一种电子设备可靠性定量评估方法与流程

本发明属于航空电子设备技术领域，具体涉及一种电子设备可靠性定量评估方法。

背景技术：

航空电子设备日益复杂化，重性能、轻效能传统观念的影响，忽视可靠性、维修性、保障性、安全性等的设计，造成电子产品使用寿命短，故障严重，维修效率低，停用时间长，寿命周期费用高。实践证明:可靠性是提高装备作战能力、控制全寿命周期费用的主要因素，武器装备复杂程度和技术含量越高，对装备的可靠性要求也越来越高,对军用产品，安全、可靠尤为显得重要，因为在实战中，电子设备的可靠性会变得很突出。

国内电子设备的结构设计当前更多的依赖于设计经验。在性能分析中，通常运用商业分析软件对电子设备设计中各个学科问题进行一些局部分析，对电子设备结构可靠性分析的工作更是一片空白。通用软件不是专为电子设备结构设计而开发，缺乏大量支持数据和针对性的前后处理功能，故使用难度大、前后处理繁琐、计算时间很长。所建的模型无法在各类分析软件中通用，必须分别构建。通用软件更无综合设计功能，无法做到相互兼顾、综合分析、设计，更谈不上可靠性分析。因此，现有的电子设备结构可靠性设计思路和分析方法无法在设计阶段有效的发现方案的不足和消除设计的缺陷，不适应新形势对电子设备结构可靠性设计提出的要求。

技术实现要素：

本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提出了一种电子设备可靠性定量评估方法，采用完整的航空电子设备结构可靠性分析和评估体系，实现对电子设备可靠性预计方法的补充，增加电子设备结构、电路板、器件连接等的可靠性预计，提高了电子设备可靠性预计精度，消除电子设备结构设计缺陷，缩短电子设备的设计周期，降低成本。

本发明的技术方案：一种电子设备可靠性定量评估方法，包括以下步骤：

步骤一、编制航空电子设备机械、气候环境载荷谱；

a)根据航空电子设备所服役的飞机的机械和气候环境空测数据，分析机械和振动载荷的全机分布规律后，确定机械和温度载荷的回归数学模型；

b)根据飞机的典型任务剖面并使用可靠性试验剖面编制方法和数据处理原则，编制航空电子设备的机械、气候环境载荷谱；

步骤二、建立航空电子设备典型结构的有限元模型；

步骤三、对电子设备典型结构进行动力响应分析和温度耦合分析；

c)收集航空电子设备典型结构的连接方式并对连接方式进行分类；

d)对印刷板和电子设备进行等效处理，并采用特征建模、局部节点合并和局部节点自由度耦合方法，对典型结构施加步骤一中得到的载荷谱；

e)在有限元计算软件中分别进行动力响应分析和温度耦合分析，得到应力和位移分布情况；

步骤四、对典型结构的结构可靠性进行分析；

利用首次破坏机制和疲劳累积损伤机制，对典型结构的结构可靠性进行计算，得到典型结构的破坏概率；

步骤五、对设备模块及整机的结构可靠性抽样仿真计算和评估；

利用蒙特卡洛法抽样，对设备的各个模块按照步骤四进行结构可靠性分析，然后选取可靠性水平最低的模块作为整个电子设备的结构可靠性评估结果。

优选地，所述步骤二中，按照航空电子设备与印制电路板的连接形式，将电子元器件划分为通孔式安装元器件和表面贴装元器件。

优选地，所述步骤二中，按照航空电子设备与印制电路板组装后的安装方式分为机箱级、板级和器件级三个层次分别建立有限元模型。

优选地，所述步骤三中，所述印制电路板采用质量相等的原则等效为平板；其他电子元器件根据轮廓尺寸及质量将其等效成密度均匀的质量块，所述质量块安装在所述平板上。

本发明技术方案的技术效果：本发明一种电子设备可靠性定量评估方法，增加电子设备结构、电路板、器件连接等的可靠性预计，提高电子设备可靠性预计精度，消除电子设备结构设计缺陷，缩短电子设备的设计周期，减少设计难度，降低成本，提高电子设备可靠性、安全性。

附图说明

图1为本发明一种电子设备可靠性定量评估方法的一优选实施例的步骤流程示意图。

图2为图1所示实施例的机械、气候环境载荷谱示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明，请参阅图1至图2；

一种电子设备可靠性定量评估方法，包括以下步骤：

步骤一、编制航空电子设备机械、气候环境载荷谱；

首先依据航空电子设备所服役的飞机的机械和气候环境空测数据，分析研究机械和振动载荷的全机分布规律后，确定机械和温度载荷的回归数学模型；

然后根据飞机的典型任务剖面并借鉴可靠性试验剖面编制方法和数据处理原则，编制出与设备的安装位置、飞机的使用方式息息相关的航空电子设备的机械、气候环境载荷谱；

步骤二、建立航空电子设备典型结构的有限元模型；

基本电子元器件包括电阻、电容、电感及磁性元器件、半导体分立器件、继电器、电连接器、半导体集成电路、混合集成电路等。考虑到航空电子设备较多的失效形式是连接处的破坏，为便于分析：

首先按照电子元器件与印制电路板的连接形式，将基本电子元器件划分为通孔式安装元器件(如直插、机械连接、捆绑等连接)及表面贴装元器件(如焊接、粘接、表面塑封、集成硅片等连接)；

再按照航空电子设备与印制电路板组装后的安装方式分为机箱级、板级和器件级三个层次分别建立有限元模型。

步骤三、对电子设备典型结构进行动力响应分析和温度耦合分析；

统计和归纳航空电子设备典型结构中的固定连接方式，尤其是航空电子设备器件的常用安装连接形式(如焊接、表贴、捆绑等)，并采用质量相等的原则将印制板等效为平板处理，对电阻、电容、变压器、继电器等元器件根据轮廓尺寸及质量将其等效成密度均匀的质量块，在质量块安装在平板的基础上，采用特征建模、局部节点合并和局部节点自由度耦合等方法，对典型结构施加步骤一中得到的载荷谱，在有限元计算软件中分别进行动力响应分析和温度耦合分析，得到应力和位移分布情况。

步骤四、对典型结构的结构可靠性进行分析；

利用结构动强度可靠性分析的两种基本模型，一种是首次超越破坏机制，另一种是疲劳累积损伤机制，对典型结构的结构可靠性进行计算，得到其破坏概率。

步骤五、对设备模块及整机的结构可靠性抽样仿真计算和评估；

考虑到实际情况中电子设备设计及生产工艺参数的随机分布，利用蒙特卡洛法抽样，对设备的各个模块分别进行步骤四的结构可靠性分析，然后选取可靠性水平最低的模块作为整个电子设备的结构可靠性评估结果。

下面结合大气数据计算机的结构可靠性定量评估为例，进行详细说明；

1)首先获取该设备所在设备舱的振动和温度载荷谱，选取其中的振动载荷和温度载荷作为下一步有限元计算模型的边界条件。

2)建立该设备的有限元计算模型；

施加步骤1中得到的振动载荷0.001g2/hz、0.0012g2/hz、0.002g2/hz，温度载荷-55℃、-19℃、31℃、70℃，提取有限元计算软件中的振动和温度应力计算结果。

3)典型结构的结构可靠性分析

例如对某个双引脚插装元器件，将上一步中获得的改点应力值代入首次超越破坏动强度可靠度:

工作时间按10000小时，t＝3.6e7秒,振动应力安全界限b＝65mpa，

振动应力标准差σσ＝0.283325mpa

振动应力导数标准差

计算得到可靠度p(b)＝1。

代入疲劳累计损伤动动强度可靠度：

工作时间按10000小时：t＝3.6e7秒,系数：k＝0.5e-10,b＝5.2

应力响应标准差σσ＝0.283325mpa

振动应力导数标准差

计算得到可靠度为p(r)＝0.999999966737。

4)模块及设备的结构可靠性定量评估。

根据分析对象所承受的应力和自身特点确定可能发生的故障机理，以选取的cpu模块为例，说明故障预计的详细过程。

该元器件主要由焊点和电路板连接，在温度循环条件下可能会发生焊点的热疲劳破坏，采用基于应变的故障物理模型。代入应力分析得到的器件局部温度值及查阅手册获得的材料热膨胀系数，得到首发故障时间为152908小时，考虑到各参数的随机分布特性，采用机械可靠性软件nessus进行1000次蒙特卡洛仿真，形成了大样本量的故障时间数据，得到nf～w(43517，2.2398，295901)。

然后利用多点故障分布融合方法确定产品的首次故障时间，选取故障时间相对较小的元器件记为产品的薄弱环节，利用蒙特卡洛法进行抽样，把每次抽样得到最小值作为一组数据，进行分布拟合得到该设备的故障时间概率密度函数，最后计算的出的平均首发故障时间为5558小时，作为该设备结构可靠性定量评估结果。

本发明一种电子设备可靠性定量评估方法，克服了国内电子设备的结构设计更多的依赖于设计经验，缺少完整的航空电子设备结构的可靠性分析和评估方法，为结构可靠性评估和分析提供了一套完整的解决体系。

实现对电子产品可靠性预计方法的补充，增加电子设备结构、电路板、器件连接等的可靠性预计，提高电子设备可靠性预计精度，消除电子设备结构设计缺陷，缩短电子设备的设计周期，减少设计难度，降低成本，提高电子设备可靠性、安全性。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。