基于故障聚类分新的产品可靠性预计方法研究

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1、目前西方发达国家在可靠性理论和方法研究方面，围绕与装备并行研制模式相适应以及实现装备的最优使用综合效能的目标，以故障物理为基础，通过可靠性与性能设计一体化设计的途径，在可靠性要求及其参数体系、可靠性设计、分析和试验验证、维修保障等诸方面的研究均取得了较大进展，发展和完善了可靠性技术体系。在可靠性要求转变的基础上，可靠性工作思路也必须寻求转变。基于产品故障数据统计分析的传统可靠性工作思路难以对可靠性设计提供有效支持，只有转向基于故障物理的性能与可靠性一体化思路，对系统的故障进行设计分析、验证评价和持续改进来保证产品可靠性要求的实现。基于故障物理

2、的可靠性仿真技术为进行可靠性优化设计提供了技术支撑。但基于仿真输出结果预计产品的可靠性目前还没有可以利用的方法，本文提出的基于故障聚类分析的产品可靠性预计方法解决了这个问题。1基于故障物理的可靠性仿真技术故障物理学认为产品的故障总是由于基本的机械、电、热和化学等应力作用的过程所导致。因此，要对产品可靠性作出正确的评价和设计，仅根据内外场故障数据的统计推断是不够的，必须充分了解产品的故障模式、故障机理和故障位置等信息，才能采取适当措施防止这些潜在故障的发生。而要了解产品的所有潜在的故障位置、故障模式和机理，必须基于产品的设计输入和预期的寿命周期

3、的环境条件。型堕垒里!Q里璺坐i璺墨!垒望鱼璺堕!圣垒!!Q望壁Q竖丛监塑堂：!兰旦由于可靠性问题的复杂性，以及故障物理学多学科综合的特性，可靠性建模仿真方法必然是一个多学科综合的方法。就目前的发展程度，主要涉及到物理、化学、电子、材料、力学、统计数学等学科；而随着故障物理学理论和技术的不断进步，必然会继续引入其它相关的学科。统一数据管理和流程管理是所有建模仿真工作的交互平台，各专业从数据管理中获取输入信息和数据库接口，并返回分析数据和分析报告；在流程管理中定制了各种规范的分析流程，保证分析的正确实施。第一步，数据采集。输入数据主要包括由用户

4、方和装备承制方提供的预期环境和用法，由装备承制方提供的设计信息和研制试验信息，以及数据库中的基础材料和元器件信息，具体包括：结构、材料、元器件、电路设计、功能要求、用法要求和环境要求等。第二步，建立产品的设计模型。设计模型主要包括：CAD模型、CFD模型、FEM模型、EDA模型。分别描述了产品的结构几何特性、热特性、振动特性和电特性。第三步，进行设计分析。即在设计模型上施加产品预期的：[作和环境条件，分析其响应和应力分布，并进行相应的健壮性设计优化。主要包括：热分析和耐热设计、振动分析和耐振动设计、电路分析和电路健壮性设计等。第四步，进行故障

5、物理分析。故障物理分析是以设计模型和设计分析结果作为输入，选择[收修订稿日期]2010—09—21[基金项目】航空科学基金项H20070241001丛：!：丝!型目t《+篓。2一*。，；。。{蓑《?。=冀。。毫互，笺j

6、竟蕊翻糖济．《：蠹蚜莉潦{匕凹勰糯蟛¨o若糟激囝强垂航空标准化与质量总第240期和应用合适的故障物理模型，分析产品在预期环境下的可靠性。包括故障模式、机理和影响分析(FMMEA)、过应力边界分析、耗损型寿命分析和累积损伤分析等。应力损伤分析和累积损伤分析可以得到单一失效机理条件下电子设备的累积损伤预测结果。为了考虑随机变量对基

7、于故障物理的电子产品可靠性的影响，需要引入蒙特卡洛方法来对电子产品的结构参数、材料参数、工艺参数等进行随机抽样，在此基础上进行基于故障物理可靠性的电子产品蒙特卡洛仿真分析，从而考虑了随机性的影响，要反复评估被分析电子产品的逻辑系统，每次运行使用不同的分布参数值，参数值的选择是随机的，但其概率受到相关分布函数的控制，这样，最终我们就可以分析得到单一失效机理在多次随机抽样结果下电子设备的损伤结果。第五步，可靠性评估。根据故障物理分析结果(这种结果体现的是各个微观故障点的失效情况)，评估模块、设备的可靠性。要评估部件的可靠性首先需要得到模块的可靠性

8、指标，然后根据串联系统可靠性的计算方法得到设备的可靠性。因此计算模块的可靠性是关键，计算模块的可靠性是本报告主要论述的问题。2故障聚类分析产品潜在故障聚类分析的基本思想是在故障物理分析结果的支持下，从识别产品中的所有潜在的故障点出发，对所有的潜在故障进行聚类，根据各潜在故障类对应的密度分布进行排序，确定重要的潜在故障类，发现产品的薄弱环节，为产品设计改进和完善及相关的工程决策提供依据。该方法的研究将对产品薄弱环节的确定提供重要的工程信息。故障聚类分析法、可靠性预计及产品数字化可靠性分析构成了一套新的电子产品可靠性预计分析方法，它不同与以往基于

9、GJB299C一2006和MIL—HDBK一217的可靠性预计方法，而是基于疲劳累积损伤原理考虑了环境条件对产品的影响。该套方法将对航空电子设备的可靠性分析与预计提