CN108920759A - 面向电子产品可靠性物理综合仿真分析的数据集成方法 - Google Patents
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Abstract
一种面向电子产品可靠性物理综合仿真分析的数据集成方法，其步骤如下：1)根据电子产品情况收集其相关数据信息。2)根据收集的电子产品信息，建立电子产品的电路板CAD模型，并将其中的PCB信息、元器件信息分别存储于数据库。3)根据电子产品的使用信息，建立寿命周期剖面或者载荷剖面。4)基于电路板CAD模型，应用计算流体力学程序对其进行热分析计算。5)基于电路板CAD模型，应用有限元分析程序对其进行振动分析计算。6)开展故障预计，综合利用上述结果信息，实现元器件的首发故障时间预计。7)开展可靠性评估，利用故障预计结果信息，实现电子产品可靠性评价。本方法可以将CAD工具、CFD工具和FEA工具进行集成，在计算机仿真技术和手段的辅助下，结合故障物理方法对电子产品进行可靠性评价，实现了数字化研制环境下产品性能与可靠性的一体化设计。
Description
所属技术领域
本发明提供了一种面向电子产品可靠性物理综合仿真分析的数据集成方法，它适用于在复杂电子产品设计阶段，利用先进的计算机仿真技术和手段，对影响产品可靠性的主要环境因素(如热、振动等)进行综合分析，同时结合领先的故障物理(PoF)方法对产品的首发故障时间(TTF)及可靠性进行评价，进一步采取设计改进措施，可以从根本上提高电子产品的可靠性水平。本发明属于可靠性与系统工程领域。
背景技术
在计算机仿真技术和手段的辅助下，结合故障物理方法对电子产品进行可靠性评价是可靠性技术领域的最新发展趋势，体现了工程实际的未来发展。然而，目前工程实际中尚无统一的工具手段辅助开展上述分析工作，只能应用一系列的软件工具分别开展，如利用ANSYS等FEA工具开展振动分析，利用FLOTHERM 等CFD工具开展热分析，再利用故障物理模型及相关算法实现首发故障时间和可靠性的评价。可见，应用故障物理方法开展相关工作，要求产品设计分析人员掌握多方面的专业知识和相关软件工具的操作，进而制约了该方法在工程实际中的应用效果。为了顺应各领域数据集成的趋势，有必要将FEA和CFD工具与基于故障物理的可靠性评价过程进行集成处理，从而实现数字化研制环境下电子产品性能与可靠性的一体化设计，提高产品的可靠性。
发明内容
本发明提供了一种面向电子产品可靠性物理综合仿真分析的数据集成方法，目的是综合应用电子产品设计信息、FEA和CFD仿真分析结果以及故障物理模型，降低综合仿真分析难度，避免跨平台的数据交互，实现同一平台下的可靠性综合仿真分析工作。该方法首先构建了电子产品可靠性综合仿真分析框架，进而通过各分析模块间的协同作用，最终实现电子产品的可靠性评价。
本发明一种面向电子产品可靠性综合仿真分析的数据集成方法，该发明的具体步骤如图1所示，说明如下：
步骤1：根据电子产品设计情况收集相关数据信息，包括PCB设计信息、材料信息、元器件信息、使用条件信息等相关数据。其中，详细的信息分类如图2 所示，需要明确电子产品的整体结构信息，及其组成部分的详细信息。
表1详细收集数据信息
步骤2：根据收集的电子产品设计信息，建立电子产品的电路板CAD模型，并将其中的PCB设计信息、元器件信息分别存储于数据库。其中，需要根据所收集的信息，进行信息整理，明确关键信息，进而制定相关的数据字段表，包括板层数据字段表、元器件封装数据字段表、焊点数据字段表，然后以可扩展标签语言(XML)标准格式储存为XML数据文件以实现后续模块中的数据调用。其中， PropertyData property＝‘xxx’中的“xxx”为相应信息的属性信息，如材料信息中的密度。其他相应的字段，可以根据实际情况填充相应的数值或者字符。
上述XML文件中的“xxx”可以用表1中相应的字段信息进行填充，进而将对应的字段的数值信息进行储存。
步骤3：根据电子产品的使用信息，建立寿命周期剖面或者载荷剖面，主要是明确产品在全寿命周期中经历的各任务阶段时间及对应的环境条件，同样以 XML格式表示其数据字段，保证产品建模数据的统一管理。其中，PropertyData property＝‘xxx’中的“xxx”为相应信息的属性信息，如使用信息中的任务时间。其他相应的字段，可以根据实际情况填充相应的数值或者字符。
步骤4：基于电路板CAD模型，应用计算流体力学程序对其进行热分析计算。其中热分析计算的执行需要依托于三个部分，即数据接口组件、计算流体力学程序及显示控件。通过数据接口组件，将电路板CAD模型、热分析条件信息读取到计算流体力学程序中，进行电路板的热仿真计算，并生成XML结果文件，最后通过数据接口组件读取热仿真分析结果，将分析结果通过显示控件显示。
以上所述的数据接口组件，主要分为数据输入接口组件和结果输出接口组件，是本发明的核心之一。数据接口组件的算法流程如图3所示。
该数据读取方法首先从步骤2和步骤3中读取产品建模数据、寿命剖面及载荷数据。在数据输入接口组件读取产品建模数据时，首先读取产品大类节点信息(即 PCB设计信息、材料信息、元器件信息和使用条件信息)，在此基础上使用递归算法读取完整的产品结构信息，并生成stl文件。在读取寿命剖面及载荷数据时，可直接调用步骤3中生成的XML文件。将上述stl文件和XML文件传递给计算流体力学程序，结合热分析设置条件开展热仿真分析计算，在完成热仿真分析后，生成XML结果文件，结果输出接口组件读取该结果文件，将分析结果通过显示控件显示。
步骤5：基于电路板CAD模型，应用有限元分析程序对其进行振动分析计算。其中振动分析计算的执行需要依托于三个部分，即数据接口组件、有限元分析程序及显示控件。通过数据接口组件，将电路板CAD模型、振动分析条件信息读取到有限元分析程序中，进行电路板的振动仿真计算，并生成XML结果文件，最后通过数据接口组件读取振动仿真分析结果，将分析结果通过显示控件显示。
以上所述的数据接口组件，主要分为数据输入接口组件和结果输出接口组件，是本发明的核心之一。数据接口组件的算法流程如图4所示。
该数据读取方法首先从步骤2和步骤3中获取产品建模数据、寿命剖面及载荷数据。在数据输入接口组件读取产品建模数据时，首先读取产品大类节点信息(即 PCB设计信息、材料信息、元器件信息和使用条件信息)，在此基础上使用递归算法读取完整的产品结构信息，并生成stl文件。在读取寿命剖面及载荷数据时，可直接调用步骤3中生成的XML文件。将上述stl文件和XML文件传递给有限元分析程序，结合振动分析设置条件开展振动仿真分析计算，在完成振动仿真分析后，生成XML结果文件，结果输出接口组件读取该结果文件，将分析结果通过显示控件显示。
步骤6：开展故障预计，综合利用上述结果信息，实现元器件的首发故障时间预计。其中，故障预计的执行需要依托于三个部分，即数据接口组件、计算求解程序及显示控件。通过数据接口组件，将电路板CAD模型、寿命剖面及载荷数据、热分析结果、振动分析结果读取到计算求解程序中，应用故障物理模型进行元器件的首发故障时间的计算，并生成XML结果文件，最后通过数据接口组件读取故障预计结果，将分析结果通过显示控件显示。
以上所述的数据接口组件及计算求解程序是本发明的核心之一。该算法流程如图5所示。
该数据读取方法首先从步骤2-5中获取产品建模数据、寿命剖面及载荷数据、热分析结果、振动分析结果。在数据输入接口组件读取数据时，可直接读取步骤 2-5生成的XML文件。将上述XML文件传递给计算求解程序，结合故障预计分析设置条件及故障物理模型开展故障预计计算，生成XML结果文件，结果输出接口组件读取该结果文件，将分析结果通过显示控件显示。
步骤7：开展可靠性评估，利用故障预计结果信息，实现电子产品可靠性评价。其中，可靠性评估的执行需要依托于三个部分，即数据接口组件、计算求解程序及显示控件。通过数据接口组件，将元器件故障预计结果读取到计算求解程序中，进行电路板的平均故障间隔时间计算，并生成XML结果文件，最后通过数据接口组件读取结果文件，将分析结果通过显示控件显示。
以上所述的数据接口组件及计算求解程序是本发明的核心之一。算法流程如图6所示。
该数据读取方法首先从步骤6中获取元器件故障预计结果。在数据输入接口组件读取故障预计结果时，可直接读取步骤6中生成的XML结果文件。将该XML 文件传递给计算求解程序，，结合可靠性评估设置条件开展可靠性评估计算，生成XML结果文件，结果输出接口组件读取该结果文件，将分析结果通过显示控件显示。
附图说明
图1为本发明中面向电子产品可靠性综合仿真分析的数据集成方法的整体架构
图2信息数据收集分类示意图
图3热分析数据传递算法示意图
图4振动分析数据传递算法示意图
图5故障预计数据传递算法示意图
图6可靠性评估数据传递算法示意图
具体实施方式
以某型应变测试仪电路板模块产品为例，对本发明面向电子产品可靠性物理综合仿真分析的数据集成方法进行说明，该方法的流程框图如图1所示，说明具体实施步骤如下：
步骤1：收集某型应变测试仪相关的设计信息，部分元器件信息、材料信息、使用条件信息分别如表1、表2、表3、表4所示。
表1元器件信息(部分)
表2材料信息
| 密度/kg·m-3 | 杨氏模量/MPa | 泊松比 | |
| 铜 | 8900 | 1.21E+5 | 0.345 |
| 环氧树脂FR4 | 1938 | 1.72E+4 | 0.11 |
| 环氧树脂E51-618 | 1200 | 1E+3 | 0.38 |
表3热环境条件
| 热参数 | 数值 |
| 换热系数 | 5W/m2·K |
| 环境温度 | 25℃ |
表4振动环境条件
| 频率/Hz | 功率谱密度/G2/Hz | |
| 1 | 20 | 1E-2 |
| 2 | 100 | 1E-2 |
| 3 | 500 | 2E-2 |
| 4 | 1000 | 2E-2 |
| 5 | 2000 | 1E-3 |
步骤2：根据收集的电子产品信息，建立电子产品的电路板三维模型，并将其中的PCB信息、元器件信息分别存储于数据库。应用Windows Presentation Foundation(WPF)框架对上述数据进行定义界面，建立数据库。通过对大量数据进行分析整理，给出适用于一般情况下的数据字段表，部分元器件信息数据字段如表5所示。将收集的电子产品信息输入到对应的字段下，应用数据库进行数据存储，以备后续应用。
表5元器件数据字段
| 序号 | 参数名称 |
| 1 | 器件名称 |
| 2 | 器件类型 |
| 3 | 封装类型 |
| 4 | 封装名称 |
| 5 | 器件长度 |
| 6 | 器件宽度 |
| 7 | 器件厚度 |
| 8 | 器件重量 |
| 9 | 引脚数量 |
| 10 | 组装间隙高度 |
| 11 | 焊点高度 |
| 12 | 焊锡熔合区面积 |
| 13 | 器件最高温度 |
| 14 | 最大热阻 |
| 15 | X坐标 |
| 16 | Y坐标 |
步骤3：根据电子产品的使用信息，建立寿命周期剖面或者载荷剖面。应用 WPF框架对上述数据进行定义界面，建立数据库。其中，将步骤1收集到的热环境条件信息和振动环境条件信息输入到数据库中进行数据存储，以备后续应用。
步骤4：基于电路板CAD模型，应用计算流体力学程序对其进行热分析计算。其中，步骤4所述的数据接口组件依托C#语言进行开发，在数据输入接口组件读取产品建模数据时，首先读取产品大类节点信息(即PCB设计信息、材料信息、元器件信息和使用条件信息)，在此基础上使用递归算法读取完整的产品结构信息，并生成stl文件。在读取寿命剖面及载荷数据时，可直接调用步骤3中生成XML 文件。将上述stl文件和XML文件传递给计算流体力学程序，结合热分析设置条件应用计算流体力学程序开展热仿真分析计算，在完成热仿真分析后，生成XML 结果文件，结果输出接口组件读取该结果文件，将其通过显示控件进行热仿真分析结果的显示。上述涉及到的数据输入接口组件如下：
1)GetXEleProductStru：获取当前待分析产品的产品结构信息；
2)GetXEleComponentData：获取当前产品对应的元器件数据；
3)GetXEleSubstrateData：获取当前产品对应的板层数据；
4)GetXEleLoadData：获取当前产品对应的载荷数据；
5)GetXEleHeatPara：获取当前产品对应的热分析条件参数；
结果输出接口组件主要由XML解析模块组成，主要功能是执行XML对象的解析操作，将计算结果提供给显示控件进行结果显示，结果输出接口组件包含的接口如下：
1)IComponentConseq：获取当前产品对应的元器件热分析结果；
2)ISubstrateConseq：获取当前产品对应的板层热分析结果；
3)IFluentConseq：获取当前产品对应的流体域热分析结果。
步骤5：基于电路板CAD模型，应用有限元分析程序对其进行振动分析计算。其中，步骤5所述的数据接口组件依托C#语言进行开发，在数据输入接口组件读取产品建模数据时，首先读取产品大类节点信息(即PCB设计信息、材料信息、元器件信息和使用条件信息)，在此基础上使用递归算法读取完整的产品结构信息，并生成stl文件。在读取寿命剖面及载荷数据时，可直接调用步骤3中生成XML 文件。将上述stl文件和XML文件传递给有限元分析程序，结合振动分析设置条件应用有限元分析程序开展振动仿真分析计算，在完成振动仿真分析后，生成 XML结果文件，结果输出接口组件读取该结果文件，将其通过显示控件进行振动仿真分析结果的显示。上述涉及到的数据输入接口组件如下：
1)GetXEleProductStru：获取当前待分析产品的产品结构信息；
2)GetXEleComponentData：获取当前产品对应的元器件数据；
3)GetXEleSubstrateData：获取当前产品对应的板层数据；
4)GetXEleLoadData：获取当前产品对应的载荷数据；
5)GetXEleModalPara：获取当前产品对应的模态分析条件参数；
6)GetXEleRamdonVibPara：获取当前产品对应的随机振动分析条件参数；
7)GetXEleImpactPara：获取当前产品对应的冲击分析条件参数；
8)GetXEleHarmonyVibPara：获取当前产品对应的谐振动分析条件参数；
结果输出接口组件主要由XML解析模块组成，主要功能是执行XML对象的解析操作，将计算结果提供给显示控件进行结果显示，结果输出接口组件包含的接口如下：
1)IComponentModalConseq：获取当前产品对应的元器件模态分析结果。
2)ISubstrateModalConseq：获取当前产品对应的板层模态分析结果；
3)IComponentRamdonVibConseq：获取当前产品对应的元器件随机振动分析结果。
4)ISubstrateRamdonVibConseq：获取当前产品对应的板层随机振动分析结果；
5)IComponentImpactConseq：获取当前产品对应的元器件冲击分析结果。
6)ISubstrateImpactConseq：获取当前产品对应的板层冲击分析结果；
7)IComponentHarmonyVibConseq：获取当前产品对应的元器件谐振动分析结果；
8)ISubstrateHarmonyVibConseq：获取当前产品对应的板层谐振动分析结果；
步骤6：开展故障预计，综合利用上述结果信息，实现元器件的首发故障时间预计。其中，步骤6所述的数据接口组件及计算求解程序依托C#语言进行开发，通过数据接口组件，步骤2-5生成的XML文件读取到计算求解程序中，应用故障物理模型进行元器件的首发故障时间的计算，并生成XML结果文件，结果输出接口组件读取该结果文件，将其通过显示控件进行故障预计结果的显示。上述涉及到的数据输入接口组件如下：
1)GetXEleProductStru：获取当前待分析产品的产品结构信息；
2)GetXEleComponentData：获取当前产品对应的元器件数据；
3)GetXEleSubstrateData：获取当前产品对应的板层数据；
4)GetXEleProfileData：获取当前产品对应的剖面数据；
5)GetXEleHeatConseq：获取当前产品对应的热分析结果；
6)GetXEleRamdonVibConseq：获取当前产品对应的随机振动分析结果；
7)GetXEleFailurePara：获取当前产品对应的故障预计条件参数。
结果输出接口组件主要由XML解析模块组成，主要功能是执行XML对象的解析操作，将计算结果提供给显示控件进行结果显示，结果输出接口组件包含的接口如下：
IComponentFailureConseq：获取当前产品对应的元器件故障预计结果。
步骤7：开展可靠性评估，利用故障预计结果信息，实现电子产品可靠性评价。其中，步骤7所述的数据接口组件及计算求解程序依托C#语言进行开发。通过数据接口组件，将步骤6生成的元器件故障预计结果XML文件传递给计算求解程序，结合可靠性评估设置条件开展可靠性评估计算，生成XML结果文件，结果输出接口组件读取该结果文件，将其通过显示控件进行故障预计结果的显示。上述涉及到的数据输入接口组件如下：
1)GetXEleFailureConseq：获取当前产品对应的元器件故障预计结果；
2)GetXEleFailurePara：获取当前产品对应的可靠性评估条件参数。
结果输出接口组件主要由XML解析模块组成，主要功能是执行XML对象的解析操作，将计算结果提供给显示控件进行结果显示，结果输出接口组件包含的接口如下：
IComponentEvaluationConseq：获取当前产品对应的元器件故障预计结果。
Claims (1)
1.一种面向电子产品可靠性物理综合仿真分析的数据集成方法，主要包含以下7个步骤：
步骤1：根据电子产品情况收集其相关数据信息，包括PCB设计信息(包括PCB长度、PCB宽度、PCB厚度、通孔直径、嵌入物尺寸)、材料信息(包括密度、泊松比、弹性模量、剪切模量、熔点、屈服强度、断裂强度、热膨胀系数、热导率、比热容、电阻率、导电率)、元器件信息(包括型号、器件类型、器件长度、器件宽度、器件高度、中心X坐标信息、中心Y坐标信息、封装材料、重量、工作温度)、使用条件信息(包括外界温度、频率、功率谱密度、任务时间)。
步骤2：根据收集的电子产品信息，建立电子产品的电路板CAD模型，并将其中的PCB设计信息、元器件信息分别存储于数据库。其中，需要根据所收集的信息，进行信息整理，明确关键信息，进而制定相关的数据字段表，包括板层数据字段表、元器件封装数据字段表、焊点数据字段表，然后以可扩展标签语言(XML)标准格式储存为XML数据文件以实现后续模块中的数据调用。其中，PropertyData property＝‘xxx’中的“xxx”为相应信息的属性信息，如材料信息中的密度。其他相应的字段，可以根据实际情况填充相应的数值或者字符。
步骤3：根据电子产品的使用信息，建立寿命周期剖面或者载荷剖面，主要是明确产品在全寿命周期中经历的各任务阶段时间及对应的环境条件，同样以XML格式表示其数据字段，保证产品建模数据的统一管理。其中，PropertyData property＝‘xxx’中的“xxx”为相应信息的属性信息，如使用信息中的任务时间。其他相应的字段，可以根据实际情况填充相应的数值或者字符。
步骤4：基于电路板CAD模型，应用计算流体力学程序对其进行热分析计算。其中热分析计算的执行需要依托于三个部分，即数据接口组件、计算流体力学程序及显示控件。通过数据接口组件，将电路板CAD模型、热分析条件信息读取到计算流体力学程序中，进行电路板的热仿真计算，并生成XML结果文件，最后通过数据接口组件读取热仿真分析结果，将分析结果通过显示控件显示。
该数据读取方法首先从权利要求书中的步骤2-3中获取产品建模数据、寿命剖面及载荷数据。在数据输入接口组件读取产品建模数据时，首先读取产品大类节点信息(即PCB设计信息、材料信息、元器件信息和使用条件信息)，在此基础上使用递归算法读取完整的产品结构信息，并生成stl文件。在读取寿命剖面及载荷数据时，可直接调用权利要求书中步骤3生成的XML文件。将上述stl文件和XML文件传递给计算流体力学程序，结合热分析设置条件开展热仿真分析计算，在完成热仿真分析后，生成XML结果文件，结果输出接口组件读取该结果文件，将分析结果通过显示控件显示。
步骤5：基于电路板CAD模型，应用有限元分析程序对其进行振动分析计算。其中振动分析计算的执行需要依托于三个部分，即数据接口组件、有限元分析程序及显示控件。通过数据接口组件，将电路板CAD模型、振动分析条件信息读取到有限元分析程序中，进行电路板的振动仿真计算，并生成XML结果文件，最后通过数据接口组件读取振动仿真分析结果，将分析结果通过显示控件显示。
该数据读取方法首先从权利要求书中的步骤2-3中获取产品建模数据、寿命剖面及载荷数据。在数据输入接口组件读取产品建模数据时，首先读取产品大类节点信息(即PCB设计信息、材料信息、元器件信息和使用条件信息)，在此基础上使用递归算法读取完整的产品结构信息，并生成stl文件。在读取寿命剖面及载荷数据时，可直接调用权利要求书中步骤3生成的XML文件。将上述stl文件和XML文件传递给有限元分析程序，结合振动分析设置条件开展振动仿真分析计算，在完成振动仿真分析后，生成XML结果文件，结果输出接口组件读取该结果文件，将分析结果通过显示控件显示。
步骤6：开展故障预计，综合利用上述结果信息，实现元器件的首发故障时间预计。其中，故障预计的执行需要依托于三个部分，即数据接口组件、计算求解程序及显示控件。通过数据接口组件，将电路板CAD模型、寿命剖面及载荷数据、热分析结果、振动分析结果读取到计算求解程序中，应用故障物理模型进行元器件的首发故障时间的计算，并生成XML结果文件，最后通过数据接口组件读取故障预计结果，将分析结果通过显示控件显示。
该数据读取方法首先从权利要求书中的步骤2-5中获取产品建模数据、寿命剖面及载荷数据、热分析结果、振动分析结果。在数据输入接口组件读取数据时，可直接读取权利要求书中步骤2-5生成的XML文件。将上述XML文件传递给计算求解程序，结合故障预计分析设置条件及故障物理模型开展故障预计计算，生成XML结果文件，结果输出接口组件读取该结果文件，将分析结果通过显示控件显示。
步骤7：开展可靠性评估，利用故障预计结果信息，实现电子产品可靠性评价。其中，可靠性评估的执行需要依托于三个部分，即数据接口组件、计算求解程序及显示控件。通过数据接口组件，将元器件故障预计结果读取到计算求解程序中，进行电路板的平均故障间隔时间计算，并生成XML结果文件，结果输出接口组件读取该结果文件，将分析结果通过显示控件显示。
该数据读取方法首先从权利要求书中的步骤6获取元器件故障预计结果。在数据输入接口组件读取故障预计结果时，可直接读取权利要求书中步骤6中生成的XML结果文件。将该XML文件传递给计算求解程序，结合可靠性评估设置条件开展可靠性评估计算，生成XML结果文件，结果输出接口组件读取该结果文件，将分析结果通过显示控件显示。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20181130 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |