CN104899372A - 结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法，采用有限元分析软件进行实体建模；对筛选对象模型按照高加速寿命(HALT)试验结果进行加载并修正，分析试验对象的失效形式及破坏部位，确定试验对象的破坏极限；对筛选对象失效模式进行整理统计与分析，选择可靠性分析模型；对危险部位选用相应可靠性分析模型，进行可靠度计算，按照系统分配的可靠度，取对应的载荷为工作极限；根据工作极限确定HASS初始剖面。本发明通过仿真分析可以发现试验对象的部分隐藏缺陷，对仿真结果进行可靠性分析，依据可靠度计算得到筛选对象的工作极限及其工作剖面。
Description
技术领域
本发明属于高加速应力筛选试验技术领域，尤其涉及一种结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法。
背景技术
产品的可靠性是设计出来、制造出来、管理出来的，产品制造过程中的各种不确定性，造成产品或多或少存在缺陷和隐患，使得生产出的产品的可靠性存在很大差异，因而需要对产品进行100％筛选，从而剔除由于原材料、不良元器件、工艺缺陷和其它原因所造成的早期故障，从而达到提高产品质量与可靠性的目的。高加速应力筛选(Highly Accelerated Stress Screening，HASS)采用温度循环和随机振动等综合应力以及比使用环境高得多的应力量值对产品进行加速筛选，是结合产品的实际情况，满足既能够快速、经济、有效地激发出在使用环境下可能导致产品失效的各类缺陷，又不过量消耗产品的有效寿命要求的情况下，根据一定的设计准则而得到的。
HASS试验剖面图是由数个在两个极限温度之间的振动和温度等环境应力综合作用的循环周期构成的。高加速筛选试验剖面制定的一般方法，首先根据高加速寿命试验的结果制定初始剖面，再逐步对剖面进行调整确定最终剖面。高加速筛选试验剖面的初始参数是在高加速寿命试验确定的温度与振动等环境应力的工作极限和破坏极限基础上得到的，高加速寿命试验在确定工作极限与破坏极限的过程中需要对试验对象进行大量反复性的试验，这一过程非常繁琐且需要大量试验样件；其次，为了确定最终剖面，需要在初始剖面的基础上不断进行应力量级调整，每一次量级调整需要对试验对象进行50次以上的剖面循环试验，耗时耗力且精度难以保证；这些工作使得剖面的制定工作繁琐、试验样本量大、耗时耗力，且难以保证精度。在HASS的剖面设计及产品的实际生产中，由于技术及经费的限制，一定程度上阻碍了HASS的开展与进一步发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法，旨在解决现有高加速筛选试验剖面制定工作繁琐、试验样本量大、耗时耗力，且难以保证精度的问题。
本发明是这样实现的，一种结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法，该结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法包括以下步骤：
步骤一，采用有限元分析软件进行实体建模，按照自底向上建模，通过电阻、电容、电感、集成电路、电气接插件、焊接点、导线连接、机械联接、电路板及机箱，分别处理为线和体等几何形体，并运用布尔运算工具对元器件与电路板、上下电路板间、电路板与机箱的联接进行几何建模；对于焊接在电路板上的元器件支腿进行了特殊处理，使用叉开式的线形模拟其与电路板的联接，网格划分时应依据实际HALT结果与对象特性对应力集中以及易失效部位细化，依据实际HALT结果对模型进行修正，对建立好的模型按照实际HALT的载荷加载方式分别进行仿真分析，通过对比试验结果，找出哪些参数对分析结果影响较大，并分析参数变化对分析结果的影响变化趋势，然后根据应力和变形分布以及应力集中点的应力数值对比，进行参数微调，对模型进行修正；
步骤二，对修正的模型按照HALT试验的进行加载，分析试验对象的失效形式及破坏部位，如已经大于屈服极限，在HALT试验中则会表现为部件或组件的性能失效，以此确定试验对象的破坏极限；
步骤三，对试验对象失效模式进行整理统计与分析，选择可靠性分析模型；
步骤四，对危险部位选用相应可靠性分析模型，进行可靠度计算，按照系统分配的可靠度，取对应的载荷为工作极限；
步骤五，初始剖面确定，HASS剖面参数包括：上下极限温度、端点温度滞留时间、温变率、振动量级、振动时间长短，根据工作极限与破坏极限，参考HASS推荐剖面谱型，对剖面的上述各项参数进行设定，得到HASS初始剖面；
最终剖面确定，按照初始剖面的应力形式进行仿真加载，然后计算可靠度，对象各危险部位的可靠度在合格率范围内，则确定为最终剖面；反之则调整应力值，重新进行仿真分析与可靠性计算。
进一步，在采用有限元分析软件进行实体建模之前需要采用少数样件进行高加速寿命试验，通常包括低温步进应力试验，高温步进应力试验、快速温变试验，随机振动试验，综合环境试验，将试验对象尽量加载至破坏，观察并记录试验过程及结果，包括试验对象的性能，失效形式。
进一步，所述可靠性建模包括：分布函数法、应力—强度干涉理论、名义应力法、应力应变法。
进一步，所述工作极限的温度工作极限和振动工作极限；
温度工作极限包括温度上下极限和温变率；
振动工作极限，包括随机振动的量级及振动时间。
本发明的另一目的在于提供一种采用结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法在机电组件的应用，所述在机电组件的应用具体包括以下步骤：
步骤一，采用5个样件分别进行低温步进应力试验，高温步进应力试验、快速温变试验，随机振动试验，综合环境试验，结果表明机电组件的主要失效形式是元器件性能失效，导线断裂，元器件管脚断裂；
步骤二，仿真建模，采用有限元分析软件—ANSYS对试验对象进行实体建模，对管脚、焊点部位进行较细的网格划分，并对比试验结果，对模型进行修正，通过仿真加载在易失效的部位产生应力集中；
步骤三，环境试验仿真，对仿真模型进行随机振动试验、温度步进试验、温度循环试验的仿真，通过仿真得到试验对象的在随机振动应力下的破坏极限为23Grms，温度破坏极限为-100℃～130℃；
步骤四，可靠性建模，通过试验及仿真发现试验对象的主要失效形式是电子元器件失效，缆线失效，元器件管脚失效，分别建立指数分布函数模型，三参数威布尔分布函数模型，应力-强度干涉理论模型；
步骤五，工作极限与破坏极限确定，通过仿真得到试验对象的在随机振动应力下的破坏极限为23Grms，采用步骤四中建立的可靠性模型，依据仿真分析结果对模型参数分别进行计算，然后计算可靠度；
步骤六，确定HASS剖面，按照工程中初始剖面的方法，取初始剖面参数如下：取温度循环的范围为-60℃～90℃，起始温度为室温20℃，温变率为60℃/min，温度循环为2次/循环，随机振动的初始量级为5Grms，最高量级为10Grms，滞留时间为10min；分别计算可靠度为：电子元器件为0.95；电容管脚可靠度为0.99，压线盒管脚可靠度为0.97；缆线可靠度为0.83。
进一步，在步骤五中，可靠度0.85对应的载荷为工作极限，则温度工作极限为：范围是-90℃～120℃，温变率是60℃/min；振动工作极限是20Grms。
进一步，在步骤六中，调整应力值确定最终剖面参数如下：取温度循环的范围为-50℃～80℃，起始温度为室温20℃，温变率为60℃/min，温度循环为2次/循环，随机振动的初始量级为5Grms，最高量级为10Grms，滞留时间为10min；分别计算可靠度为：电子元器件可靠度为0.994，电容管脚可靠度为0.999，压线盒管脚可靠度为0.993，缆线可靠度为0.997。
本发明的方法与现有HASS的剖面确定方法对比具有以下的优势：
1、实物试验
现有HASS工作极限的确定方法是通过实物试验反复进行应力加载得到；
而本发明的方法由可靠度直接计算确定，实物消耗量可减少70％以上；
2、HASS剖面确定；
现有HASS的方法对初始剖面进行调整，每一次应力调整后需选择新样件进行50次剖面循环试验，直到没有失效发生；
而本发明的方法对初始剖面进行调整，对每一次调整的剖面进行仿真与可靠性分析，直到可靠度达标，可减少试验时间80％以上。
3、HASS剖面可靠性量化
现有HASS的剖面确定方法缺乏定量化指标，依据一定的工程经验；
本发明的方法对工作极限的确定和初始剖面的调整，均依据可靠性指标的计算，以此具有完全的量化依据，可保证剖面的安全性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法流程图；
图2是本发明实施例提供的构造HASS剖面实例图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法包括以下步骤：
S101：少量HALT试验，采用少数样件进行高加速寿命试验，通常包括低温步进应力试验，高温步进应力试验、快速温变试验，随机振动试验，综合环境试验等，将试验对象尽量加载至破坏，观察并记录试验过程及结果，包括试验对象的性能，失效形式等；
S102：仿真建模，采用有限元分析软件对试验对象进行实体建模，在建模的过程中对模型进行适当简化，在网格划分时应依据实际HALT试验结果与试验对象特性对应力集中以及易失效部位进行细化，边界条件的定义应参考实际HALT试验的加载方式，对建立好的模型按照实际HALT试验的载荷加载方式分别进行仿真分析，通过对比试验结果，对模型进行修正；
S103：环境试验仿真，对经过步骤S102修正的模型按照HALT试验的一般形式进行加载，分析试验对象的失效形式及破坏部位，参考步骤S101中的少量HALT试验结果，确定试验对象的破坏极限；
S104：可靠性建模，鉴于可靠性分析方法的多样性，在可靠性建模之前，需要对试验对象的失效模式进行整理统计与分析，试验对象的失效模式可以通过HALT试验与仿真试验得到，在失效模式分析的基础上，选择合适的可靠性分析模型；
S105：工作极限确定，根据试验对象在不同环境载荷下的具体失效形式，对危险部位选用相应可靠性分析模型，进行可靠度计算，按照系统分配的可靠度，取其对应的载荷为工作极限；
S106：确定HASS剖面图是由数个在两个极限温度之间的振动和温度等环境应力综合作用的循环周期构成。
本发明提出的一种结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法，包括进行少量HALT试验、仿真试验以及可靠性分析，最终实现HASS试验剖面的构造。
在构造HASS试验剖面之前，需要通过HALT试验得到试验对象在各环境应力下的工作极限与破坏极限；本发明采用少量HALT试验结合仿真与可靠性分析实现，通过对环境应力进行仿真加载分析，得到试验对象破坏极限，这一方法与HALT试验的过程一致，但是通过仿真分析可以发现试验对象的部分隐藏缺陷，对仿真结果进行可靠性分析，依据可靠度得到试验对象的工作极限。
本发明参考HASS剖面制定的方法进行剖面构造，然后通过计算剖面下薄弱环节的可靠度来进行剖面的进一步调整，最终确定的剖面是使得所有薄弱环节的可靠度均在指标范围内的剖面，具体步骤如下：
步骤一，少量HALT试验，采用少数样件进行高加速寿命试验，通常包括低温步进应力试验，高温步进应力试验、快速温变试验，随机振动试验，综合环境试验等，将试验对象尽量加载至破坏，观察并记录试验过程及结果，包括试验对象的性能，失效形式等；
步骤二，仿真建模，采用有限元分析软件(如ANSYS等)对试验对象进行实体建模，在建模的过程中对模型进行适当简化，在网格划分时应依据实际HALT试验结果与试验对象特性对应力集中以及易失效部位进行细化，边界条件的定义应参考实际HALT试验的加载方式，为了保证所建模型的正确性，需依据实际HALT试验结果对模型进行修正，对上述建立好的模型按照实际HALT试验的载荷加载方式分别进行仿真分析，通过对比试验结果，对模型进行修正；
步骤三，环境试验仿真。对经过步骤二修正的模型按照HALT试验的一般形式进行加载，分析试验对象的失效形式及破坏部位，参考步骤一中的少量HALT试验结果，确定试验对象的破坏极限；
步骤四，可靠性建模，鉴于可靠性分析方法的多样性，在可靠性建模之前，需要对试验对象的失效模式进行整理统计与分析，试验对象的失效模式可以通过HALT试验与其仿真试验得到。在失效模式分析的基础上，选择合适的可靠性分析模型，常用的有以下几种：分布函数法(包括指数分布，两/三参数威布尔分布，正态分布，对数正态分布等)；应力—强度干涉理论；名义应力法，应力应变法等；
步骤五，工作极限，根据试验对象在不同环境载荷下的具体失效形式，依据步骤四，对危险部位选用相应可靠性分析模型，进行可靠度计算，按照系统分配的可靠度，取其对应的载荷为工作极限。温度工作极限，包括温度上下极限和温变率，温度上下极限由高、低温度步进应力试验仿真结合可靠性分析得到，温变率由快速温变试验仿真结合可靠性分析得到；振动工作极限，包括随机振动的量级及振动时间，由随机振动试验仿真结合可靠性分析得到；
步骤六，确定HASS剖面，一般的HASS试验剖面图是由数个在两个极限温度之间的振动和温度等环境应力综合作用的循环周期构成的；
初始剖面确定，HASS剖面参数包括：上下极限温度、端点温度滞留时间、温变率、振动量级、振动时间长短等，根据工作极限与破坏极限，按照一般工程上的取值方法，得到HASS初始剖面；
最终剖面确定，按照初始剖面的应力形式进行仿真加载，然后计算可靠度，如果试验对象各危险部位的可靠度在其合格率范围内，则确定为最终剖面；反之则调整应力值，重新进行仿真分析与可靠性计算。
下面以一个典型机电组件为试验对象，对方法的使用进行进一步说明。所选用的典型机电组件的外壳是全铝机箱，内置具有放大功能的电路板，通过螺栓连接固定，具体分析过程如下。
步骤一：少量HALT试验，采用5个样件分别低温步进应力试验，高温步进应力试验、快速温变试验，随机振动试验，综合环境试验，试验结果表明机电组件的主要失效形式是元器件性能失效，导线断裂，元器件管脚断裂等；
步骤二：仿真建模。采用有限元分析软件—ANSYS对试验对象进行实体建模，对管脚、焊点等部位进行较细的网格划分，并对比试验结果，对模型进行修正，通过仿真加载在易失效的部位产生应力集中；
步骤三：环境试验仿真，对仿真模型进行随机振动试验、温度步进试验、温度循环试验的仿真，通过仿真得到试验对象的在随机振动应力下的破坏极限为23Grms，温度破坏极限为-100℃～130℃；
步骤四：可靠性建模，通过试验及仿真发现试验对象的主要失效形式是电子元器件失效，缆线失效，元器件管脚失效，分别建立指数分布函数模型，三参数威布尔分布函数模型，应力-强度干涉理论模型；
步骤五：工作极限确定，采用步骤四中建立的可靠性模型，依据仿真分析结果对模型参数分别进行计算，然后计算可靠度，取可靠度0.85对应的载荷为工作极限。则温度工作极限为：范围是-90℃～120℃，温变率是60℃/min；振动工作极限是20Grms；
步骤六：确定HASS剖面，按照工程中初始剖面的一般方法，取初始剖面参数如下：取温度循环的范围为-60℃～90℃，起始温度为室温20℃，温变率为60℃/min，温度循环为2次/循环，随机振动的初始量级为5Grms，最高量级为10Grms，滞留时间为10min，分别计算可靠度为：电子元器件为0.95；电容管脚可靠度为0.99，压线盒管脚可靠度为0.97；缆线可靠度为0.83。进一步调整应力值确定最终剖面参数如下：取温度循环的范围为-50℃～80℃，起始温度为室温20℃，温变率为60℃/min，温度循环为2次/循环，随机振动的初始量级为5Grms，最高量级为10Grms，滞留时间为10min；分别计算可靠度为：电子元器件可靠度为0.994，电容管脚可靠度为0.999，压线盒管脚可靠度为0.993，缆线可靠度为0.997，最终剖面如图2所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法，其特征在于，该结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法包括以下步骤：
步骤一，采用有限元分析软件进行实体建模，按照自底向上建模，通过电阻、电容、电感、集成电路、电气接插件、焊接点、导线连接、机械联接、电路板及机箱，分别处理为线和体等几何形体，并运用布尔运算工具对元器件与电路板、上下电路板间、电路板与机箱的联接进行几何建模；对于焊接在电路板上的元器件支腿进行了特殊处理，使用叉开式的线形模拟其与电路板的联接，网格划分时应依据实际HALT结果与对象特性对应力集中以及易失效部位细化，依据实际HALT结果对模型进行修正，对建立好的模型按照实际HALT的载荷加载方式分别进行仿真分析，通过对比试验结果，找出哪些参数对分析结果影响较大，并分析参数变化对分析结果的影响变化趋势，然后根据应力和变形分布以及应力集中点的应力数值对比，进行参数微调，对模型进行修正；
步骤二，对修正的模型按照HALT试验的进行加载，分析试验对象的失效形式及破坏部位，已经大于屈服极限，在HALT试验中则会表现为部件或组件的性能失效，以此确定试验对象的破坏极限；
步骤三，对对象失效模式进行整理统计与分析，选择可靠性分析模型；
步骤四，对危险部位选用相应可靠性分析模型，进行可靠度计算，按照系统分配的可靠度，取对应的载荷为工作极限；
步骤五，初始剖面确定，HASS剖面参数包括：上下极限温度、端点温度滞留时间、温变率、振动量级、振动时间长短，根据工作极限与破坏极限，参考HASS推荐剖面谱型，对剖面的上述各项参数进行设定，得到HASS初始剖面；
最终剖面确定，按照初始剖面的应力形式进行仿真加载，然后计算可靠度，对象各危险部位的可靠度在合格率范围内，则确定为最终剖面；反之则调整应力值，重新进行仿真分析与可靠性计算。
2.如权利要求1所述的结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法，其特征在于，在采用有限元分析软件进行实体建模之前需要采用少数样件进行高加速寿命试验，通常包括低温步进应力试验，高温步进应力试验、快速温变试验，随机振动试验，综合环境试验，将试验对象尽量加载至破坏，观察并记录试验过程及结果，包括试验对象的性能，失效形式。
3.如权利要求1所述的结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法，其特征在于，所述可靠性建模包括：分布函数法、应力—强度干涉理论、名义应力法、应力应变法。
4.如权利要求1所述的结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法，其特征在于，所述工作极限的温度工作极限和振动工作极限；
温度工作极限包括温度上下极限和温变率；
振动工作极限，包括随机振动的量级及振动时间。
5.一种权利要求1所述采用结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法在机电组件中的应用方法，其特征在于，所述应用方法具体包括以下步骤：
步骤一，对样件分别进行低温步进应力试验，高温步进应力试验、快速温变试验，随机振动试验，综合环境试验，结果表明机电组件的失效形式是元器件性能失效，导线断裂，元器件管脚断裂；
步骤二，仿真建模，采用有限元分析软件对试验对象进行实体建模，对管脚、焊点部位应用有限元软件的网格细分功能，选取需要进行网格细分的部位，设定需要细分的水平参数，在软件中完成网格细化，并对比试验结果，对模型进行修正，通过仿真加载在易失效的部位产生应力集中；
步骤三，环境试验仿真，对仿真模型进行随机振动试验、温度步进试验、温度循环试验的仿真，通过仿真得到试验对象的在随机振动应力下的破坏极限为23Grms，温度破坏极限为-100℃～130℃；
步骤四，可靠性建模，通过试验及仿真发现的失效形式是电子元器件失效，缆线失效，元器件管脚失效，分别建立指数分布函数模型，三参数威布尔分布函数模型，应力-强度干涉理论模型；
步骤五，工作极限与破坏极限确定，通过仿真得到在随机振动应力下的破坏极限为23Grms，采用步骤四中建立的可靠性模型，依据仿真分析结果对模型参数分别进行计算，然后计算可靠度；
步骤六，确定HASS剖面，按照工程中初始剖面的方法，取初始剖面参数如下：取温度循环的范围为-60℃～90℃，起始温度为室温20℃，温变率为60℃/min，温度循环为2次/循环，随机振动的初始量级为5Grms，最高量级为10Grms，滞留时间为10min；分别计算可靠度为：电子元器件为0.95；电容管脚可靠度为0.99，压线盒管脚可靠度为0.97；缆线可靠度为0.83。
6.如权利要求5所述的采用结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法在机电组件的应用，其特征在于，在步骤五中，可靠度0.85对应的载荷为工作极限，则温度工作极限为：范围是-90℃～120℃，温变率是60℃/min；振动工作极限是20Grms。
7.如权利要求5所述的采用结合仿真与可靠性分析高加速应力筛选试验剖面构造方法在机电组件的应用，其特征在于，在步骤六中，调整应力值确定最终剖面参数如下：取温度循环的范围为-50℃～80℃，起始温度为室温20℃，温变率为60℃/min，温度循环为2次/循环，随机振动的初始量级为5Grms，最高量级为10Grms，滞留时间为10min；分别计算可靠度为：电子元器件可靠度为0.994，电容管脚可靠度为0.999，压线盒管脚可靠度为0.993，缆线可靠度为0.997。
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