可靠性仿真试验方法简介――振动篇

北京航空航天大学可靠性工程研究所可靠性仿真试验方法简介—振动篇李传日[e-mail]主要内容振动仿真试验的意义12振动仿真试验的基本流程3实物模态试验介绍4振动仿真试验实例介绍振动仿真试验的意义随着科学技术的发展，出现了各种新的电子元器件封装技术，这要求我们找到能够在短期内评估其可靠性的技术。•传统的振动试验方法正面临着巨大的挑战！！！现代军用电子设备的高可靠性要求需要我们应该在设计阶段就不断提高产品的可靠性。传统的可靠性增长方法：设计-制造-试验-修改这种方法非常昂贵且耗时。•有没有解决这一问题的方法？•产品的可靠性是设计出来、生产出来的；•融合于性能设计的可靠性设计和优化是解决这一问题的最根本方法。故障物理方法可靠性理论和技术的发展数学物理模糊对故障规律的认识方法认为故障具有随机性,可以采用恒定故障率指数分布和无限寿命模型来描述,对其可靠性的评价主要采用模拟验证验证和统计评估。认为故障具有确定性,可以用故障物理模型来描述，即可靠性物理。同时认为电子产品也会随着时间而逐渐退化直至故障，既电子产品寿命是有限的。故障具有模糊性,因而可以用模糊模型来描述。仅处于理论研究阶段。故障物理的基本思想基于故障物理的可靠性认为：电子产品的任何故障必然是由特定的工作应力或环境应力引起的某种机理造成的；对于产品的任何故障均应分析其原因，确定其故障位置、模式、故障机理、造成故障的应力并计算故障时间。化学空间辐射其他电热机械故障故障物理的基本概念故障模式—零部件、子系统或整个系统不能实现某种功能的某种表现方式。故障机理—引发故障的物理、电学、化学、力学或其他过程。—故障机理从微观方面阐明故障的本质、规律和原因，可以追朔到原子、分子尺度和结构上的变化。故障物理模型—描述故障发生的时间与产品结构参数、材料参数、承受的应力等之间关系的模型。振动仿真试验基于故障物理(PoF)方法,利用电脑仿真工具（有限元软件）建立产品的几何特性、材料特性、边界条件及振动剖面，计算出产品各节点/单元的位移、加速度及应力等，最后结合相关故障物理模型预计出产品的平均故障首发时间。振动仿真试验的定义振动仿真试验的意义将振动仿真试验与模态、随机振动试验相结合，能够有效解决一些工程上较难处理的问题。通过振动仿真试验，我们能解决什么问题？发现电子产品在结构设计方面存在的缺陷，为结构设计提供修改的意见和建议，得到结构设计的最优解。实现电子产品的可靠性设计与性能设计相结合，脱离“两张皮”的局面。主要内容振动仿真试验的意义12振动仿真试验的基本流程3实物模态试验介绍4振动仿真试验实例介绍振动仿真试验的目的振动应力分析的目的是获得产品的振动模态及给定振动激励条件的响应分布，用于发现设计薄弱环节以指导设计改进，提高产品耐振动设计的合理性。在获得了加速度响应均方根值及应力响应值等相关参数后，可结合故障物理模型给出首次失效时间，为产品可靠性预计提供参考。振动仿真试验流程图1.收集产品的设计信息机箱各部分组件的材料信息牌号，用来确定密度、杨氏模量和泊松比等PCB设计信息Protel文件，用来导出元器件的位置信息元器件清单用来确定元器件的尺寸和重量信息各模块和元器件的重量信息有些器件的重量信息无法查询振动仿真试验详细过程2.建立产品的CAD模型和FEA模型（原始CAD模型要先进行简化）振动仿真试验的详细流程•CADmodel•FEAmodel•设置网格尺寸和形状•选择适当的划分方法，如自由、映射、扫掠等3.进行模态仿真试验，查看共振频率和模态振型振动仿真试验的详细流程4.进行实物模态试验，利用模态试验结果校正原模型振动仿真试验的详细流程仿真结果实物模态试验对比共振频率和振型校正仿真结果5.定义环境载荷，计算位移和加速度均方根值振动仿真试验的详细流程随机振动剖面•加速度均方根值•位移均方根值6.对PCB、元器件和焊点进行应力分析整机分析边界载荷条件PCB应力分析元器件应力分析焊点应力分析振动仿真试验的详细流程7.结构设计优化振动仿真试验的详细流程主要内容振动仿真试验的意义12振动仿真试验的基本流程3实物模态试验介绍4振动仿真试验实例介绍利用实物模态试验方法对航空电子机箱进行动力学特性研究。•模态试验方法简介模态试验方法简介•进行模态试验的目的•模态试验结果更符合实际情况，我们将其作为标准来修正仿真结果•保证仿真分析的准确性•保证了后续随机振动响应分析与故障预计分析的准确性•锤击法模态试验原理与设备模态试验方法简介•模态试验方法简介•模态试验关键流程•准备—遍布测试点，设定约束•采集—信号采集，平均，记录•分析—建模，导入数据，解算分析如何对比试验结果与仿真结果•直接对比频率值•利用模态置信准则（MAC）对比振型模态置信矩阵是评价模态向量空间交角的一个很好的工具，其公式表达如下：其中，和分别是第i阶和第j阶模态振型。模态置信度矩阵非对角元越小，则说明各阶计算振型独立性越好，反之则意味着各阶计算振型相关性越大，相互影响越大。可以利用MAC函数计算试验和仿真结果对应模态的相关性，MAC为1表示试验和仿真相关性最好，MAC为0表示相关性最差。2macTijijTTiijj•某试验结果的模态置信准则ij模态试验方法简介•模态试验修正方法•修正简化后的模块的材料属性参数；•通过实物测量，修改部分器件尺寸与材料属性；•对局部的元器件进行调整（补充原来省略的元器件模型）；•对网格划分数量与质量进行调整。模态试验方法简介电路板仿真试验结果电路板结果对比电路板模态试验结果机箱结果对比机箱模态试验结果机箱仿真试验结果修正后电路板仿真试验结果修正后机箱仿真试验结果修正电路板有限元模型修正机箱有限元模型NNYY电子机箱振动仿真分析随机振动响应分析故障预计分析电路板模态修正机箱模态修正主要内容振动仿真试验的意义12振动仿真试验的基本流程3实物模态试验介绍4振动仿真试验实例介绍某型航空电子机箱振动仿真试验电路板外形机箱外形某型航空电子机箱振动仿真试验电路板CAD模型机箱CAD模型简化模型—引脚简化质量块模型焊接带模型Model1storder(Hz)2ndorder(Hz)3rdorder(Hz)ElementamountMassblock140.0266.8331.113773Welding-band149.6269.7336.426793频率对比MAC简化模型—轻元器件简化频率对比No.Masslevel(g)Frequency(Hz)Massratio(%)Absolutevalueoffrequencyerror(Hz)110115.414.5914.527.2135.113.305.1831.1138.680.508.7541139.800.469.8750.3140.000.1410.1简化模型—小元器件简化频率对比No.Featuresizelevel(mm)Frequency(Hz)Featuresizeratio(%）Absolutevalueoffrequencyerror(Hz)129.1115.4117.1214.5221.3136.6312.536.70315.9139.429.359.4948.9140.735.2410.857.3140.004.2910.1确定网格数量No.Elementsize(mm)Elementamount1storderfrequency(Hz)1101165145.27252352138.66343471138.10435778136.325212765135.116125285134.47某型航空电子机箱振动仿真试验电路板有限元模型机箱有限元模型PCB自由支撑条件下的结果对比•ModeFirstmodeSecondmodeThirdmodeTestfrequency129.93252.57315.86Simulationfrequency136.04259.05322.08TestmodeSimulationmodeMAC0.960.930.94PCB固支条件下的结果对比•ModeFirstmodeSecondmodeThirdmodeTestfrequency228.95365.22526.66Simulationfrequency213.4375.58552.3TestmodeSimulationmodeMAC0.950.910.94仿真与试验随机振动结果对比选定三点的随机振动响应PSD谱疲劳寿命预计经过仿真得到响应PSD谱后，可用相关模型得到疲劳寿命，以焊点疲劳寿命经验公式为例：6.42411.8max6.42411.85=2.7101702.7102151.261.820.34944719299.610[]nxyBlifefctRGLhours