專利名稱：一種航空參數(shù)處理設備電源模塊的fmis方法
技術領域：
本發(fā)明提供一種航空參數(shù)處理設備電源模塊的FMIS方法，特別是涉及一種基于應力仿真和失效模式注入技術的航空參數(shù)處理設備電源模塊故障及其影響仿真方法，屬于產(chǎn)品可靠性仿真領域。
背景技術：
隨著科技的高速發(fā)展，航空產(chǎn)品的復雜程度不斷提高，同時對可靠性的要求也越來越高。因此，在產(chǎn)品研制過程中對故障分析、可靠性設計提出了更高的要求。航空參數(shù)處理設備是對采集的航空飛行參數(shù)進行記錄、處理、測量、報警，以監(jiān)控飛機運行狀態(tài)的電子設備。電源模塊的功能是將外界電源電壓轉化為設備中其他模塊需要的電壓，為整個設備提供電源輸入。電源模塊通過卡槽、連接器、鎖緊條固定設備機箱兩側，在飛機執(zhí)行任務的過程中受到溫度載荷以及飛行中振動載荷的作用，其各組成元器件、連接件可能會發(fā)生某些狀態(tài)的變化甚至失效，這種變化或失效會對其周圍的元器件或部件產(chǎn)生影響，最終危害到整個模塊甚至設備的可靠性和安全性。目前工程上應用的硬件FMEA(失效模式及影響分析，F(xiàn)ailure Modes and Effect Analysis)方法是通過系統(tǒng)的分析元器件、零部件、設備在設計、制造和使用過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)，提出改進措施和設計預案，從而提高產(chǎn)品可靠性的一種分析方法。這種方法的實施依賴于工程人員的經(jīng)驗，具有較大的主觀性，經(jīng)驗不豐富的工程人員可能無法找到關鍵的失效模式，無法準確的估計這些失效模式對其同層次、高一層次和最終層次的影響，從而不能提出有針對性的設計改進措施。FMIS(失效模式注入仿真,Failure Modes and Injection Simulation)是利用應力與失效模式注入仿真相結合的方法獲得產(chǎn)品實際環(huán)境和工作條件下會發(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主要包括應力仿真和失效模式注入兩個關鍵的技術或方法。應力仿真方法是指利用商用數(shù)值仿真軟件，例如ANSYS、Flotherm, Nastran將設備所承受的溫度、振動載荷施加到產(chǎn)品的數(shù)字模型上，利用計算機仿真的方法獲得設備對這些載荷的響應。失效模式注入技術是利用EDA(電子設計自動化，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方法是進行FMEA的定量輔助方法。通過對現(xiàn)有技術的查新和檢索，國內外還沒有利用FMIS方法進行航空參數(shù)處理設備電源模塊FMEA方面研究和應用的報道。

發(fā)明內容
I、目的本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種航空參數(shù)處理設備電源模塊的FMIS方法，它是基于應力仿真方法和失效模式注入技術來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，為設計人員評估失效模式的影響、確定其危害性提供依據(jù)，同時也為電源模塊的設計改進提供依據(jù)。2、技術方案本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，確定電源模塊的關鍵部件，確定關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)處理設備電源模塊(以下簡稱“電源模塊”)上的關鍵部件。 主要包括a.首先要獲得電源模塊在溫度、振動載荷下的應力分布。詳細過程如下I)確定電源模塊任務過程中最惡劣的溫度和振動環(huán)境。主要包括I.若電源模塊的設計要求中給出了電源模塊的工作溫度范圍以及振動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，選擇所給出的振動加速度功率譜密度剖面中，振動加速度功率譜密度量值最大的一個做為最惡劣振動環(huán)境，若只給出一個振動加速度功率譜密度剖面，則將該剖面確定為最惡劣振動環(huán)境。2.若電源模塊設計要求中未給出電源模塊的工作溫度范圍以及振動加速度功率譜密度剖面，根據(jù)國家標準《GBT2423. 43-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗》確定最惡劣的溫度和振動環(huán)境。2)對電源模塊進行Flotherm溫度分布仿真。Flotherm是一種成熟的商業(yè)有限積分軟件，主要功能是進行溫度仿真。主要包括a)導入電源模塊的三維CAD(計算機輔助設計，Computer Aided Design)模型。 首先將建立好的電源模塊三維CAD模型通過中間格式，如IGES、SAT、STEP等格式導入到 Flotherm軟件中，該三維CAD模型描述了電源模塊的結構組成、裝配連接關系，包括電源模塊以及功耗超過O. Iff的元器件的幾何結構，不需要建立元器件焊接點的幾何結構。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、導熱系數(shù)。c)對電源模塊模型進行網(wǎng)格劃分。利用Flotherm軟件進行自動網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長寬比應控制在20以內。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溫度邊界設置命令,設置元器件與空氣相接觸面的自然對流換熱系數(shù)。e)實施溫度分布仿真。利用Flotherm的求解命令進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，各位置點的溫度分布。3)對電源模塊進行ANSYS振動應力分布仿真。ANSYS是一種成熟的商業(yè)有限元仿真軟件，可以進行功率譜密度仿真。主要包括a)導入電源模塊的三維CAD模型。首先將建立好的電源模塊三維CAD模型通過中間格式，如IGS、STEP等格式導入到ANSYS軟件中，該三維CAD模型描述了電源模塊的結構組成、裝配連接關系，包括了電源模塊以及重量大于O. I克的元器件的幾何結構，不需要建立元器件焊接點的幾何結構。
b)定義電源模塊組成各部分的振動應力仿真材料參數(shù)。主要包括各組成材料的密度、彈性模量、泊松比。c)對電源模塊模型進行網(wǎng)格劃分。利用ANSYS軟件進行自動網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長寬比應控制在5以內。d)施加振動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加速度功率譜密度量值及其對應的頻率值輸入到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，對電源模塊固定位置部位施加X、Y、Z三個方向的零位移約束。e)實施振動應力仿真。設置電源模塊的振動阻尼值，根據(jù)工程經(jīng)驗一般選擇O. 03 到O. 05之間的數(shù)量。利用ANSYS的求解命令進行該電源模塊在最惡劣振動條件下的應力仿真，求解結束后可以獲得電源模塊各部位的響應，包括位移、速度以及加速度均方根。b.將高溫、高振動響應的元器件、零部件確定為關鍵部件。對于集成電路芯片、二極管、晶體管等分立器件，若芯片的質量等級為工業(yè)級，則當仿真得到其表面溫度超過85°C時，該集成電路為關鍵部件；若芯片質量等級為軍品級， 則當仿真得到其表面溫度超過100°C時，該集成電路為關鍵部件；對于電阻器、電容器等元器件，若其與電路板的連接方式為表面貼裝，則當仿真得到其表面溫度超過90°C時，該元器件定為關鍵部件。將設備在振動仿真中得到的位移、加速度均方根最大值的部位所在的元器件、零部件定為關鍵部件。步驟二 確定關鍵部件的失效模式。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應關系，利用步驟一中獲得的電源模塊上關鍵元器件與部件所受的載荷類型來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對應關系
權利要求
1. 一種航空參數(shù)處理設備電源模塊的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)處理設備電源模塊上的關鍵部件包括a.首先要獲得電源模塊在溫度、振動載荷下的應力分布；詳細過程如下1)確定電源模塊任務過程中最惡劣的溫度和振動環(huán)境；包括1.若電源模塊的設計要求中給出了電源模塊的工作溫度范圍以及振動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，選擇所給出的振動加速度功率譜密度剖面中，振動加速度功率譜密度量值最大的一個做為最惡劣振動環(huán)境，若只給出一個振動加速度功率譜密度剖面，則將該剖面確定為最惡劣振動環(huán)境；
2.若電源模塊設計要求中未給出電源模塊的工作溫度范圍以及振動加速度功率譜密度剖面，根據(jù)國家標準《GBT2423. 43-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗》確定最惡劣的溫度和振動環(huán)境；2)對電源模塊進行Flotherm溫度分布仿真；Flotherm是一種有限積分軟件，其功能是進行溫度仿真；包括a)導入電源模塊的三維CAD模型；首先將建立好的電源模塊三維CAD模型通過中間格式，如IGES、SAT、STEP格式導入到Flotherm軟件中，該三維CAD模型描述了電源模塊的結構組成、裝配連接關系，包括電源模塊以及功耗超過O. IW的元器件的幾何結構，不需要建立元器件焊接點的幾何結構；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、 導熱系數(shù)；c)對電源模塊模型進行網(wǎng)格劃分；利用Flotherm軟件進行自動網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長寬比控制在20以內；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溫度邊界設置命令,設置元器件與空氣相接觸面的自然對流換熱系數(shù)；e)實施溫度分布仿真；利用Flotherm的求解命令進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，各位置點的溫度分布；3)對電源模塊進行ANSYS振動應力分布仿真；ANSYS是一種有限元仿真軟件，能進行功率譜密度仿真；包括a)導入電源模塊的三維CAD模型；首先將建立好的電源模塊三維CAD模型通過中間格式，如IGS、STEP格式導入到ANSYS軟件中，該三維CAD模型描述了電源模塊的結構組成、裝配連接關系，包括了電源模塊以及重量大于O. I克的元器件的幾何結構，不需要建立元器件焊接點的幾何結構；b)定義電源模塊組成各部分的振動應力仿真材料參數(shù)；包括各組成材料的密度、彈性模量、泊松比；c)對電源模塊模型進行網(wǎng)格劃分；利用ANSYS軟件進行自動網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格長寬比控制在5以內；d)施加振動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加速度功率譜密度量值及其對應的頻率值輸入到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，對電源模塊固定位置部位施加X、Y、Z三個方向的零位移約束； e)實施振動應力仿真；設置電源模塊的振動阻尼值，根據(jù)工程經(jīng)驗選擇O. 03到O. 05 之間的數(shù)量；利用ANSYS的求解命令進行該電源模塊在最惡劣振動條件下的應力仿真，求解結束后獲得電源模塊各部位的響應，包括位移、速度以及加速度均方根；b.將高溫、高振動響應的元器件、零部件確定為關鍵部件；對于集成電路芯片、二極管、晶體管分立器件，若芯片的質量等級為工業(yè)級，則當仿真得到其表面溫度超過85°C時，該集成電路為關鍵部件；若芯片質量等級為軍品級，則當仿真得到其表面溫度超過100°C時，該集成電路為關鍵部件；對于電阻器、電容器元器件，若其與電路板的連接方式為表面貼裝，則當仿真得到其表面溫度超過90°C時，該元器件定為關鍵部件；將設備在振動仿真中得到的位移、加速度均方根最大值的部位所在的元器件、零部件定為關鍵部件；步驟二 確定關鍵部件的失效模式；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應關系，利用步驟一中獲得的電源模塊上關鍵元器件與部件所受的載荷類型來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對應關系
全文摘要
一種航空參數(shù)處理設備電源模塊的FMIS方法，該方法有四大步驟步驟一確定航空參數(shù)處理設備電源模塊上的關鍵部件；步驟二確定關鍵部件的失效模式；步驟三進行電源模塊在正常狀態(tài)下的瞬態(tài)電路仿真；步驟四進行電源模塊在失效狀態(tài)下的瞬態(tài)電路仿真。本發(fā)明是基于應力仿真方法和失效模式注入技術來確定航空參數(shù)處理設備電源模塊失效模式，并定量獲得該失效模式下電路輸出，為設計人員評估失效模式的影響、確定其危害性提供依據(jù)，同時也為電源模塊的設計改進提供依據(jù)。它在產(chǎn)品可靠性仿真技術領域里具有較好的實用價值和廣闊地應用前景。
文檔編號G06F17/50GK102592021SQ20121000361
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權日2012年1月6日
發(fā)明者康銳, 張曉秦, 曹然, 陳穎, 馬響 申請人:北京航空航天大學