参数处理设备是采集航空参数并进行记录、处理、测量、报警，以监控飞机运行状态的电子设备。其结构是在封闭的机箱内安装着各种功能电路模块，各模块通过卡槽以及连接器、锁紧条固定到机箱四周。航空参数处理设备中的组成部分在飞机执行任务的过程中受到各种环境与工作条件的作用，其中温度与振动载荷是最主要的环境条件，电载荷是最主要的工作条件。温度载荷包括环境温度以及各元器件在工作时发热温度载荷。在这些载荷的作用下，航空参数处理设备的各组成部分可能会发生失效，从而可能导致整个产品的失效，引发可靠性问题。传统上，工程人员在设计的早期主要是根据经验的方法确定航空参数处理设备的可靠性薄弱环节，这种方法依赖于工程人员的主观判断，往往会造成定位不准确的过设计问题或者忽略某薄弱部位而造成的欠设计问题。随着数值仿真方法，如有限元、有限体积方法的发展以及商用软件的成熟，应力仿真技术已经开始应用于各种产品的设计和分析中。 通过对现有技术的查新和检索，国内外还没有采用最恶劣温度和振动应力仿真确定航空参数处理设备薄弱环节方面的报道。
发明内容
I、目的本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种航空参数处理设备可靠性薄弱环节确定方法，它是基于有限元温度分布仿真、有限元振动应力仿真的方法确定设备设计薄弱环节，为改进设计提供依据，从而提高设备的固有可靠性。2、技术方案本发明是通过以下技术方案实现的，确定设备任务过程中最恶劣的温度和振动环境，对航空参数处理设备进行Flotherm温度分布仿真，对航空参数处理设备进行ANSYS振动应力仿真，确定设备的可靠性薄弱环节。本发明一种航空参数处理设备可靠性薄弱环节确定方法，其具体步骤如下步骤一确定航空参数处理设备任务过程中最恶劣的温度和振动环境。主要是指航空参数处理设备(以下简称“设备”)在任务过程中所可能经历的最严酷的环境条件，主要包括a.若设备的设计要求中给出了设备的工作温度范围以及振动加速度功率谱密度剖面，则选择温度范围中的高温作为最恶劣的温度环境，选择所给出的振动加速度功率谱密度剖面中，振动加速度功率谱密度量值最大的一个做为最恶劣振动环境，若只给出一个振动加速度功率谱密度剖面，则将该剖面确定为最恶劣振动环境。b.若设备设计要求中未给出设备的工作温度范围以及振动剖面，根据国家标准 《GBT2423. 43-2008电工电子产品环境试验》确定最恶劣的温度和振动环境。步骤二 对航空参数处理设备进行Flotherm温度分布仿真。Flotherm是一种成熟的商业有限积分软件，主要功能是进行温度仿真。主要包括a.导入设备的三维CAD(计算机辅助设计，Computer Aided Design)模型。首先将建立好的设备三维CAD模型通过中间格式，如IGES、SAT、STEP等格式导入到Flotherm软件中，该三维CAD模型描述了航空参数处理设备的结构组成、装配连接关系，包括了航空参数处理设备所有的电路模块以及功耗超过O. Iff的元器件的几何结构，不需要建立元器件焊接点的几何结构。b.定义设备组成各部分的温度分布仿真材料参数。主要包括各组成材料的比热容、导热系数。c.对设备模型进行网格划分。利用Flotherm软件进行自动网格划分，网格长宽比应控制在20以内。d.施加温度载荷与边界条件。温度载荷主要包括最恶劣环境温度和元器件的工作实际功耗，利用Flotherm的温度施加命令，将步骤一中确定的最恶劣温度环境条件施加到设备模型中。将元器件的实际功耗除以元器件的表面积，得到面热流密度，利用Flotherm 的热流密度施加命令，输入到Flotherm软件中。利用Flotherm温度边界设置命令,设置元器件与空气相接触面的自然对流换热系数。e.实施温度分布仿真。利用Flotherm的求解命令进行该设备在最恶劣温度条件下的温度分布仿真，最终可以获得设备各部分，各位置点的温度分布。步骤三对航空参数处理设备进行ANSYS振动应力分布仿真。ANSYS是一种成熟的商业有限元仿真软件，可以进行功率谱密度仿真。主要包括a.导入设备的三维CAD模型。首先将建立好的设备三维CAD模型通过中间格式， 如IGS、STEP等格式导入到ANSYS软件中，该三维CAD模型描述了航空参数处理设备的结构组成、装配连接关系，包括了航空参数处理设备所有的电路模块以及重量大于O. I克的元器件的几何结构，不需要建立元器件焊接点的几何结构。b.定义设备组成各部分的振动应力仿真材料参数。主要包括各组成材料的密度、弹性模量、泊松比。c.对设备模型进行网格划分。利用ANSYS软件进行自动网格划分，网格长宽比应控制在5以内。d.施加振动加速度功率谱密度与边界条件。主要包括，利用ANSYS的加速度功率谱密度施加命令，将步骤一中确定的最恶劣振动加速度功率谱密度量值及其对应的频率值输入到ANSYS软件中，并施加到设备的固定位置部位，施加方向垂直于设备的安装方向。利用ANSYS的位移边界施加命令，对设备固定位置部位施加X、Y、Z三个方向的零位移约束。e.实施振动应力仿真。设置设备的振动阻尼值，根据工程经验一般选择O. 03到 O. 05之间的数量。利用ANSYS的求解命令进行该设备在最恶劣振动条件下的应力仿真，求解结束后可以获得设备各部位的响应，包括位移、速度以及加速度均方根。步骤四确定设备的可靠性薄弱环节。主要包括
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a.确定最恶劣温度条件下的可靠性薄弱环节。根据步骤二仿真获得的设备各部分的温度分布及其量值，确定设备温度可靠性薄弱环节。主要是针对元器件耐热特性来确定，对于集成电路芯片、二极管、晶体管等分立器件，若芯片的质量等级为工业级，则当仿真得到其表面温度超过85°C时，该集成电路为可靠性薄弱环节；若芯片质量等级为军品级， 则当仿真得到其表面温度超过100°C时，该集成电路为可靠性薄弱环节；对于电阻器、电容器等元器件，若其与电路板的连接方式为表面贴装，则当仿真得到其表面温度超过90°C时， 该元器件定为可靠性薄弱环节。b.确定最恶劣振动条件下的可靠性薄弱环节。根据步骤三仿真获得的设备振动应力、位移，确定设备的振动可靠性薄弱环节。取电源模块、CPU模块、AD转换模块、数据处理模块上位移均方根、加速度均方根最大的部位为振动可靠性薄弱环节。综上所述，本发明的技术思路在于首先确定设备任务过程中最恶劣的温度和振动环境；其次将设备的CAD模型导入到Flotherm中，设定材料参数、施加温度或功率载荷和边界条件，进行温度分布仿真；然后将设备的CAD模型导入到ANSYS中，设定材料参数、施加振动载荷和边界条件，进行振动应力仿真；最后所选择的元器件的种类与质量等级确定设备热薄弱环节和振动薄弱环节。可以看出，基于温度分布和振动应力仿真的航空参数处理设备，可以在设计的早期阶段获得其使用过程中可能会产生可靠性问题的部位，从而有利于设计人员采取设计改进措施，避免设备失效，提高设备的固有可靠性。3、优点及功效本发明一种航空参数处理设备可靠性薄弱环节确定方法，具有以下优点a.利用最恶劣的温度和振动条件仿真获取设备薄弱环节。设备在任务过程中受到的温度和振动条件有很多种，利用最恶劣的条件进行仿真，确保发现最极端的条件下可能产生的问题，从而保证采取了设计改进后的产品在其他条件下也不会发生类似的问题。b.利用数值仿真的方法确定设备薄弱环节。产品的薄弱环节可以通过经验和实物设备环节试验的方法确定。在设计阶段，通常采用经验法，在原理样机验证阶段采用试验方法。当设计人员经验不足时，定位的薄弱环节往往会发生偏差。而在验证阶段采用试验方法确定薄弱环节需要较长的试验时间和设计更改时间。利用数值仿真的方法可以在设计阶段为工程师提供设备定量的应力分布状况，定位薄弱环节较为准确，且节约试验成本，缩短设备研发周期。
图I是本发明方法流程框图。图2是本发明实施例的航空参数处理设备的组成框图。图3是本发明实施例的航空参数处理设备的振动剖面。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。以下实施例是按照如图I所示的流程进行实施的，主要包括确定设备任务过程中最恶劣的温度和振动环境、进行Flotherm温度分布仿真、进行ANSYS振动应力分布仿真、确定设备的可靠性薄弱环节。航空参数处理设备硬件组成如图2所示，包括机箱、电源模块、CPU模块、AD转换模块、数据处理模块、母板。见图1，本发明一种航空参数处理设备可靠性薄弱环节确定方法，该方法具体步骤如下步骤一确定设备任务过程中最恶劣的温度和振动环境。在设备的设计要求中给出了该设备的工作温度范围为-40V 70°C，选择70V做为最恶劣的温度环境。设备的设计要求中还给出了飞机在起飞、巡航、降落三种条件下的振动加速度功率谱密度剖面，如图 3所示。由于起飞时候的加速度功率谱密度值是三者中最大的，因此选择起飞时候的加速度功率谱密度剖面为最恶劣的振动环境。步骤二 对设备进行Flotherm温度分布仿真。主要包括a.导入设备的三维CAD模型。首先将利用PRoE软件建立好的设备三维CAD模型通过中间格式IGES导入到Flotherm软件中。该三维CAD模型描述了航空参数处理设备的结构组成、装配连接关系，包括了航空参数处理设备所有的电路模块以及功耗大于O. IW元器件的几何结构，未建立元器件焊接点的几何结构。b.定义设备组成各部分的温度分布仿真参数。实施例中机箱采用的是铝合金材料，电路板采用FR4，元器件材料根据其封装材料的不同，包括塑封料和陶瓷。各材料的比热容、导热系数如表I所示。表I温度分布仿真中的材料属性
材料比热容(KJ/kg°C )导热系数W/(m°C)铝合金O. 88200FR4I. 63O. 20塑封材料I. 27O. 67陶瓷O. 9516. 7c.对设备模型进行网格划分。利用Flotherm软件进行自动网格划分，经测量网格最大的长宽比为10. 3，网格数量为218万。d.施加温度载荷与边界条件。利用Flotherm的温度施加命令，将步骤一中确定的最恶劣温度环境条件70°C施加到模型中。将元器件的实际功耗除以元器件的表面积，得到面热流密度，利用Flotherm的热流密度施加命令，输入到Flotherm软件中。表2列出了部分元器件的实际功耗及施加的热流密度值。设备的散热方式为自然散热，对流换热系数设为 5ff/ (m°C )。表2部分元器件实际功耗与热流密度
权利要求
1.一种航空参数处理设备可靠性薄弱环节确定方法，其特征在于该方法具体步骤如下步骤一确定航空参数处理设备任务过程中最恶劣的温度和振动环境；指航空参数处理设备在任务过程中所可能经历的最严酷的环境条件，包括a.若航空参数处理设备的设计要求中给出了设备的工作温度范围以及振动加速度功率谱密度剖面，则选择温度范围中的高温作为最恶劣的温度环境，选择所给出的振动加速度功率谱密度剖面中，振动加速度功率谱密度量值最大的一个做为最恶劣振动环境，若只给出一个振动加速度功率谱密度剖面，则将该剖面确定为最恶劣振动环境；b.若设备设计要求中未给出航空参数处理设备的工作温度范围以及振动加速度功率谱密度剖面，根据国家标准《GBT2423. 43-2008电工电子产品环境试验》确定最恶劣的温度和振动环境；步骤二 对航空参数处理设备进行Flotherm温度分布仿真；Flotherm是一种有限积分软件，其功能是进行温度仿真；包括a.导入该设备的三维CAD模型；首先将建立好的设备三维CAD模型通过中间格式，如 IGES、SAT、STEP格式导入到Flotherm软件中，该三维CAD模型描述了航空参数处理设备的结构组成、装配连接关系，包括了航空参数处理设备所有的电路模块以及功耗超过O. Iff的元器件的几何结构，不需要建立元器件焊接点的几何结构；b.定义该设备组成各部分的温度分布仿真材料参数；包括各组成材料的比热容、导热系数；c.对该设备模型进行网格划分；利用Flotherm软件进行自动网格划分，网格长宽比控制在20以内；d.施加温度载荷与边界条件；温度载荷包括最恶劣环境温度和元器件的工作实际功耗，利用Flotherm的温度施加命令，将步骤一中确定的最恶劣温度环境条件施加到设备模型中；将元器件的实际功耗除以元器件的表面积，得到面热流密度，利用Flotherm的热流密度施加命令，输入到Flotherm软件中，利用Flotherm温度边界设置命令，设置元器件与空气相接触面的自然对流换热系数；e.实施温度分布仿真；利用Flotherm的求解命令进行该设备在最恶劣温度条件下的温度分布仿真，最终获得设备各部分，各位置点的温度分布；步骤三对航空参数处理设备进行ANSYS振动应力分布仿真;ANSYS是一种有限元仿真软件，能进行功率谱密度分析；包括a.导入设备的三维CAD模型；首先将建立好的设备三维CAD模型通过中间格式，如 IGS,STEP格式导入到ANSYS软件中，该三维CAD模型描述了航空参数处理设备的结构组成、 装配连接关系，包括了航空参数处理设备所有的电路模块以及重量大于O. I克的元器件的几何结构，不需要建立元器件焊接点的几何结构；b.定义设备组成各部分的振动应力仿真材料参数；包括各组成材料的密度、弹性模量、泊松比；c.对设备模型进行网格划分；利用ANSYS软件进行自动网格划分，网格长宽比控制在5 以内；d.施加振动加速度功率谱密度与边界条件；包括，利用ANSYS的加速度功率谱密度施加命令，将步骤一中确定的最恶劣振动加速度功率谱密度量值及其对应的频率值输入到ANSYS软件中，并施加到设备的固定位置部位，施加方向垂直于设备的安装方向；利用 ANSYS的位移边界施加命令，对设备固定位置部位施加X、Y、Z三个方向的零位移约束； e.实施振动应力仿真；设置设备的振动阻尼值，根据工程经验一般选择O. 03到O. 05 之间的数量；利用ANSYS的求解命令进行该设备在最恶劣振动条件下的应力仿真，求解结束后获得设备各部位的功率谱密度响应，包括位移功率谱密度、速度功率谱密度以及加速度功率谱密度响应；步骤四确定设备的可靠性薄弱环节；包括a.确定最恶劣温度条件下的可靠性薄弱环节；根据步骤二仿真获得的设备各部分的温度分布及其量值，确定设备温度可靠性薄弱环节；它是针对元器件耐热特性来确定，对于集成电路芯片、二极管、晶体管分立器件，若芯片的质量等级为工业级，则当仿真得到其表面温度超过85°C时，该集成电路为可靠性薄弱环节；若芯片质量等级为军品级，则当仿真得到其表面温度超过100°C时，该集成电路为可靠性薄弱环节；对于电阻器、电容器元器件，若其与电路板的连接方式为表面贴装，则当仿真得到其表面温度超过90°C时，该元器件定为可靠性薄弱环节；b.确定最恶劣振动条件下的可靠性薄弱环节；根据步骤三仿真获得的设备振动应力、 位移，确定设备的振动可靠性薄弱环节；取设备中仿真得到的位移功率谱密度、速度功率谱密度以及加速度功率谱密度响应最大的三个部位为振动可靠性薄弱环节。
全文摘要
一种航空参数处理设备可靠性薄弱环节确定方法，它有四大步骤步骤一确定航空参数处理设备任务过程中最恶劣的温度和振动环境，指航空参数处理设备在任务过程中所可能经历的最严酷的环境条件；步骤二对航空参数处理设备进行Flotherm温度分布仿真；步骤三对航空参数处理设备进行ANSYS振动应力分布仿真；步骤四确定航空参数处理设备的可靠性薄弱环节。本发明是基于有限元温度分布仿真、有限元振动应力仿真的方法确定设备设计薄弱环节，为改进设计提供依据，从而提高航空参数处理设备的固有可靠性；它在产品可靠性仿真技术领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。
文档编号G06F17/50GK102592020SQ20121000348
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者康锐, 曹然, 谢丽梅, 陈颖, 马响 申请人:北京航空航天大学