可靠性设计大作业

零部件的可靠性设计
班级：学号：姓名：文威威
摘要:本学期选修了电子设备可靠性工程，对这项科学有了更深的了解，进一步了解了本学科在工业生产和科学研究上的重要性。

据国外有关资料介绍，在船用电子设备的故障原因中，属设计不合理的占40%,电子元器件质量问题约占30%,曲操作和维护引起的故障占1 0 %,由制造工艺引起的故障约占1 0 %;对我国某炮瞄雷达现场故障统计数据分析表明，约有25%以上是山设计不合理所造成的。

引言:在可靠性技术迅速发展的今天，从指标试验评价发展到从指标论证、设计、原材料选择到工艺控制及售后服务的全过程的综合管理和评价，许多产品打出“零失效”的王牌。

产品的可黑性在很大程度上取决于设计的正确性, 而这乂基于零部件的可靠性设计。

零部件的可鼎性设计是以提高产品可靠性为LI
的、以概率论与数理统汁理论为基础，综合运用数学、物理、丄程力学、机械工程学、人机工程学、系统工程学、运筹学等多方面的知识来研究机械工程的最佳设计问题。

利用可黑性设讣,可以降低元器件及系统的使用失效率，降低设备的成本，提高设备的可鼎性。

电子设备可靠性设计技术主要包括热设计、降额设汁、动态设计、三防设计、电磁兼容设计、振动与冲击隔离设计等。

正文：国内外的实践经验表明，机械结构的可靠性是由设计决定的，而由制造、安装和管理来保证的。

因此将概率设计理论和可黑性分析与设计方法应用于机械结构设讣中，才能得到既有足够安全可靠性，乂有适当经济性的优化结构。

这样，以估计结构系统可鼎度为LI标的、以概率统讣和随机过程理论为基础
的、以各种结构分析技术为工具的多种结构可鼎性分析与设计方法迅速发展oRaize r综述了一次二阶矩法和以一次二阶矩法为基础的现代可靠性分析理
论。

赵国藩等建立了广义随机空间内考虑随机变量相关性的结构可靠度实用分析方法，扩大了现有可幕度计算方法的适用范围。

并且贡金鑫和赵国藩还研究了原始空间内的可靠性分析方法，这种方法不需要将非正态随机变量映射或当量正态化为正态随机变量，因而特别适合于当随机变量的概率分布函数不存在显式时可靠度的讣算。

李云贵和赵国藩提出了计算可靠度的4次高阶矩法，提高了可靠度的计算精度。

胡云昌等在分析现有可靠性计算方法的基础上，给出了较全面的评价结构系统可靠性的标准，从而为结构系统的最优可靠性设计提供了可靠的设计依据。

刘F、吕震赵国藩综合评述了可鼎性理论研究和应用的发展与现状。

建立极限状态函数是进行可靠性分析的前提条件，对于复杂的机械结构,大部分情况下状态变量与基本变量之间的显式函数关系是不存在的，
这为进一步的可靠性分析带来困难。

文Ra a shek h a r等以及Zheng等为解决此类复杂机械结构的可黑性问题而提出了可幕性分析的响应面法，该方法便于与通用的有限元软件连接，以便对大型复杂机械结构进行可靠性分析与设计计算。

但如果问题的规模很大且随机变量很多时，响应面法的计算量是难以接受的。

Wu等提出的修改均值法是在隐式极限状态函数下进行可靠性分析的有效方法。

与响应曲面法相比，它有其计算量小、精度高的优点。

当前，在确定性有限元基础上发展起来的随机有限元法已成为对随机参数结构进行不确定分析的十分有效的数值方法。

张义民等应用随机有限元法和一阶可靠性技术对随机结构可幕性问题进行了研究，开辟了以一次二阶矩法、摄动技术、有限元理论和实用概率统汁学为基础的现代结构可鼎性分析与设计理论的新途径。

在可靠性的设计方面，通过合适的热设计、电磁防护设计、机械防震设计等可以十分有效的提高零件的可靠性。

(-) 热设计:热设计有一些基本规则:包括凡有温差的地方就有热传递；热传递的过程可区分为稳定过程和不稳定过程两大类；在纯导热中，单位时间内通过给定面积的热量，与该点的温度及垂直于导热方向的截面积成正比，即傅里叶定理；有三种基本的传递方式即导热、对流和辐射。

热设计的基本理论依据是传热学。

掌握了不同传热过程的机理、理论和计算方法, 就能有效地解决电子设备热设计中的各种实际问题。

为了提高导热能力，应减小接触电阻。

方法包括：提高接触表面光洁度，增加接触面间压力，在接触面涂一薄层导热脂或加一层延展性好、导热系数高的材料薄片。

①风路设计方法一一强迫冷却的风路设计
设计要点：
1,如果发热分布均匀，元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源。

2，如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列,而发热量小的区域元器件布局应稍密些，或加导流条，以使风能有效的流到关键发热器件。

3,如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件，应在模块内部采用阻流方法，使大部分的风量流入散热器。

4,进风口的结构设计原则：一方面尽量使其对气流的阻力最小，另一方面要考虑防尘，需综合考虑二者的影响。

②风道的设计原则
1,风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力；
2,尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小；
3,风道的截面尺寸和出口形状，风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致, 以
避免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形；
③垂直封闭夹层的自然对流换热问题分为三种情况：
1,在夹层内冷热壁的两股流道边界层能够相互结合，形成环流；
2,夹层厚度§与高度之比8/h>0. 3时，冷热的自然对流边界层不会相互干扰，也不会出现环流，可按大空间自然对流换热计算方法分别计算冷热的自然对流换热；
3,冷热壁温差及厚度均较小，以厚度为定型尺寸的Gr=（Bg5 3）/ u 3<2000时，通过夹层的热量可按纯导热过程计算。

水平夹层的自然对流换热问题分为三种
情况。

（二）电磁防护设计
① 电磁脉冲的电磁防护原则：
任何电子设备都能按原设计要求正常运行，并且设备或系统自身产生的电磁噪声所造成的干扰不致对周用的电磁场环境造成严重污染和影响其他设备的正常运行，该设备或系统即具有电磁兼容性要使设备或系统具有电磁兼容性，就必须采取适当的电磁防护措施。

②屏蔽与接地防护
实施电磁屏蔽时，应该分别对EMP电场与磁场分量进行屏蔽并且应该考虑EMP 脉冲的宽带特性。

电场屏蔽主要是为了防止电子元器件或设备的电容耦合, 采用金属屏蔽层包封电子元器件或设备，其屏蔽体应釆用良导体（铜、铝等）制作并有良好的接地。

磁场屏蔽主要是抑制噪声源和敬感设备间的磁场耦合，把磁力线封闭在屏蔽体内，阻挡内部磁场向外扩散或外界磁场的进入。

一般选择铁或其他高导磁率材料构成低磁阻通路来分流磁场。

在具体实施屏蔽时，应根据屏蔽效能的要求，结合相应的屏蔽理论确定屏蔽方式以及屏蔽材料，并防止可能发生的谐振现象。

复杂电磁系统一般包括很多高低压设备，在接地方面也应考虑各种接地需求，一般包括防雷接地、保护性接地、直流工作地和交流工作地。

一般要求防雷接地电阻小于1 0 Q ,其接地极应远离其他接地极25m以上，防止产生干扰。

为了保护人身和设备安全,必须将各种仪器仪表的外壳接地，保护性接地电阻一般要小于4Q。

由于工作和安全运行的需要，必须将直流电源的输出端外壳通过地网接在一起，使其成为稳定的零电位，直流工作地的接地电阻要小于2Q;同时, 交流电源零线也必须与大地相接。

（三）机械防震设计
①防震设计的原则
保证设备在机械环境中长期可靠地工作，常用的防护设计有减弱或去除震源，去谐、
去耦，阻尼减震，刚性化、小型化，隔离震源等。

②釆取适当的防振设计
1,在设计仪器的机箱部分时要针对不同仪器所工作的环境而选用合适的材料以便能抗振，保护机箱内元器件安全。

在机械振动较大的工作环境中机箱材料要选用钢质等刚性材料。

从材料力学知道，构件的材料一定时，则抗扭刚度取决于构件的截面形状和尺寸，所以对机箱材料板材要选择合理的截面形状和尺寸，增加机箱壁缘也可有效提高刚度，因此在满足结构要求，工艺性，重量指标的情况下，选择截面惯性矩较大的截面形状，是提高弯曲刚度的有效措施。

其次，提高机箱各部分的连接刚度。

2 ,加厚电路安装结构材料的强度（如电路PCB板），在满足强度的条件下，
尽量选用刚性好质量轻的材料。

3,注意元器件的安装位置。

对于振动强烈的电子设备，电气控制部分最好独立安装。

在无法独立安装时，应尽可能地远离振动源；以使振动的影响减小到最低限度。

强度较大元器件可放在电路板中心，起加强筋的作用。

元器件尽量分布在靠围框近的地方，尤其是对大质量的器件。

要尽量减少倒悬结构的安装，对倒悬的结构在其根部要强化支撑，以减少悬臂粱的影响。

4,采取必要的减振措施。

将电气元件或部件与振动机体的刚性连接改为柔性连接，即利用机械阻尼,把机械波最大限度地衰减，给电气元件加装防振弹簧, 垫上防震垫圈等。

（四）结论与展望
集成电路的快速发展，给可翥性保证带来了巨大的挑战。

集成电路的零部件的设计工作者要进一步深入研究可靠性物理和失效机理，加强可黑性工程相关工作；同时也要和产品制程开发和生产部门紧密合作，以减少可靠性对集成电路特征尺寸进一步缩小的制约，并保证产品保持足够的可靠性容限。

（五）参考文献
[1]电子机械可靠性与维修性•哈尔滨:黑龙江科技岀版社
[2]对家用电器产品热设计的探讨【论文】
[3]金涌，李贞晓，张湘潮，栗保明.复杂电磁系统的电磁防护设计原则.。