專利名稱：一種航空參數(shù)處理設(shè)備電源模塊的fmis方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種航空參數(shù)處理設(shè)備電源模塊的FMIS方法，特別是涉及一種基于應(yīng)力仿真和失效模式注入技術(shù)的航空參數(shù)處理設(shè)備電源模塊故障及其影響仿真方法，屬于產(chǎn)品可靠性仿真領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科技的高速發(fā)展，航空產(chǎn)品的復(fù)雜程度不斷提高，同時(shí)對(duì)可靠性的要求也越來(lái)越高。因此，在產(chǎn)品研制過(guò)程中對(duì)故障分析、可靠性設(shè)計(jì)提出了更高的要求。航空參數(shù)處理設(shè)備是對(duì)采集的航空飛行參數(shù)進(jìn)行記錄、處理、測(cè)量、報(bào)警，以監(jiān)控飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的電子設(shè)備。電源模塊的功能是將外界電源電壓轉(zhuǎn)化為設(shè)備中其他模塊需要的電壓，為整個(gè)設(shè)備提供電源輸入。電源模塊通過(guò)卡槽、連接器、鎖緊條固定設(shè)備機(jī)箱兩側(cè)，在飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中受到溫度載荷以及飛行中振動(dòng)載荷的作用，其各組成元器件、連接件可能會(huì)發(fā)生某些狀態(tài)的變化甚至失效，這種變化或失效會(huì)對(duì)其周圍的元器件或部件產(chǎn)生影響，最終危害到整個(gè)模塊甚至設(shè)備的可靠性和安全性。目前工程上應(yīng)用的硬件FMEA(失效模式及影響分析，F(xiàn)ailure Modes and Effect Analysis)方法是通過(guò)系統(tǒng)的分析元器件、零部件、設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造和使用過(guò)程中所有可能的故障模式，以及每一故障模式的原因及影響，找到潛在的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)措施和設(shè)計(jì)預(yù)案，從而提高產(chǎn)品可靠性的一種分析方法。這種方法的實(shí)施依賴于工程人員的經(jīng)驗(yàn)，具有較大的主觀性，經(jīng)驗(yàn)不豐富的工程人員可能無(wú)法找到關(guān)鍵的失效模式，無(wú)法準(zhǔn)確的估計(jì)這些失效模式對(duì)其同層次、高一層次和最終層次的影響，從而不能提出有針對(duì)性的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。FMIS(失效模式注入仿真,Failure Modes and Injection Simulation)是利用應(yīng)力與失效模式注入仿真相結(jié)合的方法獲得產(chǎn)品實(shí)際環(huán)境和工作條件下會(huì)發(fā)生的失效模式、 定量確定在這些故障模式下電路輸出的方法。FMIS主要包括應(yīng)力仿真和失效模式注入兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)或方法。應(yīng)力仿真方法是指利用商用數(shù)值仿真軟件，例如ANSYS、Flotherm, Nastran將設(shè)備所承受的溫度、振動(dòng)載荷施加到產(chǎn)品的數(shù)字模型上，利用計(jì)算機(jī)仿真的方法獲得設(shè)備對(duì)這些載荷的響應(yīng)。失效模式注入技術(shù)是利用EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，Electronic Design Automation)軟件,將失效模式電路模型注入到正常的電路仿真模型中，獲得該失效模式下電路各部分及最終輸出電性能情況。常用的EDA軟件包括Pspice、Cadence、Cyber 等。FMIS方法是進(jìn)行FMEA的定量輔助方法。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的查新和檢索，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有利用FMIS方法進(jìn)行航空參數(shù)處理設(shè)備電源模塊FMEA方面研究和應(yīng)用的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
I、目的本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種航空參數(shù)處理設(shè)備電源模塊的FMIS方法，它是基于應(yīng)力仿真方法和失效模式注入技術(shù)來(lái)確定電源模塊失效模式，并定量獲得該失效模式下電路輸出，為設(shè)計(jì)人員評(píng)估失效模式的影響、確定其危害性提供依據(jù)，同時(shí)也為電源模塊的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。2、技術(shù)方案本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，確定電源模塊的關(guān)鍵部件，確定關(guān)鍵部件的潛在失效模式，仿真電源模塊正常狀態(tài)下的電路輸出，仿真電源模塊在失效狀態(tài)下的電路輸出。本發(fā)明一種航空參數(shù)處理設(shè)備電源模塊的FMIS方法，其具體步驟如下步驟一確定航空參數(shù)處理設(shè)備電源模塊(以下簡(jiǎn)稱“電源模塊”)上的關(guān)鍵部件。 主要包括a.首先要獲得電源模塊在溫度、振動(dòng)載荷下的應(yīng)力分布。詳細(xì)過(guò)程如下I)確定電源模塊任務(wù)過(guò)程中最惡劣的溫度和振動(dòng)環(huán)境。主要包括I.若電源模塊的設(shè)計(jì)要求中給出了電源模塊的工作溫度范圍以及振動(dòng)加速度功率譜密度剖面，則選擇溫度范圍中的高溫作為最惡劣的溫度環(huán)境，選擇所給出的振動(dòng)加速度功率譜密度剖面中，振動(dòng)加速度功率譜密度量值最大的一個(gè)做為最惡劣振動(dòng)環(huán)境，若只給出一個(gè)振動(dòng)加速度功率譜密度剖面，則將該剖面確定為最惡劣振動(dòng)環(huán)境。2.若電源模塊設(shè)計(jì)要求中未給出電源模塊的工作溫度范圍以及振動(dòng)加速度功率譜密度剖面，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GBT2423. 43-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)》確定最惡劣的溫度和振動(dòng)環(huán)境。2)對(duì)電源模塊進(jìn)行Flotherm溫度分布仿真。Flotherm是一種成熟的商業(yè)有限積分軟件，主要功能是進(jìn)行溫度仿真。主要包括a)導(dǎo)入電源模塊的三維CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，Computer Aided Design)模型。 首先將建立好的電源模塊三維CAD模型通過(guò)中間格式，如IGES、SAT、STEP等格式導(dǎo)入到 Flotherm軟件中，該三維CAD模型描述了電源模塊的結(jié)構(gòu)組成、裝配連接關(guān)系，包括電源模塊以及功耗超過(guò)O. Iff的元器件的幾何結(jié)構(gòu)，不需要建立元器件焊接點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)。b)定義電源模塊組成各部分的溫度分布仿真材料參數(shù)。主要包括各組成材料的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)。c)對(duì)電源模塊模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。利用Flotherm軟件進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長(zhǎng)寬比應(yīng)控制在20以內(nèi)。d)施加溫度載荷與邊界條件。溫度載荷主要包括最惡劣環(huán)境溫度和元器件的工作實(shí)際功耗，利用Flotherm的溫度施加命令，將I)中確定的最惡劣溫度環(huán)境條件施加到電源模塊模型中。將元器件的實(shí)際功耗除以元器件的表面積，得到面熱流密度，利用Flotherm 的熱流密度施加命令，輸入到Flotherm軟件中。利用Flotherm溫度邊界設(shè)置命令,設(shè)置元器件與空氣相接觸面的自然對(duì)流換熱系數(shù)。e)實(shí)施溫度分布仿真。利用Flotherm的求解命令進(jìn)行該電源模塊在最惡劣溫度條件下的溫度分布仿真，最終可以獲得電源模塊各部分，各位置點(diǎn)的溫度分布。3)對(duì)電源模塊進(jìn)行ANSYS振動(dòng)應(yīng)力分布仿真。ANSYS是一種成熟的商業(yè)有限元仿真軟件，可以進(jìn)行功率譜密度仿真。主要包括a)導(dǎo)入電源模塊的三維CAD模型。首先將建立好的電源模塊三維CAD模型通過(guò)中間格式，如IGS、STEP等格式導(dǎo)入到ANSYS軟件中，該三維CAD模型描述了電源模塊的結(jié)構(gòu)組成、裝配連接關(guān)系，包括了電源模塊以及重量大于O. I克的元器件的幾何結(jié)構(gòu)，不需要建立元器件焊接點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)。
b)定義電源模塊組成各部分的振動(dòng)應(yīng)力仿真材料參數(shù)。主要包括各組成材料的密度、彈性模量、泊松比。c)對(duì)電源模塊模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。利用ANSYS軟件進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長(zhǎng)寬比應(yīng)控制在5以內(nèi)。d)施加振動(dòng)加速度功率譜密度與邊界條件。主要包括，利用ANSYS的加速度功率譜密度施加命令，將I)中確定的最惡劣振動(dòng)加速度功率譜密度量值及其對(duì)應(yīng)的頻率值輸入到ANSYS軟件中，并施加到電源模塊的固定位置部位，施加方向垂直于電源模塊的安裝方向。利用ANSYS的位移邊界施加命令，對(duì)電源模塊固定位置部位施加X(jué)、Y、Z三個(gè)方向的零位移約束。e)實(shí)施振動(dòng)應(yīng)力仿真。設(shè)置電源模塊的振動(dòng)阻尼值，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)一般選擇O. 03 到O. 05之間的數(shù)量。利用ANSYS的求解命令進(jìn)行該電源模塊在最惡劣振動(dòng)條件下的應(yīng)力仿真，求解結(jié)束后可以獲得電源模塊各部位的響應(yīng)，包括位移、速度以及加速度均方根。b.將高溫、高振動(dòng)響應(yīng)的元器件、零部件確定為關(guān)鍵部件。對(duì)于集成電路芯片、二極管、晶體管等分立器件，若芯片的質(zhì)量等級(jí)為工業(yè)級(jí)，則當(dāng)仿真得到其表面溫度超過(guò)85°C時(shí)，該集成電路為關(guān)鍵部件；若芯片質(zhì)量等級(jí)為軍品級(jí)， 則當(dāng)仿真得到其表面溫度超過(guò)100°C時(shí)，該集成電路為關(guān)鍵部件；對(duì)于電阻器、電容器等元器件，若其與電路板的連接方式為表面貼裝，則當(dāng)仿真得到其表面溫度超過(guò)90°C時(shí)，該元器件定為關(guān)鍵部件。將設(shè)備在振動(dòng)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、零部件定為關(guān)鍵部件。步驟二 確定關(guān)鍵部件的失效模式。根據(jù)下列表1，電子產(chǎn)品的載荷與失效模式及失效原因的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用步驟一中獲得的電源模塊上關(guān)鍵元器件與部件所受的載荷類型來(lái)確定其可能的失效模式。表I電子產(chǎn)品受到的載荷與失效模式與失效原因?qū)?yīng)關(guān)系
權(quán)利要求
1. 一種航空參數(shù)處理設(shè)備電源模塊的FMIS方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一確定航空參數(shù)處理設(shè)備電源模塊上的關(guān)鍵部件包括a.首先要獲得電源模塊在溫度、振動(dòng)載荷下的應(yīng)力分布；詳細(xì)過(guò)程如下1)確定電源模塊任務(wù)過(guò)程中最惡劣的溫度和振動(dòng)環(huán)境；包括1.若電源模塊的設(shè)計(jì)要求中給出了電源模塊的工作溫度范圍以及振動(dòng)加速度功率譜密度剖面，則選擇溫度范圍中的高溫作為最惡劣的溫度環(huán)境，選擇所給出的振動(dòng)加速度功率譜密度剖面中，振動(dòng)加速度功率譜密度量值最大的一個(gè)做為最惡劣振動(dòng)環(huán)境，若只給出一個(gè)振動(dòng)加速度功率譜密度剖面，則將該剖面確定為最惡劣振動(dòng)環(huán)境；
2.若電源模塊設(shè)計(jì)要求中未給出電源模塊的工作溫度范圍以及振動(dòng)加速度功率譜密度剖面，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GBT2423. 43-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)》確定最惡劣的溫度和振動(dòng)環(huán)境；2)對(duì)電源模塊進(jìn)行Flotherm溫度分布仿真；Flotherm是一種有限積分軟件，其功能是進(jìn)行溫度仿真；包括a)導(dǎo)入電源模塊的三維CAD模型；首先將建立好的電源模塊三維CAD模型通過(guò)中間格式，如IGES、SAT、STEP格式導(dǎo)入到Flotherm軟件中，該三維CAD模型描述了電源模塊的結(jié)構(gòu)組成、裝配連接關(guān)系，包括電源模塊以及功耗超過(guò)O. IW的元器件的幾何結(jié)構(gòu)，不需要建立元器件焊接點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)；b)定義電源模塊組成各部分的溫度分布仿真材料參數(shù)；包括各組成材料的比熱容、 導(dǎo)熱系數(shù)；c)對(duì)電源模塊模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；利用Flotherm軟件進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長(zhǎng)寬比控制在20以內(nèi)；d)施加溫度載荷與邊界條件；溫度載荷主要包括最惡劣環(huán)境溫度和元器件的工作實(shí)際功耗，利用Flotherm的溫度施加命令，將I)中確定的最惡劣溫度環(huán)境條件施加到電源模塊模型中；將元器件的實(shí)際功耗除以元器件的表面積，得到面熱流密度，利用Flotherm的熱流密度施加命令，輸入到Flotherm軟件中；利用Flotherm溫度邊界設(shè)置命令,設(shè)置元器件與空氣相接觸面的自然對(duì)流換熱系數(shù)；e)實(shí)施溫度分布仿真；利用Flotherm的求解命令進(jìn)行該電源模塊在最惡劣溫度條件下的溫度分布仿真，最終獲得電源模塊各部分，各位置點(diǎn)的溫度分布；3)對(duì)電源模塊進(jìn)行ANSYS振動(dòng)應(yīng)力分布仿真；ANSYS是一種有限元仿真軟件，能進(jìn)行功率譜密度仿真；包括a)導(dǎo)入電源模塊的三維CAD模型；首先將建立好的電源模塊三維CAD模型通過(guò)中間格式，如IGS、STEP格式導(dǎo)入到ANSYS軟件中，該三維CAD模型描述了電源模塊的結(jié)構(gòu)組成、裝配連接關(guān)系，包括了電源模塊以及重量大于O. I克的元器件的幾何結(jié)構(gòu)，不需要建立元器件焊接點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)；b)定義電源模塊組成各部分的振動(dòng)應(yīng)力仿真材料參數(shù)；包括各組成材料的密度、彈性模量、泊松比；c)對(duì)電源模塊模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；利用ANSYS軟件進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長(zhǎng)寬比控制在5以內(nèi)；d)施加振動(dòng)加速度功率譜密度與邊界條件；包括，利用ANSYS的加速度功率譜密度施加命令，將I)中確定的最惡劣振動(dòng)加速度功率譜密度量值及其對(duì)應(yīng)的頻率值輸入到ANSYS 軟件中，并施加到電源模塊的固定位置部位，施加方向垂直于電源模塊的安裝方向；利用 ANSYS的位移邊界施加命令，對(duì)電源模塊固定位置部位施加X(jué)、Y、Z三個(gè)方向的零位移約束； e)實(shí)施振動(dòng)應(yīng)力仿真；設(shè)置電源模塊的振動(dòng)阻尼值，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選擇O. 03到O. 05 之間的數(shù)量；利用ANSYS的求解命令進(jìn)行該電源模塊在最惡劣振動(dòng)條件下的應(yīng)力仿真，求解結(jié)束后獲得電源模塊各部位的響應(yīng)，包括位移、速度以及加速度均方根；b.將高溫、高振動(dòng)響應(yīng)的元器件、零部件確定為關(guān)鍵部件；對(duì)于集成電路芯片、二極管、晶體管分立器件，若芯片的質(zhì)量等級(jí)為工業(yè)級(jí)，則當(dāng)仿真得到其表面溫度超過(guò)85°C時(shí)，該集成電路為關(guān)鍵部件；若芯片質(zhì)量等級(jí)為軍品級(jí)，則當(dāng)仿真得到其表面溫度超過(guò)100°C時(shí)，該集成電路為關(guān)鍵部件；對(duì)于電阻器、電容器元器件，若其與電路板的連接方式為表面貼裝，則當(dāng)仿真得到其表面溫度超過(guò)90°C時(shí)，該元器件定為關(guān)鍵部件；將設(shè)備在振動(dòng)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、零部件定為關(guān)鍵部件；步驟二 確定關(guān)鍵部件的失效模式；根據(jù)下列表1，電子產(chǎn)品的載荷與失效模式及失效原因的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用步驟一中獲得的電源模塊上關(guān)鍵元器件與部件所受的載荷類型來(lái)確定其可能的失效模式；表I電子產(chǎn)品受到的載荷與失效模式與失效原因?qū)?yīng)關(guān)系
全文摘要
一種航空參數(shù)處理設(shè)備電源模塊的FMIS方法，該方法有四大步驟步驟一確定航空參數(shù)處理設(shè)備電源模塊上的關(guān)鍵部件；步驟二確定關(guān)鍵部件的失效模式；步驟三進(jìn)行電源模塊在正常狀態(tài)下的瞬態(tài)電路仿真；步驟四進(jìn)行電源模塊在失效狀態(tài)下的瞬態(tài)電路仿真。本發(fā)明是基于應(yīng)力仿真方法和失效模式注入技術(shù)來(lái)確定航空參數(shù)處理設(shè)備電源模塊失效模式，并定量獲得該失效模式下電路輸出，為設(shè)計(jì)人員評(píng)估失效模式的影響、確定其危害性提供依據(jù)，同時(shí)也為電源模塊的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。它在產(chǎn)品可靠性仿真技術(shù)領(lǐng)域里具有較好的實(shí)用價(jià)值和廣闊地應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102592021SQ20121000361
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者康銳, 張曉秦, 曹然, 陳穎, 馬響 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)