高可靠电子设备可靠性仿真试验技术应用研究_张蕊
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基于故障物理的电子产品可靠性仿真分析和预 计与传统的可靠性分析和预计方法不同， 它是利 用材料、 结构、 工艺和应力等性能参数建立产品的 数字模型并进行失效模式、 机理与影响分析， 得到 其所有的潜在失效点与对应的物理模型； 再利用应 力损伤分析对每个电路板 （模块） 进行故障预计， 得到每一个潜在失效点在某一失效机理下仿真的大 样本量失效时间数据， 利用 “ 最早失效时间” 来 确定电子产品故障前时间， 从而能够及时地发现电 子产品在设计初期的设计缺陷。 在国外， 基于故障 物理的可靠性仿真分析和预计研究较为广泛和深 入， 美国陆军装备 系 统 分 析 中 心 （AMSAA） 与 马 里兰大学 CALCE 中心合作， 对基于故障物理的可 靠性技术进行研究， 并开发出了可靠性仿真软件工 具 CalcePWA。 基于故障物理的故障分析软件集成 了电子设备常见的各种故障物理模型， 具有对电路 板组件及电子元器件进行应力-累积损伤分析和故
收稿日期： 2012-05-14
修回日期： 2012-10-12
作 者 简 介 ： 张 蕊 （1979-）， 女 ， 陕 西 西 安 人 ， 工 业 和 信 息 化 部 电 子 第 五 研 究 所 可 靠 性 与 环 境 工 程 研 究 中 心 工 程 师 ， 硕 士 ，
主要从事电子产品的可靠性试验评价工作。
Key words： reliability simulation test； reliability design； reliability evaluation； physics of fail-
ure
0 引言
随着计算机运算速度的快速提升和各类虚拟仿 真软件在商业中的广泛应用， 如何利用各类虚拟现 实技术来解决高可靠电子设备可靠性设计与评价问 题已经成为新的研究热点。 在国外， 可靠性仿真试 验技术已经取得了较大的发展， 形成了完善的理论
4.5 可靠性仿真评估 [4]
可靠性仿真评估就是利用故障预计所输出的故 障信息来估算和评价产品的可靠性水平。 其流程如 下：
a） 单点故障密度分布拟合 根据某一潜在故障点的蒙特卡洛仿真大样本故 障时间数据， 采用统计数据方法来拟合潜在故障点 的故障时间分布。 一般采用威布尔分布、 指数分 布、 正态分布和对数正态分布等拟合。
电子产品可靠性与环境试验 ELECTRONIC PRODUCT RELIABILITY AND ENVIRONMENTAL TESTING
可靠性与环境试验技术及评价
Vol．30 No．6 Dec., 2012 2012 年 12 月第 30 卷 第 6 期
高可靠电子设备可靠性仿真试验技术应用研究
张蕊， 汪凯蔚， 沈峥嵘
15
电子产品可靠性与环境试验
2012 年
bΒιβλιοθήκη Baidu 多点故障密度分布融合 对各单点故障， 采用蒙特卡洛仿真方法进行故 障分布融合， 得到产品的故障时间分布。 c） 可靠性仿真评估 由产品的故障密度分布函数来求解在规定置信 度下的可靠性仿真评估值。
5 案例研究
本案例以某飞机的机载电子设备为例， 介绍了 可靠性仿真试验的流程， 并得出了该电子设备的可 靠性指标平均首发故障时间。 5.1 信息收集
计 算 流 体 力 学 热 仿 真 （ CFD： Computational Fluid Dynamics） 是 一 种 求 解 数 学 方 程 组 来 预 测 流 体流动、 热交换、 质量交换、 化学反应及相关现象 的科学。 计算机辅助热仿真是集数值传热、 数值计 算方法及计算机技术于一体的一项技术， 为电子设
3．3 故障预计仿真 [1-2]
故障预计仿真是基于故障物理的可靠性分析， 产品的任何故障必然是由特定的热、 机械、 化学、 物理或电子驱使的某种故障机理所导致。 人们可以 利用这种必然的规律， 通过对产品工作环境、 结构 特性和物理特性的深入认识来确定产品潜在的故障 机理， 从而采取 “事前预防” 的措施。
DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN
13
电子产品可靠性与环境试验
2012 年
出了以某电子设备为试验对象的试验案例。
1 可靠性仿真试验的概念及原理
可靠性仿真试验是基于故障物理原理和计算机 技术， 利用计算机仿真分析软件， 对实际或设想的 设备进行数字模型可靠性分析、 计算的过程。 可靠 性仿真试验主要通过软件来建立产品的仿真模型， 施加产品所需经历的载荷历程 （包括温度和振动）， 分解到产品的基本模块上， 进行应力分析和应力损 伤分析， 从而找出产品的设计薄弱环节， 提出设计 改进措施， 通过设计改进提高产品的固有可靠性， 并能够通过仿真预计产品的失效时间分布， 评价产 品的可靠性水平。
图 1 可靠性仿真试验流程
4.3 仿真建模
仿真建模就是利用软件来建立可靠性仿真试验 时所需要的试验对象， 即反映产品某种特性的仿真 模型。
a） CAD 模型 使用计算机辅助设计软件建立的、 描述设备几 何特征和材料属性的三维数字模型。 b） CFD 模型 采用计算流体力学软件建立的、 描述设备热特 性的三维数字模型。 c） FEA 模型 采用有限元方法建立的、 描述设备力学特征的 三维数字模型。 d） 故障预计模型 采用故障预计软件建立的、 描述设备故障物理 特征的二维数字模型。
ZHANG Rui， WANG Kai-wei， SHEN Zheng-rong
（CEPREI， Guangzhou 510610， China）
Abstract： Reliability simulation test， which is a major way addressing reliability robust design
4.2 信息收集
可靠性仿真信息收集就是要收集可靠性仿真试 验、 仿真建模以及仿真分析所需要的产品设计信息 和使用信息， 主要包括以下内容：
1） 整机信息， 如尺寸、 重量、 整机功率、 结 构以及机箱材料的力学参数、 整机装配信息等；
2） 印制线路板信息， 如电路板的材料、 热力 学参数、 尺寸、 覆铜比、 安装方式、 与其余部分的 交联关系、 有无散热措施以及板上焊点的材料与面 积等；
对比项目 可靠性仿真试验
试验对象
数字样机
试验条件
虚拟载荷
试验设备
计算机
试验周期
较短
试验成本
较低
可靠性试验 实物样机 实际载荷
可靠性综合试验设备 较长 较高
从表 1 中可以看出， 与传统的可靠性试验相 比， 可靠性仿真试验具有试验设备简单、 试验周期 短以及试验成本低的特点。
3 各类虚拟仿真技术
3．1 热仿真 （CFD）
品可靠性水平进行快速评价。
关键词： 可靠性仿真试验； 可靠性设计； 可靠性评价； 故障物理
中图分类号： TB24
文献标识码： A
文章编号： 1672-5468 （2012） 06-0013-07
Research on Reliability Simulation Test Technology Application of High Reliability Electronic Equipment
14
备的热可靠性设计提供了一种理想的分析方法， 用 于电子设备的方案论证阶段以及成品的热分析。
3．2 振动仿真 （FEA）
有 限 元 分 析 振 动 仿 真 （ FEA： Finite Element Analysis） 是在力学模型上将一个原来连续的物体 离散成为有限个具有一定大小的单元， 这些单元仅 在有限个节点上相连接， 并在节点上引进等效力以 代替实际作用于单元上的外力。 对于每个单元， 根 据分块近似的思想， 选择一种简单的函数来表示单 元内位移的分布规律， 并按弹性理论中的能量原理 建立单元节点力和节点位移之间的关系。 最后， 把 所有单元的这种关系式集合起来， 就得到一组以节 点位移为未知量的代数方程组， 从而求出物体上有 限个离散节点上的位移。 该仿真技术使得设计人员 通过有效的计算机计算， 确切地预测产品的机械和 工程结构， 在未来工作时所发生的应力、 应变和位 移。
2 与传统可靠性试验的比较
从本质上来说， 可靠性仿真试验和传统的可靠 性试验一样， 都是一种对产品的可靠性进行调查、 分析和评价的手段， 其目的也都是为了发现产品的 设计缺陷以及评价产品的可靠性水平， 而两者之间 的区别在于试验对象、 试验条件等试验因素的不 同， 如表 1 所示。
表 1 可靠性仿真试验与可靠性试验的比较
4.4 仿真分析
仿真分析就是利用软件在所建立的仿真模型上 施加虚拟的外部环境条件， 从而得到响应的过程， 其分析流程如图 2 所示。 首先利用温度环境条件和 振动环境条件对产品开展热分析以及振动分析， 得 到产品的热、 振动响应； 其次利用产品的热、 振动 响应开展故障预计， 得到产品的故障信息， 即产品 各位置预计发生故障的时间以及相对应的故障模式 和故障机理。
集、 仿真建模、 仿真分析以及仿真评估 4 个环节， 如图 1 所示， 即： 1） 收集可靠性仿真试验所必须 的产品设计及使用环境信息； 2） 根据产品的设计 信息， 利用仿真软件建立产品的仿真模型； 3） 将 产品的使用环境信息经过处理作为试验条件施加于 仿真模型中并进行仿真分析； 4） 根据仿真分析得 到的仿真数据进行可靠性仿真评估。
3） 元器件信息， 如功率、 尺寸、 重量、 工艺 信息 （封装形式、 封装材料、 引脚材料等） 和位置 等；
4） 使用环境信息， 如整机的温度应力、 振动 应力等， 主要以试验剖面的形式反映。
DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN
图 2 仿真分析流程
for high reliability electronic equipment， has become a developing technology in recent years. Thermal simulation， vibration simulation and failure prediction simulation technology are analyzed， in order to bring forward high reliability electronic equipment reliability simulation evaluation procedure. The procedure can be resorted to explore weakness in equipment design， and to evaluate the product reliability rapidly.
DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN
第6期
张蕊等： 高可靠性电子设备可靠性仿真试验技术应用研究
障时间预计的能力， 其功能模块主要包括故障物理 分析建模、 应力损伤分析、 累积损伤分析和蒙特卡 罗仿真等。
4 可靠性仿真试验的实施方法
4．1 可靠性仿真试验流程 [3] 可靠性仿真试验主要包括受试产品的信息收
基础和丰富的工程应用经验， 但该技术的研究在国 内却处于起步阶段， 其理论研究及工程应用较少。 本文在分析和整合热仿真、 振动仿真以及故障预计 仿真等各项仿真技术的基础上， 给出每项仿真试验 输入条件和输出应用方法， 并给出基于故障聚类拟 合和基于蒙特卡洛的可靠性评价流程， 形成一个完 整的高可靠电子设备可靠性仿真试验方法， 最后给
a） 产品设计信息 该设备由 4 个模块、 215 种型号 1 049 只元器 件 构 成 ， 本 次 试 验 共 收 集 了 包 括 PCB 设 计 信 息 、 全部元器件信息在内的型号、 封装、 重量和尺寸等 近 5 000 条相关信息。 b） 试验条件信息 采用该产品进行研制所用的综合环境试验剖面 中的温度和振动环境信息作为可靠性仿真分析的边 界条件， 综合环境试验剖面和振动谱型示意如图 3、 4 所示。
（工业和信息化部电子第五研究所， 广东 广州 510610）
摘 要： 可靠性仿真试验是一门近年来兴起并不断发展的新技术， 是解决高可靠电子设备可靠性健壮设计的
重要方法。 对热仿真、 振动仿真以及故障预计仿真等各种仿真技术进行了分析与整合， 研究出适用于高可靠
电子设备可靠性仿真评价的流程， 从而可以利用可靠性仿真试验来有效地发现产品设计的薄弱环节， 并对产
收稿日期： 2012-05-14
修回日期： 2012-10-12
作 者 简 介 ： 张 蕊 （1979-）， 女 ， 陕 西 西 安 人 ， 工 业 和 信 息 化 部 电 子 第 五 研 究 所 可 靠 性 与 环 境 工 程 研 究 中 心 工 程 师 ， 硕 士 ，
主要从事电子产品的可靠性试验评价工作。
Key words： reliability simulation test； reliability design； reliability evaluation； physics of fail-
ure
0 引言
随着计算机运算速度的快速提升和各类虚拟仿 真软件在商业中的广泛应用， 如何利用各类虚拟现 实技术来解决高可靠电子设备可靠性设计与评价问 题已经成为新的研究热点。 在国外， 可靠性仿真试 验技术已经取得了较大的发展， 形成了完善的理论
4.5 可靠性仿真评估 [4]
可靠性仿真评估就是利用故障预计所输出的故 障信息来估算和评价产品的可靠性水平。 其流程如 下：
a） 单点故障密度分布拟合 根据某一潜在故障点的蒙特卡洛仿真大样本故 障时间数据， 采用统计数据方法来拟合潜在故障点 的故障时间分布。 一般采用威布尔分布、 指数分 布、 正态分布和对数正态分布等拟合。
电子产品可靠性与环境试验 ELECTRONIC PRODUCT RELIABILITY AND ENVIRONMENTAL TESTING
可靠性与环境试验技术及评价
Vol．30 No．6 Dec., 2012 2012 年 12 月第 30 卷 第 6 期
高可靠电子设备可靠性仿真试验技术应用研究
张蕊， 汪凯蔚， 沈峥嵘
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电子产品可靠性与环境试验
2012 年
bΒιβλιοθήκη Baidu 多点故障密度分布融合 对各单点故障， 采用蒙特卡洛仿真方法进行故 障分布融合， 得到产品的故障时间分布。 c） 可靠性仿真评估 由产品的故障密度分布函数来求解在规定置信 度下的可靠性仿真评估值。
5 案例研究
本案例以某飞机的机载电子设备为例， 介绍了 可靠性仿真试验的流程， 并得出了该电子设备的可 靠性指标平均首发故障时间。 5.1 信息收集
计 算 流 体 力 学 热 仿 真 （ CFD： Computational Fluid Dynamics） 是 一 种 求 解 数 学 方 程 组 来 预 测 流 体流动、 热交换、 质量交换、 化学反应及相关现象 的科学。 计算机辅助热仿真是集数值传热、 数值计 算方法及计算机技术于一体的一项技术， 为电子设
3．3 故障预计仿真 [1-2]
故障预计仿真是基于故障物理的可靠性分析， 产品的任何故障必然是由特定的热、 机械、 化学、 物理或电子驱使的某种故障机理所导致。 人们可以 利用这种必然的规律， 通过对产品工作环境、 结构 特性和物理特性的深入认识来确定产品潜在的故障 机理， 从而采取 “事前预防” 的措施。
DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN
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电子产品可靠性与环境试验
2012 年
出了以某电子设备为试验对象的试验案例。
1 可靠性仿真试验的概念及原理
可靠性仿真试验是基于故障物理原理和计算机 技术， 利用计算机仿真分析软件， 对实际或设想的 设备进行数字模型可靠性分析、 计算的过程。 可靠 性仿真试验主要通过软件来建立产品的仿真模型， 施加产品所需经历的载荷历程 （包括温度和振动）， 分解到产品的基本模块上， 进行应力分析和应力损 伤分析， 从而找出产品的设计薄弱环节， 提出设计 改进措施， 通过设计改进提高产品的固有可靠性， 并能够通过仿真预计产品的失效时间分布， 评价产 品的可靠性水平。
图 1 可靠性仿真试验流程
4.3 仿真建模
仿真建模就是利用软件来建立可靠性仿真试验 时所需要的试验对象， 即反映产品某种特性的仿真 模型。
a） CAD 模型 使用计算机辅助设计软件建立的、 描述设备几 何特征和材料属性的三维数字模型。 b） CFD 模型 采用计算流体力学软件建立的、 描述设备热特 性的三维数字模型。 c） FEA 模型 采用有限元方法建立的、 描述设备力学特征的 三维数字模型。 d） 故障预计模型 采用故障预计软件建立的、 描述设备故障物理 特征的二维数字模型。
ZHANG Rui， WANG Kai-wei， SHEN Zheng-rong
（CEPREI， Guangzhou 510610， China）
Abstract： Reliability simulation test， which is a major way addressing reliability robust design
4.2 信息收集
可靠性仿真信息收集就是要收集可靠性仿真试 验、 仿真建模以及仿真分析所需要的产品设计信息 和使用信息， 主要包括以下内容：
1） 整机信息， 如尺寸、 重量、 整机功率、 结 构以及机箱材料的力学参数、 整机装配信息等；
2） 印制线路板信息， 如电路板的材料、 热力 学参数、 尺寸、 覆铜比、 安装方式、 与其余部分的 交联关系、 有无散热措施以及板上焊点的材料与面 积等；
对比项目 可靠性仿真试验
试验对象
数字样机
试验条件
虚拟载荷
试验设备
计算机
试验周期
较短
试验成本
较低
可靠性试验 实物样机 实际载荷
可靠性综合试验设备 较长 较高
从表 1 中可以看出， 与传统的可靠性试验相 比， 可靠性仿真试验具有试验设备简单、 试验周期 短以及试验成本低的特点。
3 各类虚拟仿真技术
3．1 热仿真 （CFD）
品可靠性水平进行快速评价。
关键词： 可靠性仿真试验； 可靠性设计； 可靠性评价； 故障物理
中图分类号： TB24
文献标识码： A
文章编号： 1672-5468 （2012） 06-0013-07
Research on Reliability Simulation Test Technology Application of High Reliability Electronic Equipment
14
备的热可靠性设计提供了一种理想的分析方法， 用 于电子设备的方案论证阶段以及成品的热分析。
3．2 振动仿真 （FEA）
有 限 元 分 析 振 动 仿 真 （ FEA： Finite Element Analysis） 是在力学模型上将一个原来连续的物体 离散成为有限个具有一定大小的单元， 这些单元仅 在有限个节点上相连接， 并在节点上引进等效力以 代替实际作用于单元上的外力。 对于每个单元， 根 据分块近似的思想， 选择一种简单的函数来表示单 元内位移的分布规律， 并按弹性理论中的能量原理 建立单元节点力和节点位移之间的关系。 最后， 把 所有单元的这种关系式集合起来， 就得到一组以节 点位移为未知量的代数方程组， 从而求出物体上有 限个离散节点上的位移。 该仿真技术使得设计人员 通过有效的计算机计算， 确切地预测产品的机械和 工程结构， 在未来工作时所发生的应力、 应变和位 移。
2 与传统可靠性试验的比较
从本质上来说， 可靠性仿真试验和传统的可靠 性试验一样， 都是一种对产品的可靠性进行调查、 分析和评价的手段， 其目的也都是为了发现产品的 设计缺陷以及评价产品的可靠性水平， 而两者之间 的区别在于试验对象、 试验条件等试验因素的不 同， 如表 1 所示。
表 1 可靠性仿真试验与可靠性试验的比较
4.4 仿真分析
仿真分析就是利用软件在所建立的仿真模型上 施加虚拟的外部环境条件， 从而得到响应的过程， 其分析流程如图 2 所示。 首先利用温度环境条件和 振动环境条件对产品开展热分析以及振动分析， 得 到产品的热、 振动响应； 其次利用产品的热、 振动 响应开展故障预计， 得到产品的故障信息， 即产品 各位置预计发生故障的时间以及相对应的故障模式 和故障机理。
集、 仿真建模、 仿真分析以及仿真评估 4 个环节， 如图 1 所示， 即： 1） 收集可靠性仿真试验所必须 的产品设计及使用环境信息； 2） 根据产品的设计 信息， 利用仿真软件建立产品的仿真模型； 3） 将 产品的使用环境信息经过处理作为试验条件施加于 仿真模型中并进行仿真分析； 4） 根据仿真分析得 到的仿真数据进行可靠性仿真评估。
3） 元器件信息， 如功率、 尺寸、 重量、 工艺 信息 （封装形式、 封装材料、 引脚材料等） 和位置 等；
4） 使用环境信息， 如整机的温度应力、 振动 应力等， 主要以试验剖面的形式反映。
DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN
图 2 仿真分析流程
for high reliability electronic equipment， has become a developing technology in recent years. Thermal simulation， vibration simulation and failure prediction simulation technology are analyzed， in order to bring forward high reliability electronic equipment reliability simulation evaluation procedure. The procedure can be resorted to explore weakness in equipment design， and to evaluate the product reliability rapidly.
DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN
第6期
张蕊等： 高可靠性电子设备可靠性仿真试验技术应用研究
障时间预计的能力， 其功能模块主要包括故障物理 分析建模、 应力损伤分析、 累积损伤分析和蒙特卡 罗仿真等。
4 可靠性仿真试验的实施方法
4．1 可靠性仿真试验流程 [3] 可靠性仿真试验主要包括受试产品的信息收
基础和丰富的工程应用经验， 但该技术的研究在国 内却处于起步阶段， 其理论研究及工程应用较少。 本文在分析和整合热仿真、 振动仿真以及故障预计 仿真等各项仿真技术的基础上， 给出每项仿真试验 输入条件和输出应用方法， 并给出基于故障聚类拟 合和基于蒙特卡洛的可靠性评价流程， 形成一个完 整的高可靠电子设备可靠性仿真试验方法， 最后给
a） 产品设计信息 该设备由 4 个模块、 215 种型号 1 049 只元器 件 构 成 ， 本 次 试 验 共 收 集 了 包 括 PCB 设 计 信 息 、 全部元器件信息在内的型号、 封装、 重量和尺寸等 近 5 000 条相关信息。 b） 试验条件信息 采用该产品进行研制所用的综合环境试验剖面 中的温度和振动环境信息作为可靠性仿真分析的边 界条件， 综合环境试验剖面和振动谱型示意如图 3、 4 所示。
（工业和信息化部电子第五研究所， 广东 广州 510610）
摘 要： 可靠性仿真试验是一门近年来兴起并不断发展的新技术， 是解决高可靠电子设备可靠性健壮设计的
重要方法。 对热仿真、 振动仿真以及故障预计仿真等各种仿真技术进行了分析与整合， 研究出适用于高可靠
电子设备可靠性仿真评价的流程， 从而可以利用可靠性仿真试验来有效地发现产品设计的薄弱环节， 并对产