一种基于故障物理的电子产品任务可靠度计算方法
【专利摘要】一种基于故障物理的电子产品任务可靠度计算方法，其步骤：一：采集产品所有任务剖面信息，确定各任务的环境剖面；二：对各任务的环境应力进行热仿真和振动仿真，得到产品对环境载荷的局部响应；三：建立产品仿真模型；四：完成所有任务剖面下产品仿真计算，得出产品的平均故障前时间和主故障机理；五：根据平均故障前时间来计算产品任务可靠度。本发明是基于故障物理的电子产品任务可靠度计算方法，考虑产品在寿命使用中所有任务，对各任务的环境应力进行仿真，综合计算出产品平均故障前时间及任务可靠度。通过故障物理模型可以得到产品材料、结构和工艺等参数与可靠性的直接关系，明确而直接地为产品提供设计改进方向。
【专利说明】一种基于故障物理的电子产品任务可靠度计算方法
【技术领域】
[0001]本发明提供一种基于故障物理的电子任务可靠度计算方法，特别是涉及一种基于 故障物理的多任务电子产品任务可靠度计算方法，属于产品可靠性预计领域。
【背景技术】
[0002]随着科技的高速发展，电子产品的复杂程度不断提高。对具有高可靠性要求的电 子产品来说，能够在设计阶段分析并定量计算其可靠性，对发现产品设计薄弱环节并进行 设计更改具有非常重要的意义。传统上，工程人员在设计的早期主要是用根据经验的方法 对电子产品进行可靠性预计，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。
[0003]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。近年来，随着故障物理(Physics of Failure, PoF)研究的不断深入，建立了大量的元器件、组件等在工作或贮存状态的故障物 理模型。计算产品任务可靠度的关键在于计算产品平均故障前时间，而目前计算电子产品 平均故障前时间的方法往往仅对产品典型剖面进行仿真，这并不能真实全面地反映产品尤 其是多任务多阶段产品在寿命周期内历经的应力情况。本发明在这些研究的基础上，提出 了一种新的基于故障物理的电子产品任务可靠度计算方法。它对电子产品在全寿命周期 中所有可能历经任务剖面进行仿真，在已知产品所有潜在故障机理及其对应故障物理模 型，且各故障机理相互独立的假设下，进行仿真得到各种任务下各潜在故障机理的故障前 时间(Time to Failure, TTF)，其中TTF最短的故障机理定为产品的主故障机理，对产品在 各任务下的主故障机理对应的TTF求平均值，即是产品的平均故障前时间(Mean Time to Failure, MTTF)的预计值,根据MTTF预计值,求得任意给定时刻的产品任务可靠度。通过对 现有技术的查新和检索，国内外还没有基于故障物理模型并结合产品寿命周期内所有任务 来计算产品任务可靠度方面的报道。
【发明内容】
[0004]1、目的:本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于故障物理的电子 产品任务可靠度计算方法，通过仿真得到产品的主故障机理，为改进设计提供依据，从而提 高产品的固有可靠性。
[0005]2、技术方案:本发明是通过以下技术方案实现的，采集产品各任务相关设计信息， 确定产品所有任务及其所对应的环境剖面，对各任务的环境应力进行仿真获得产品对环境 载荷的局部响应，对产品进行损伤累积分析，并调用软件中的故障物理模型进行故障预计， 得到各任务下的主故障机理和相应TTF，进一步求得产品的MTTF，根据MTTF计算给定时刻 t下产品的任务可靠度。
[0006]本发明一种基于故障物理的电子产品任务可靠度计算方法，其具体步骤如下:
[0007](下述“产品”是“电子产品”的简称)[0008]步骤一:采集产品各任务相关设计信息，包括:
[0009]a.确定产品在全寿命周期内所有执行任务剖面信息，包括产品在全寿命周期使用 中可能历经的所有典型任务剖面、每个任务剖面的名称与持续时间；统计飞机的飞行记录 历史信息获得各个任务剖面的持续时间，任务剖面个数为m ；
[0010]b.确定各任务的环境剖面，根据国家军用标准GJB899A-2009《可靠性鉴定与验收 试验》，结合产品某一任务剖面内不同任务阶段的环境温度数据，并综合考虑产品散热和气 候变化的影响，画出产品各个任务对应的温度剖面，根据产品在任务过程中承受随机振动 情况分析画出产品在各个任务剖面所经受的振动剖面；温度剖面包括任务过程中各时间对 应的温度，其中包括静态温度及温度变化过程，振动剖面包括任务过程中各时间对应的不 同振动量级的振动应力及各振动量级对应的振动加速度功率谱密度图；
[0011]C.确定产品在全寿命周期内的总工作时间要求T ;
[0012]步骤二:将产品各任务的环境应力进行仿真，获得产品对环境载荷的局部响应，包 括:
[0013]a.针对产品每个任务，利用Flotherm软件对产品进行温度应力仿真，得到产品的 温度分布，包括:
[0014]I)导入产品的三维CAD(计算机辅助设计,Computer Aided Design)模型；首先将 建立好的产品三维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模型描述了产品的结构组成、装配连接关系，包括了产品所有的电路模块以 及功耗超过0.1ff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；
[0015]2)定义产品各组成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，至此形成产品模型I ;
[0016]3)对产品模型I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，至此形成产品模型II ；
[0017]4)施加温度载荷与边界条件；温度载荷主要包括环境温度和元器件的工作实际 功耗，利用Flotherm软件的温度施加命令，将步骤一中确定的任务的温度剖面中静态温度 施加到产品模型II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软件的热流密度施加命令,输入到Flotherm软件中，利用Flotherm软件的温度边 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；
[0018]5)实施温度应力仿真；利用Flotherm软件的求解命令进行该产品在温度条件下 的温度分布仿真，最终获得产品各部分各位置点的温度分布，得到温度应力仿真结果；
[0019]b.针对每个任务，利用ANSYS软件对产品进行振动应力分布仿真，包括:
[0020]I)导入产品的三维CAD模型；首先将建立好的产品三维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模型描述了产品的结构组成、装配连接 关系，包括了产品所有的电路模块以及重量大于0.1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；
[0021]2)定义产品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，至此形成产品模型III ；
[0022]3)对产品模型III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；[0023]4)施加振动加速度功率谱密度与边界条件；利用ANSYS软件的加速度功率谱密度 施加命令，将步骤一中确定的加速度功率谱密度图中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，并施加到产品的固定位置部位，施加方向垂直于产品的安 装方向，利用ANSYS软件的位移边界施加命令，对产品固定位置部位施加X、Y、Z三个方向的 零位移约束；
[0024]5)实施振动应力仿真；设置产品的振动阻尼值，根据工程经验一般选择0.03到
0.05之间的数量，利用ANSYS软件的求解命令对该产品在该任务的振动条件下的应力仿 真，求解结束后可以获得产品各部位的响应，包括位移、速度以及加速度均方根，得到振动 应力仿真结果；
[0025]步骤三:建立产品仿真模型，针对各个任务进行单应力损伤分析，调用CalcePWA 软件中的故障物理模型和损伤累积模型对产品进行故障仿真，CalcePffA软件是由美国马 里兰大学开发，对产品进行故障仿真和预计的软件，包括:
[0026]a.采用CalcePWA软件建立产品仿真模型，包括:
[0027]I)利用CalcePWA软件的PWA DESIGN模块输入电路板的外形尺寸，板层信息及镀 通孔尺寸及材料参数；
[0028]2)编辑输入电路板上所有类型的元器件参数，对不同封装类型的元器件，需要输 入的参数不同，参数类型主要包括元器件尺寸、封装参数、芯片参数、互联信息、焊点信息、 工作条件和修正因子；
[0029]3)根据产品设计单位提供的信息输入电路板上各个元器件的位置信息，包括器件 所属类型、中心X和Y坐标、安装面、安装角度及电热过孔数目和类型和额定功率；
[0030]4)对产品内因参数离散化；考虑到同一批次产品由于工艺等原因其参数会有一 定分散性，在CalcePWA软件中将影响产品设备故障的内因主要包括元器件结构尺寸、材料 参数以及工艺参数进行离散化，由于在产品中，结构、材料、工艺等参数分布函数一般难以 获得，统一采用三角分布，三角分布需定义参数的标准值以及取值的上下限，并假定取值在 上下限范围内呈线性变化；
[0031]b.对产品进行单应力损伤分析，并生成产品寿命周期内的应力剖面，包括:
[0032]I)针对每个任务的环境剖面，进行单应力损伤分析；将步骤二得到的温度应力仿 真结果作为各电路模块的热分析边界条件输入至CalcePWA软件的THERMAL ANALYSIS模块 中并进行热分析，将步骤二的振动应力仿真结果作为振动激励条件输入至CalcePWA软件 的VIBEATION ANALYSIS模块中进行振动分析；
[0033]2)在CalcePWA软件的LIFE PROFILE模块中生成产品寿命周期内的应力剖面，即 将THERMAL ANALYSIS和VIBEATION ANALYSIS模块中分析得到的温度和振动分析的结果作 为输入，并设置高低温持续时间和转换时间，环境剖面循环次数，在对各个任务下的产品进 行仿真分析时，假设产品在整个寿命周期内重复完成某种任务，设各个任务的持续时间为
则环境剖面循环次数nrf/T为产品在全寿命周期内的总工作时间要求，n,取整数；
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[0034]c.对产品各尺寸、结构参数用蒙特卡洛方法进行1000次抽样，蒙特卡洛方法是一 种使用随机抽样统计来估算数学函数的计算方法，进行损伤累积分析，计算产品在该任务 下的主故障机理和TTFi,包括:[0035]I)在CalcePWA软件的FAILURE ANALYSIS模块中将LIFE PROFILE模块中生成的产品寿命周期内的应力剖面作为输入，产品在多种应力作用下有多种潜在故障机理，在仿真中要调用所有可能的故障物理模型；在CalcePWA软件中包含了常见的30多种故障物理模型，如焊点热疲劳、与时间相关电介质击穿、管脚随机振动疲劳；
[0036]2)对产品各尺寸、结构参数进行1000次蒙特卡洛抽样；通过每种故障物理模型计算出产品各任务下该潜在故障机理对应的1000个故障前时间TTF，这1000个数值的均值为该潜在故障机理对应的TTF ；
[0037]3)对产品所有潜在故障机理进行仿真，得到各自对应的故障前时间TTF，根据故障机理的竞争关系模型，取TTF最短的故障机理为产品在该任务下的主故障机理，主故障机理的TTF为产品在该任务下的TTFi ；
[0038]步骤四:完成所有任务剖面下产品仿真，并得到产品主故障机理和MTTF，包括:
[0039]a.重复步骤二和步骤三，直到将产品在寿命周期内历经的所有任务完成仿真；
[0040]b.对所有任务仿真分析结果的主故障机理综合分析，画出分布直方图；
[0041]c.对所有任务下的故障前时间TTFi取平均值，为产品的平均故障前时间MTTF，即
【权利要求】
1.一种基于故障物理的电子产品任务可靠度计算方法，其特征在于:该方法具体步骤如下:步骤一:采集产品各任务相关设计信息，包括:a.确定产品在全寿命周期内所有执行任务剖面信息，包括产品在全寿命周期使用中历经的所有典型任务剖面、每个任务剖面的名称与持续时间；统计飞机的飞行记录历史信息获得各个任务剖面的持续时间，任务剖面个数为m ；b.确定各任务的环境剖面，根据国家军用标准GJB899A-2009《可靠性鉴定与验收试验》，结合产品任务剖面内不同任务阶段的环境温度数据，并综合考虑产品散热和气候变化的影响，画出产品各个任务对应的温度剖面，根据产品在任务过程中承受随机振动情况分析画出产品在各个任务剖面所经受的振动剖面；温度剖面包括任务过 程中各时间对应的温度，其中包括静态温度及温度变化过程，振动剖面包括任务过程中各时间对应的不同振动量级的振动应力及各振动量级对应的振动加速度功率谱密度图；c.确定产品在全寿命周期内的总工作时间要求T;步骤二:将产品各任务的环境应力进行仿真，获得产品对环境载荷的局部响应，包括:a.针对产品每个任务，利用Flotherm软件对产品进行温度应力仿真，得到产品的温度分布，包括:1)导入产品的三维CAD模型；首先将建立好的产品三维CAD模型通过中间格式导入到 Flotherm软件中，该三维CAD模型描述了产品的结构组成、装配连接关系，包括了产品所有的电路模块以及功耗超过0.1W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；2)定义产品各组成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，至此形成产品模型I ;3)对产品模型I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，至此形成产品模型II ；4)施加温度载荷与边界条件；温度载荷包括环境温度和元器件的工作实际功耗，利用 Flotherm软件的温度施加命令，将步骤一中确定的任务的温度剖面中静态温度施加到产品模型II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软件的热流密度施加命令，输入到Flotherm软件中，利用Flotherm软件的温度边界设置命令，设置元器件与空气相接触面的自然对流换热系数；5)实施温度应力仿真；利用Flotherm软件的求解命令进行该产品在温度条件下的温度分布仿真，最终获得产品各部分各位置点的温度分布，得到温度应力仿真结果；b.针对每个任务，利用ANSYS软件对产品进行振动应力分布仿真，包括:1)导入产品的三维CAD模型；首先将建立好的产品三维CAD模型通过中间格式导入到ANSYS软件中，该三维CAD模型描述了产品的结构组成、装配连接关系，包括了产品所有的电路模块以及重量大于0.1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；2)定义产品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，至此形成产品模型III ；3)对产品模型III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；4)施加振动加速度功率谱密度与边界条件；利用ANSYS软件的加速度功率谱密度施加命令，将步骤一中确定的加速度功率谱密度图中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，并施加到产品的固定位置部位，施加方向垂直于产品的安装方向，利用ANSYS软件的位移边界施加命令，对产品固定位置部位施加X、Y、Z三个方向的零位移约束；5)实施振动应力仿真；设置产品的振动阻尼值，根据工程经验选择0.03到0.05之间的数量，利用ANSYS软件的求解命令对该产品在该任务的振动条件下的应力仿真，求解结束后获得产品各部位的响应，包括位移、速度以及加速度均方根，得到振动应力仿真结果；步骤三:建立产品仿真模型，针对各个任务进行单应力损伤分析，调用CalcePWA软件中的故障物理模型和损伤累积模型对产品进行故障仿真，对产品进行故障仿真和预计的软件，包括:a.采用CalcePWA软件建立产品仿真模型，包括:1)利用CalcePWA软件的PWADESIGN模块输入电路板的外形尺寸，板层信息及镀通孔尺寸及材料参数；2)编辑输入电路板上所有类型的元器件参数，对不同封装类型的元器件，需要输入的参数不同，参数类型主要包括元器件尺寸、封装参数、芯片参数、互联信息、焊点信息、工作条件和修正因子；3)根据产品设计单位提供的信息输入电路板上各个元器件的位置信息，包括器件所属类型、中心X和Y坐标、安装面、安装角度及电热过孔数目和类型和额定功率；4)对产品内因参数离散化；考虑到同一批次产品由于工艺等原因其参数会有一定分散性，在CalcePWA软件中将影响产品设备故障的内因包括元器件结构尺寸、材料参数以及工艺参数进行离散化，由于在产品中，结构、材料、工艺等参数分布函数难以获得，统一采用三角分布，三角分布需定义参数的标准值以及取值的上下限，并假定取值在上下限范围内呈线性变化；b.对产品进行单应力损伤分析`，并生成产品寿命周期内的应力剖面，包括:1)针对每个任务的环境剖面，进行单应力损伤分析；将步骤二得到的温度应力仿真结果作为各电路模块的热分析边界条件输入至CalcePWA软件的THERMAL ANALYSIS模块中并进行热分析，将步骤二的振动应力仿真结果作为振动激励条件输入至CalcePWA软件的 VIBEATION ANALYSIS模块中进行振动分析；2)在CalcePWA软件的LIFEPROFILE模块中生成产品寿命周期内的应力剖面，即将 THERMAL ANALYSIS和VIBEATION ANALYSIS模块中分析得到的温度和振动分析的结果作为输入，并设置高低温持续时间和转换时间，环境剖面循环次数，在对各个任务下的产品进行仿真分析时，假设产品在整个寿命周期内重复完成某种任务，设各个任务的持续时间为则环境剖面循环次数ni=f，T为产品在全寿命周期内的总工作时间要求，Hi取整数；C.对产品各尺寸、结构参数用蒙特卡洛方法进行1000次抽样，蒙特卡洛方法是一种使用随机抽样统计来估算数学函数的计算方法，进行损伤累积分析，计算产品在该任务下的主故障机理和TTFi,包括:1)在CalcePWA软件的FAILUREANALYSIS模块中将LIFE PROFILE模块中生成的产品寿命周期内的应力剖面作为输入，产品在多种应力作用下有多种潜在故障机理，在仿真中要调用所有故障物理模型；对产品各尺寸、结构参数进行1000次蒙特卡洛抽样；通过每种故障物理模型计算出产品各任务下该潜在故障机理对应的1000个故障前时间TTF，这1000 个数值的均值为该潜在故障机理对应的TTF ；2)对产品所有潜在故障机理进行仿真，得到各自对应的故障前时间TTF，根据故障机理的竞争关系模型，取TTF最短的故障机理为产品在该任务下的主故障机理，主故障机理的TTF为产品在该任务下的TTFi ；步骤四:完成所有任务剖面下产品仿真，并得到产品主故障机理和MTTF，包括:a.重复步骤二和步骤三，直到将产品在寿命周期内历经的所有任务完成仿真；b.对所有任务仿真分析结果的主故障机理综合分析，画出分布直方图； c.对所有任务下的故障前时间TTFi取平均值，为产品的平均故障前时间MTTF，即
2.根据权利要求1所述的一种基于故障物理的电子产品任务可靠度计算方法，其特征在于:在步骤二、三中所述的“中间格式”是指IGES、SAT、STEP格式中的一种。
【文档编号】G06F19/00GK103559418SQ201310589193
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】骆明珠, 陈颖, 叶翠, 康锐 申请人:北京航空航天大学