专利名称：一种航空参数处理设备电源模块的fmis方法
技术领域：
本发明提供一种航空参数处理设备电源模块的FMIS方法，特别是涉及一种基于应力仿真和失效模式注入技术的航空参数处理设备电源模块故障及其影响仿真方法，属于产品可靠性仿真领域。
背景技术：
随着科技的高速发展，航空产品的复杂程度不断提高，同时对可靠性的要求也越来越高。因此，在产品研制过程中对故障分析、可靠性设计提出了更高的要求。航空参数处理设备是对采集的航空飞行参数进行记录、处理、测量、报警，以监控飞机运行状态的电子设备。电源模块的功能是将外界电源电压转化为设备中其他模块需要的电压，为整个设备提供电源输入。电源模块通过卡槽、连接器、锁紧条固定设备机箱两侧，在飞机执行任务的过程中受到温度载荷以及飞行中振动载荷的作用，其各组成元器件、连接件可能会发生某些状态的变化甚至失效，这种变化或失效会对其周围的元器件或部件产生影响，最终危害到整个模块甚至设备的可靠性和安全性。目前工程上应用的硬件FMEA(失效模式及影响分析，Failure Modes and Effect Analysis)方法是通过系统的分析元器件、零部件、设备在设计、制造和使用过程中所有可能的故障模式，以及每一故障模式的原因及影响，找到潜在的薄弱环节，提出改进措施和设计预案，从而提高产品可靠性的一种分析方法。这种方法的实施依赖于工程人员的经验，具有较大的主观性，经验不丰富的工程人员可能无法找到关键的失效模式，无法准确的估计这些失效模式对其同层次、高一层次和最终层次的影响，从而不能提出有针对性的设计改进措施。FMIS(失效模式注入仿真,Failure Modes and Injection Simulation)是利用应力与失效模式注入仿真相结合的方法获得产品实际环境和工作条件下会发生的失效模式、 定量确定在这些故障模式下电路输出的方法。FMIS主要包括应力仿真和失效模式注入两个关键的技术或方法。应力仿真方法是指利用商用数值仿真软件，例如ANSYS、Flotherm, Nastran将设备所承受的温度、振动载荷施加到产品的数字模型上，利用计算机仿真的方法获得设备对这些载荷的响应。失效模式注入技术是利用EDA(电子设计自动化，Electronic Design Automation)软件,将失效模式电路模型注入到正常的电路仿真模型中，获得该失效模式下电路各部分及最终输出电性能情况。常用的EDA软件包括Pspice、Cadence、Cyber 等。FMIS方法是进行FMEA的定量辅助方法。通过对现有技术的查新和检索，国内外还没有利用FMIS方法进行航空参数处理设备电源模块FMEA方面研究和应用的报道。
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电源模块的FMIS方法，它是基于应力仿真方法和失效模式注入技术来确定电源模块失效模式，并定量获得该失效模式下电路输出，为设计人员评估失效模式的影响、确定其危害性提供依据，同时也为电源模块的设计改进提供依据。2、技术方案本发明是通过以下技术方案实现的，确定电源模块的关键部件，确定关键部件的潜在失效模式，仿真电源模块正常状态下的电路输出，仿真电源模块在失效状态下的电路输出。本发明一种航空参数处理设备电源模块的FMIS方法，其具体步骤如下步骤一确定航空参数处理设备电源模块(以下简称“电源模块”)上的关键部件。 主要包括a.首先要获得电源模块在温度、振动载荷下的应力分布。详细过程如下I)确定电源模块任务过程中最恶劣的温度和振动环境。主要包括I.若电源模块的设计要求中给出了电源模块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。2.若电源模块设计要求中未给出电源模块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。2)对电源模块进行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)导入电源模块的三维CAD(计算机辅助设计，Computer Aided Design)模型。 首先将建立好的电源模块三维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模型描述了电源模块的结构组成、装配连接关系，包括电源模块以及功耗超过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)定义电源模块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)对电源模块模型进行网格划分。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I)中确定的最恶劣温度环境条件施加到电源模块模型中。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的求解命令进行该电源模块在最恶劣温度条件下的温度分布仿真，最终可以获得电源模块各部分，各位置点的温度分布。3)对电源模块进行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)导入电源模块的三维CAD模型。首先将建立好的电源模块三维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模型描述了电源模块的结构组成、装配连接关系，包括了电源模块以及重量大于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)定义电源模块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)对电源模块模型进行网格划分。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I)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，并施加到电源模块的固定位置部位，施加方向垂直于电源模块的安装方向。利用ANSYS的位移边界施加命令，对电源模块固定位置部位施加X、Y、Z三个方向的零位移约束。e)实施振动应力仿真。设置电源模块的振动阻尼值，根据工程经验一般选择O. 03 到O. 05之间的数量。利用ANSYS的求解命令进行该电源模块在最恶劣振动条件下的应力仿真，求解结束后可以获得电源模块各部位的响应，包括位移、速度以及加速度均方根。b.将高温、高振动响应的元器件、零部件确定为关键部件。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，该集成电路为关键部件；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，该集成电路为关键部件；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，该元器件定为关键部件。将设备在振动仿真中得到的位移、加速度均方根最大值的部位所在的元器件、零部件定为关键部件。步骤二 确定关键部件的失效模式。根据下列表1，电子产品的载荷与失效模式及失效原因的对应关系，利用步骤一中获得的电源模块上关键元器件与部件所受的载荷类型来确定其可能的失效模式。表I电子产品受到的载荷与失效模式与失效原因对应关系
权利要求
1. 一种航空参数处理设备电源模块的FMIS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电源模块上的关键部件包括a.首先要获得电源模块在温度、振动载荷下的应力分布；详细过程如下1)确定电源模块任务过程中最恶劣的温度和振动环境；包括1.若电源模块的设计要求中给出了电源模块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；
2.若电源模块设计要求中未给出电源模块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；2)对电源模块进行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)导入电源模块的三维CAD模型；首先将建立好的电源模块三维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模型描述了电源模块的结构组成、装配连接关系，包括电源模块以及功耗超过O. IW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)定义电源模块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)对电源模块模型进行网格划分；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I)中确定的最恶劣温度环境条件施加到电源模块模型中；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的求解命令进行该电源模块在最恶劣温度条件下的温度分布仿真，最终获得电源模块各部分，各位置点的温度分布；3)对电源模块进行ANSYS振动应力分布仿真；ANSYS是一种有限元仿真软件，能进行功率谱密度仿真；包括a)导入电源模块的三维CAD模型；首先将建立好的电源模块三维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模型描述了电源模块的结构组成、装配连接关系，包括了电源模块以及重量大于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)定义电源模块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)对电源模块模型进行网格划分；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I)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，并施加到电源模块的固定位置部位，施加方向垂直于电源模块的安装方向；利用 ANSYS的位移边界施加命令，对电源模块固定位置部位施加X、Y、Z三个方向的零位移约束； e)实施振动应力仿真；设置电源模块的振动阻尼值，根据工程经验选择O. 03到O. 05 之间的数量；利用ANSYS的求解命令进行该电源模块在最恶劣振动条件下的应力仿真，求解结束后获得电源模块各部位的响应，包括位移、速度以及加速度均方根；b.将高温、高振动响应的元器件、零部件确定为关键部件；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，该集成电路为关键部件；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，该集成电路为关键部件；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，该元器件定为关键部件；将设备在振动仿真中得到的位移、加速度均方根最大值的部位所在的元器件、零部件定为关键部件；步骤二 确定关键部件的失效模式；根据下列表1，电子产品的载荷与失效模式及失效原因的对应关系，利用步骤一中获得的电源模块上关键元器件与部件所受的载荷类型来确定其可能的失效模式；表I电子产品受到的载荷与失效模式与失效原因对应关系
全文摘要
一种航空参数处理设备电源模块的FMIS方法，该方法有四大步骤步骤一确定航空参数处理设备电源模块上的关键部件；步骤二确定关键部件的失效模式；步骤三进行电源模块在正常状态下的瞬态电路仿真；步骤四进行电源模块在失效状态下的瞬态电路仿真。本发明是基于应力仿真方法和失效模式注入技术来确定航空参数处理设备电源模块失效模式，并定量获得该失效模式下电路输出，为设计人员评估失效模式的影响、确定其危害性提供依据，同时也为电源模块的设计改进提供依据。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G06F17/50GK102592021SQ20121000361
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, 张晓秦, 曹然, 陈颖, 马响 申请人:北京航空航天大学