基于故障物理的惯导电路可靠性预计新方法-骆明珠

第21卷第6期中国惯性技术学报Vol.21No.62013年12月JournalofChineseInertialTechnologyDec.2013收稿日期：2013-07-14；修回日期：2013-10-31基金项目：国家自然科学基金项目（61104123）作者简介：骆明珠（1982—），女，博士研究生，从事可靠性研究。E-mail：[e-mail]联系人：康锐（1966—），男，教授，博士生导师。E-mail：[e-mail]文章编号：1005-6734(2013)06-0828-06基于故障物理的惯导电路可靠性预计新方法骆明珠，康锐（北京航空航天大学可靠性与系统工程学院，北京100191）摘要：传统的基于故障率经验数据的可靠性预计方法不能满足具有高可靠长寿命特征的惯导电路的设计分析需求，而现有的基于故障物理的方法只能分析产品在寿命周期内经历单一典型任务剖面下的故障前时间。以某型飞机惯导系统内的电源电路模块为研究对象，在分析并确定其在寿命周期内可能经历的多个任务剖面和产品在每个任务剖面下的潜在故障机理及其对应的故障物理模型的基础上，通过应力分析模拟载荷施加过程，利用累积损伤和多故障时间竞争理论模拟故障发生过程，最后统计分析得到产品在寿命周期内经历多任务剖面下的平均故障前时间，获得其故障率和可靠度函数。结果表明，该新方法可获得比现有方法更接近产品实际使用情况的可靠性预计结果。关键词：故障物理；可靠性预计；多任务剖面；惯导电路中图分类号：TP文献标志码：AApproachtoreliabilitypredictionofinertialnavigationcircuitsbasedonphysicsoffailureLUOMing-zhu,KANGRui(SchoolofReliabilityandSystemsEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China)Abstract:Traditionalreliabilitypredictionmethodsbasedonempiricaldataoffailureratecannotmeettheanalysisrequirementsinthedesignofinertialnavigationcircuitswithhighreliabilityandlonglifecharacteristics.Theexistingmethodbasedonphysicsoffailure(PoF)merelypredictstime-to-failureofelectronicproductssufferingfromonetypicalsinglemissionprofile.Thispaperanalyzedthemultiplemissionprofilesinlifecycle,potentialfailuremechanismsandcorrespondingPoFmodelsundereachprofileofapowercircuitmoduleofsomeairplane’sinertialnavigationsystem.Realprocedureofloadapplicationwassimulatedwithstressanalysis.Byusingaccumulateddamageandmultiplefailuretimecompetitiontheories,thefailureoccurrenceprocesswasimitated.Themeantime-to-failure,failurerateandreliabilityofthecircuitundermultiplemissionprofilesinthewholelifecyclewerecalculated.Theresultsshowthatthereliabilitypredictionresultsbytheproposedmethodareclosertothosebythepreviousmethodsunderpracticalapplicationcondition.Keywords:physicsoffailure;reliabilityprediction;multiplemissionprofile;inertialnavigationcircuits飞机惯导系统中的电源电路模块起到为导航计算电路模块和控制显示装置中的电子器件与组件提供电力的重要作用，具有高可靠长寿命的特征，属于典型机载电子产品。在机载电子产品的设计阶段开展可靠性预计工作，能够定量分析其可靠性，权衡不同设计方案，发现设计薄弱环节并进行设计改进，这对于提高其可靠性水平，乃至飞机的飞行任务可靠性都具有非常重要的意义。目前，对电子产品进行可靠性预计方法主要分为基于故障率经验数据和基于故障物理模型两种[1-2]。国内在工程实践中仍主要采用基于故障率经验数据的方法；对基于故障物理方法开展可靠性预计的应用研究DOI:10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2013.06.027第6期骆明珠等：基于故障物理的惯导电路可靠性预计新方法829尚处于起步阶段。基于故障率经验数据的方法主要为GJB/Z299C-2006和MIL-HDBK-217及其衍生出的适用于不同工程领域的可靠性预计手册[3-5]中的方法。大量研究和实践结果表明，利用这种方法得出的预计结果与产品在外场故障的真实情况相差很大；依据不同手册得出的预计结果也存在较大差异[6]；通过分析得到的产品设计薄弱环节并不能说明故障发生的因果关系，只能通过改变元器件类型、质量等级或改善产品的使用条件来提高可靠性；同时，由于经验数据未能及时更新，对新技术、新材料的元器件并没有给出合适的计算模型，因此已经不能满足现在具有高可靠性和长寿命特征的电子产品的可靠性预计技术需求。基于故障物理（PhysicsofFailure，简称PoF）模型的可靠性预计方法已在国外获得越来越广泛的应用[7-9]。根据该方法得到的预计结果可表明产品发生故障的多种根本原因，如设计与生产工艺的缺陷或使用中工作与环境载荷的作用等，可有效地指导设计改进；同时也适用于那些应用新材料、新技术的产品的可靠性预计。鉴于以上优点，正在重新修订中的MIL-HDBK-217Rev.G决定将基于故障物理的方法引入其中[10-11]。尽管如此，现有的基于故障物理模型的可靠性预计研究中，基本只采用了分析、计算产品在某一典型任务剖面下的可靠性水平的情况[12]，只能计算在该任务剖面下的产品故障前时间（TimetoFailure，简称TTF）及其均值，而这并不是通常意义上的产品可靠性参数，计算结果不能直接表明产品的可靠性水平。针对上述问题，本文提出了一种基于故障物理的电子产品可靠性预计新方法。并将上述方法应用于某惯导系统内的电源电路模块，进行了案例研究。1基于PoF的可靠性预计流程基于PoF的可靠性预计流程如图1所示。对产品在全寿命周期可能经历的多个任务剖面进行分析，制定相应的环境载荷剖面；在获得了产品设计与生产工艺等详细信息的前提下，通过应力分析，模拟载荷施加过程，生成产品组成单元的应力剖面；确定产品在每个任务剖面下的潜在故障机理和相应的故障物理模型；将产品在每个任务剖面下的应力分析结果，即产品组成单元的应力剖面作为故障物理模型的输入，根据线性损伤累积原理进行应力损伤计算；基于故障时间竞争理论计算产品在寿命周期内只经历每个单一任务剖面情况下的故障前时间；结合任务剖面分布律，计算产品在寿命周期内经历多种任务剖面组合下的平均故障前时间、故障率和可靠度等可靠性参数。图1基于故障物理的可靠性预计流程Fig.1ReliabilitypredictionprocedurebasedonPoF2基于PoF的可靠性预计方法2.1确定任务剖面集合任务剖面是对产品在完成规定任务这段时间内所经历的全部重要事件和状态的时序描述。任务剖面的确定需依据以下原则：1）确定模块级或设备级产品的任务剖面，需首先对设备所属系统的任务剖面进行确定和分析，以确定组件或设备相应的任务和状态；2）根据产品的使用要求确定任务剖面，可能为一个或多个；3）对任务剖面的进行分阶段的描述，用特征参数表示，它们的准确程度将直接影响可靠性预计的精度。对于机载电子产品而言，应结合飞机的飞行及其所在系统的任务剖面进行分析。典型的飞机任务剖面及其分段描述如图2所示。不同的任务剖面会具有不同的飞行高度、速度等任务剖面特性参数，进而影响机载产品的工作状态和所经受的环境载荷情况。确定产品寿命周期内可能经历的多个任务剖面的图2飞机典型任务剖面（示例）Fig.2Typicalmissionprofileofairplane(example)830中国惯性技术学报第21卷同时，要根据使用要求，由设计人员对产品执行每个任务剖面的相对频率进行估计。最终得到产品任务剖面的集合为：,,1,2,,{}iiMPpim，其中，iMP为剖面名称，ip为每个任务剖面在产品寿命周期内出现的相对频率。2.2确定环境载荷剖面产品的每一个任务剖面对应一个环境载荷剖面。环境载荷剖面是指温度、振动、工作条件等影响产品可靠性的环境参数以及它们的持续时间。可根据经验分析、理论计算、模拟试验、外场实测等多种手段，确定产品的环境载荷剖面参数[13-14]。1）温度载荷剖面特性参数的确定。温度载荷剖面的特性参数包括各个温度水平的幅值和持续时间、温度变化率。为确定这些参数，必须掌握的信息包括产品所属系统工作的自然环境温度、产品的类别、在系统中的位置、本身的散热方式、自身功耗、所处系统位置的散热方式；同时希望得到产品周围的设备密度、气流、气温和是否对外界暴露等信息，可以帮助更准确地确定温度。对于机载产品而言，温度载荷剖面的温度幅值与飞机在各个任务阶段的飞行高度、马赫数、产品类别及其冷却方式、所处机舱的冷却方式等密切相关；各温度幅值的持续时间即各相应任务阶段的稳态持续时间。a）对于冲压空气冷却或环境空气冷却的航空电子设备舱内稳态温度，根据以下公式计算温度参数：2(273)[10.18]273eaTTM(1)式中，eT为被流动空气冷却效应改变后的温度(℃)，即环境载荷剖面中的温度值；aT飞行高度的环境空气温度如表1所示；M为飞行马赫数。表1高空温度和飞行高度的关系Tab.1Relationshipbetweenhighaltitudetemperatureandflightheight高度/km03691215aT/℃51-26-43-62-65-73b）温度变化率的按下列公式进行近似计算：_phase(1)_phase(1)_phase()=mpkmpkmpkTTTtt(2)式中，_phase()mpkt为任务剖面的第k个阶段，如飞机的起飞、爬升、下降、着陆等状态快速变化阶段的持续时间；_phase(1)mpkT和_phase(1)mpkT分别为第1k和1k个阶段的稳态温度值。2）振动载荷剖面特性参数的确定振动载荷剖面的特性参数包括加速度功率谱密度、加速度均方根及其持续时间。为确定这些参数，需掌握产品类别、在所属系统中的位置、安装方式、振动来源、减振措施等信息。对于安装在飞机上的机载电子产品所经历的振动载荷类型为随机振动。若振源为附面层湍流，振动的功率谱密度如图3所示。图3机载产品的随机振动功率谱密度Fig.3RandomvibrationPSDofairborneproducts0W和1W的经验计算公式为：20/22.925WKq(3)1003/2WWdBW(4)式中，K为位置系数；q为气动压，由飞机飞行高度和速度确定。2.3应力分析应力分析[15]是指通过真实试验或计算机仿真的方法将环境载荷施加在产品或计算机模型上，通过测量或仿真计算的方式获得产品内部各电路板、元器件