可靠性仿真在魚雷產品上的應用

王斗輝 ,陳 歡 ,郭 君 ,吳 斌

(1.工業和信息化部 電子第五研究所,廣東 廣州,615123;2.中國船舶集團有限公司 第705 研究所,陜西 西安,710077)

0 引言

隨著技術的發展,對裝備可靠性水平的要求越來越高,但對研制和生產周期的要求則越來越短,完全按傳統的典型環境仿真方法對裝備進行可靠性試驗,對于可靠性指標要求較高的產品,無論是時間還是試驗費用等都難以保證,為此需要找到一種在研制初期即可針對仿真模型,在開展建模仿真的基礎上進行可靠性設計及評價的新途徑。

國外近年來發展基于失效物理的可靠性仿真技術已日益受到可靠性工程界的關注,并得到了蓬勃的發展。美國陸軍裝備系統分析中心成立了“基于失效物理的可靠性”小組,持續進行失效物理計劃,以實現陸軍裝備設計和分析的超高可靠性;歐美均有成熟的商業化熱學與力學仿真軟件工具,并被利用在可靠性設計環節;馬里蘭大學的高級壽命循環工程中心開發了具有領先地位的基于失效物理的可靠性仿真軟件。國內目前在質量和可靠性工程領域針對仿真技術的研究起步較晚,但也已在飛機、導彈等領域有較多應用。

傳統的可靠性試驗和可靠性仿真試驗本質上都是通過對試驗對象施加應力,獲得產品故障(缺陷)數據,從而對產品進行改進設計及可靠性評價?？煽啃栽囼炇菍嵨飿訖C施加模擬環境應力,通常在試驗箱完成,往往耗時長、成本高,且工作重點在試驗后,不能在設計早期提供方案權衡和改進輸入[1];而可靠性仿真試驗是針對數字樣機,利用計算機、軟件工具即可開展,仿真過程耗時短、費用低,通過“建模仿真—設計改進—模型改進”的過程[2]可以在產品設計早期消除產品故障源,減少試驗量,縮短研制周期。目前魚雷型號研制過程主要仍是借助傳統可靠性試驗,通過暴露產品故障實施設計改進,另外,由于缺乏專業的可靠性預計和可靠性仿真軟件,故完整的可靠性仿真技術并未在魚雷產品設計中廣泛應用。針對魚雷可靠性要求越來越高,傳統可靠性試驗耗時長、費用高的現狀,有必要研究可靠性仿真技術在魚雷裝備研制過程中的應用。文中選取了魚雷典型電子組件,開展了可靠性仿真分析和仿真試驗研究,旨在為可靠性仿真技術在魚雷產品上的更廣泛應用提供借鑒和參考。

1 可靠性仿真基本過程

魚雷型號研制一般分為方案設計、初樣研制、正樣研制及狀態鑒定等階段?？煽啃苑抡嬖囼為_始于魚雷型號方案設計階段,貫穿于產品研制的初樣和正樣設計階段,通過“仿真試驗—設計更改—仿真試驗”的迭代過程與產品設計流程緊密結合?？煽啃苑抡嬷饕ǚ抡娼?、熱仿真、振動仿真、故障預計和可靠性評估。熱仿真可以暴露產品熱設計缺陷,為故障預計提供電路板的熱邊界條件,振動仿真可以暴露產品振動設計缺陷,為故障預計提供電路板的力學邊界條件,而故障預計旨在暴露產品在給定壽命條件下的潛在故障點,最后給出產品的定量可靠性評估。針對可靠性仿真試驗所發現的可靠性設計薄弱環節應及時分析,在更改設計后應更新數字樣機,并再次進行可靠性仿真試驗,以此循環迭代直至產品熱設計、振動設計和故障預計結果達到預期要求[3-8]。

可靠性仿真流程包括采集設計信息、建立產品數字化樣機模型、熱和力學及電的應力分析、預計故障和可靠性仿真評估等,基本過程及工作流程如圖1 所示。

圖1 可靠性仿真流程Fig.1 Reliability simulation process

2 魚雷產品可靠性仿真

選取魚雷典型電子組件(以下簡稱樣件)來闡述魚雷產品可靠性仿真實踐過程。該樣件主要由濾波器、控制板和電池模塊等裝配組成,涉及艦上工作、水下待機和水下工作等3 種工況,不同工況下環境條件、工作時間及內部發熱情況均不相同,文中重點針對水下待機狀態開展可靠性仿真研究。

該產品在實際使用中遇到的環境應力主要有溫度、濕度、振動、沖擊、霉菌和鹽霧等,受上述因素的影響,產品會發生一系列的“物理失效”變化,造成產品功能失效。據統計,電子產品的大部分故障由溫度、濕度和振動應力導致,故結合該產品特點,影響其可靠性的敏感環境應力是溫度和振動,為此可將溫度和振動應力施加至仿真模型上,開展可靠性仿真分析和評估。

2.1 產品設計信息采集

采集可靠性仿真需要的設計和使用環境信息包括完整的印制電路板(printed circuit board,PCB)設計信息、計算機輔助設計(computer aided design,CAD)文件、三維結構圖、PCB 部件電路圖及元器件目錄、工作剖面及環境條件等設計信息,具體涉及結構件名稱和代號、材料名稱和代號、材料密度、彈性模量、泊松比以及安裝方式等44 種結構件信息;器件類型、質量、幾何尺寸、封裝類型、封裝材料、額定功耗、實際功耗、位置信息、管腳數量以及連接方式等87 種元器件信息;收集及查詢補充完善其他各類相關信息近千條。

2.2 仿真模型建立

2.2.1 CAD 建模

CAD 建模是為了建立反映產品幾何特征的三維數字模型,是建立計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)和有限 元方法(finite element method,FEM)仿真模型的原型和基礎。樣件主要由電池模塊、外殼、蓋板、PCB、螺釘和墊片等組成,CAD 仿真模型如圖2 所示,簡化后如圖3 所示。

圖2 樣件CAD 模型Fig.2 CAD model of the sample

圖3 樣件簡化模型Fig.3 Simplified model of the sample

2.2.2 CFD 仿真模型

在CAD 簡化模型基礎上建立仿真輸出,對發熱量小、模型體積小的部分進行簡化刪除,并對發熱期間的模型選擇最高精度的簡化,盡可能保證模型的準確性。通過對器件的功耗值進行分析對比,以0.01 W為分界線進行模型簡化,低于10 mW的器件除微控制器及晶振(為了重點檢查該部位溫度)外,其余器件均進行簡化,另外保留空間體積較大的元器件,盡可能保持熱流的真實性。PCB 部件簡化后的模型見圖4。

圖4 PCB 部件簡化圖Fig.4 Simplified model of PCB

樣件的特征尺寸為120 mm,為了滿足軟件仿真需求,樣件特征尺寸按130 mm 計算區域范圍進行仿真邊界設置,在基于Fluent 熱算法進行仿真前需進行網格設計,以真實反映熱傳輸途徑,組件外部網格劃分見圖5,組件印制板網格劃分見圖6。

圖6 PCB 網格劃分圖Fig.6 Grid division of PCB

根據樣件實際工作剖面,樣件工作時間有限,發熱器件為瞬態發熱,穩定時間后功率極低,組件內部發熱器件基本為密閉空間,瞬態發熱仿真可更真實確認組件的溫度最高點,因此采用瞬態熱仿真。對印制板、重要發熱器件等組成的屬性進行各發熱器件參數設置,得到樣件典型工況下發熱器件的參數統計見表1(該表只是作為示例給出部分器件模型屬性)。

表1 模型屬性表Table 1 Model properties

2.2.3 FEA 仿真模型

針對不同零部件的幾何特征,考慮對計算結果的不同影響程度,分別對上下外殼、接插件、PCB及螺栓等進行簡化,然后進行基于模態疊加法的隨機振動計算。模態計算對網格大小的均勻程度有一定要求,在設置網格尺寸時將尺度較大的上下外殼、接插件插針以及上下外殼安裝螺栓設置單元尺寸為2 mm,其他結構單元尺寸為1 mm,使得單個組件的網格均勻,最終劃分網格單元數量13 萬,如圖7 所示。

圖7 網格劃分Fig.7 Grid division

由于該樣件仿真涉及零部件較多,連接關系復雜,為便于說明,將各組件、零件的連接方式分成螺栓連接、綁定連接、運動副連接和接插件連接[9]4 種。例如下殼體與PCB 之間為螺栓鏈接(見圖8);電阻、二極管和電容等組件并不與PCB 直接接觸,而是通過兩端的管角支撐在PCB 上。以電阻為例,管角一端與PCB 的焊盤連接,另一端與電阻連接,在計算中利用固定運動副來模擬管角和PCB以及管角和電阻之間的連接關系(見圖9)。

圖8 下殼體與電路板螺栓連接Fig.8 Bolt connection between lower hull and circuit board

圖9 電阻固定運動副連接Fig.9 Connection of resistance fixed motion pair

光耦、整流橋、電源模塊、繼電器、二極管以及達林頓管等組件底面直接與PCB 接觸,建立綁定連接關系,以整流橋為例如圖10 所示。

圖10 整流橋與PCB 連接示意圖Fig.10 Link between rectifier bridge and PCB

完成連接關系設置后,為保證計算模型與實際產品材料屬性的一致性,對每個零件都單獨進行材料屬性設置,由于大部分電子零件并非單一材料組成,為簡化計算,每個零件的泊松比與彈性模量參考構成該零件的主要材料取值,并通過調整零件的密度屬性使得該零件的模型質量與實際產品的質量保持一致。計算模型中涉及的部分材料屬性統計見表2。

表2 材料屬性表Table 2 Material properties

2.3 應力分析

2.3.1 熱應力仿真分析

1) 熱響應分析

CFD 仿真模型建立后,通過熱測量試驗方法,得到產品電路板關鍵器件點溫度測試結果,與溫度應力分析結果進行對比分析,以驗證CFD 模型的準確性。32℃環境溫度下的熱應力仿真與熱測量試驗對比結果見表3,可見相對誤差小于10%,證明了CFD 仿真模型的正確性。

表3 熱測量試驗結果與溫度應力分析結果對比Table 3 Comparison between thermal measurement and thermal stress analysis results

2) 水下待機狀態仿真

根據水下待機工況的時長,設置仿真時間為12 h,使用溫度采集點,按時間對溫度進行檢查,初步得出溫度分布如圖11 所示。

圖11 溫度分布圖Fig.11 Temperature distribution

根據溫度隨時間變化的趨勢圖,初步確認 D2、R19 和R28 電阻溫度較高,因此,對D2、R19 和R28 定制溫度變化曲線,詳細見圖12。檢查組件端熱流情況,可得出圖13。

圖12 溫度變化圖Fig.12 Temperature variation

圖13 熱對流示意圖Fig.13 Heat convection diagram

根據溫度變化圖可確認模型中D2、R19 和R28溫度較高,R19 的溫度最高,在200 s 時最高溫度約為60 ℃。利用ANSYS ICEPAK 熱仿真分析手段,模擬計算了樣件的熱工作狀態。通過計算結果可以看出,在熱電池供電50 s 內溫度持續工作,熱電池停止工作后約在200 s 時溫度達到最高值,200 s后到待機完成時間內溫度持續降低。因此,應注意熱電池的工作時間,避免樣件內部持續發熱。

2.3.2 振動應力仿真分析

1) 模態計算分析

模態分析計算的頻段設置為10～2 500 Hz,計算時在下外殼的吊耳上設置固定約束,前6 階模態的計算結果如圖14 所示。從模態計算看出2 個吊耳的連接方式導致結構1 階模態頻率較低,1 階陣型呈現出整體的扭轉狀態,吊耳與下外殼連接根部的模態應力較大,可能成為結構動強度的風險點。

圖14 前6 階模態計算結果Fig.14 Calculation results of the first six orders modes

2) 模態實測驗證

采用實物模態試驗法對樣件中的部分模塊進行模態試驗,PCB 用彈性繩自由懸掛開展自由狀態下的模態試驗,得到整個電路板模塊的頻響數曲線與數據后進行模態計算,將得到的模態信息和振動仿真分析結果進行比對,詳見表4。1 階共振頻率相對誤差小于10%,證明了振動應力仿真分析采用模型的正確性。

表4 模態試驗結果Table 4 Modal test results

3) 隨機振動分析

利用有限元仿真分析手段,模擬計算樣件的模態以及在準備階段、水下工作條件下的隨機振動響應。以水下低速工作階段為例,水下工作階段的振動為隨機+掃頻形式,其量值見表5 和表6。

表5 低速工況振動條件下隨機振動拐點Table 5 Random vibration inflection point coordinates at low speed

表6 低速工況振動條件掃頻線譜Table 6 Sweep line spectrum at low speed

通過計算可以得到濾波儲能裝置的最大等效應力為17.42 MPa,發生在PCB 與PVC_ZJ_C3 電源模塊接觸處(見圖15),結構強度滿足設計要求。最大位移發生在PVC_DZ_D15 電容處(見圖16),為0.007 5 mm,說明結構設計的剛度滿足在該振動環境條件下的設計要求。

圖15 等效應力計算結果Fig.15 Equivalent stress calculation results

圖16 位移計算結果Fig.16 Displacement calculation results

由以上振動應力仿真分析可以得到: 水下低速航行振動條件下的最大等效應力發生在PCB與PVC_ZJ_C3 電源模塊接觸處,為17.42 MPa,結構動強度滿足設計要求,位移量值較小。

2.4 故障預計

采用CalcePWA 軟件開展產品的故障預計,輸入各節點的特征信息,給出產品各節點在各溫度臺階下的熱應力分布情況和各振動量級下的振動響應情況,根據各節點在不同環境條件下的失效時間,軟件綜合仿真評估出各節點的失效時間。根據故障預計結果可發現樣件有2 個相對薄弱點故障信息矩陣(假設以20 a為壽命要求),2 個故障薄弱點均位于電源變換電路板上,詳見表7。

表7 相對薄弱點故障信息矩陣表Table 7 Relative weak point fault information matrix

2.5 可靠性評估

利用故障預計得到的故障信息矩陣,通過單點故障分布擬合對故障信息矩陣中各故障機理的故障時間進行處理,得到各故障機理的故障分布,在此基礎上利用多點故障分布融合算法,得出器件、模塊、設備和系統的故障分布及可靠性水平。文中根據基于蒙特卡羅的可靠性仿真方法模型,并自下而上利用各層級節點壽命分布模型開展蒙特卡羅仿真,確定各層級節點的最優壽命分布和分布參數,實現對產品可靠性水平的定量評估,得到故障時間概率密度函數和平均首發故障時間評估值詳見表8。

表8 樣件及各板級可靠性評估表Table 8 Evaluation table of sample and board-level reliability

從仿真結果可以得到,若進一步改進提升產品可靠性,可優先提升該樣件的C1 和C5 節點,可靠性提升效果明顯。

3 結束語

文中選取魚雷某電子組件作為可靠性仿真研究對象,在充分考慮產品外形尺寸、封裝形式、安裝方式、連接方式、材料、功耗、元器件信息、散熱形式及環境條件等設計因素的基礎上,建立產品數字化樣機,開展熱仿真、振動仿真、故障預計和可靠性評估,得到產品的熱設計和抗振設計薄弱環節、潛在故障位置信息以及平均首發故障時間等,將可靠性仿真基本內容和工作流程在魚雷產品上得以應用和實踐,確保在產品設計早期消除故障源、提高產品可靠性和魯棒性。值得注意的是,產品信息收集是開展可靠性仿真分析的基礎,直接影響仿真模型和仿真結果的準確性,因此收集產品信息要求完整、準確,符合仿真建模分析要求。該研究方法可有效指導后續魚雷的可靠性仿真工作,并可推廣應用于水雷、聲誘餌等其他水中兵器領域。