CN110414087B

CN110414087B - 一种多应力耦合作用下的电子产品寿命评估方法

Info

Publication number: CN110414087B
Application number: CN201910618718.XA
Authority: CN
Inventors: 张昭凤
Original assignee: Beijing Hazt Testing Co ltd
Current assignee: Beijing Hazt Testing Co ltd
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: CN110414087A

Abstract

本发明提供一种多应力耦合作用下的电子产品寿命评估方法，其步骤如下：1，对各个单一环境应力作用下的电子产品进行寿命仿真，分别仿真各个单一环境应力作用下电子产品的寿命；2，基于灰色关联度的方法进行各个环境应力影响因素灵敏度分析，确定不同应力与失效之间的灵敏度因子；3，建立基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型4，根据本发明中提出的基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型对多应力耦合作用下电子产品的寿命进行评估；通过以上步骤，本发明建立了基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型，解决了传统方法在评估多应力下电子产品寿命时无法体现不同应力耦合关系、无法表征不同应力对失效敏感程度的问题。

Description

一种多应力耦合作用下的电子产品寿命评估方法

(一)技术领域

本发明提供了一种多应力耦合作用下的电子产品寿命评估方法，它给出了一种基于灵敏度因子的非线性损伤累积方法来评估多应力耦合作用下的电子产品寿命。本发明从损伤的基本定义出发，建立了一种基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型，该模型在评估电子产品的耦合寿命时既考虑了不同应力之间的耦合关系，又通过引入灵敏度因子参数表征不同应力对失效的贡献程度，属于基于失效物理的可靠性评估技术领域。

(二)背景技术

随着科学技术、经济贸易的迅速发展，随着人类活动空间愈来愈宽阔、自然资源海洋宇宙开发与利用深入，电子产品在贮存、运输、使用的领域从热带到寒带，从平原到高原，从海洋到太空等处处都有其存在，所遇到的各种自然环境和诱发环境愈来愈多、愈来愈复杂、愈来愈严酷。在二种、三种、四种甚至多种环境因素共同作用下造成的耦合失效问题已成为电子产品失效的主要原因。多应力耦合条件下评估电子产品的寿命，目前应用较多的是竞争失效和线性累积损伤法两种方法。

竞争失效是评估多应力条件下电子产品寿命最简单的方法。竞争失效理论认为产品的失效是由一种主失效机理导致的，从而忽略其它次要的失效机理，主失效机理对应的应力即为造成产品失效的主应力。顾名思义，在竞争失效理论中，产品的寿命是由主应力决定的，而与其它应力无关。这种方法在评估多应力下产品寿命时只需要确定产品的主失效机理，从而将多应力下的寿命预计转化为单应力(主应力)寿命预计问题，数学表达式如下：

ζ＝min{ζ₁,ζ₂,...,ζ_n} (1)

式中:ζ为多应力耦合作用下产品的寿命；ζ_n为第n个应力单独作用下产品的寿命；

这种方法虽然简单、方便，但是在实际的工程使用中仍存在较大的局限性。因为在实际工程应用中，很多情况下产品的失效是由多种应力共同造成的，并没有特别明显的主应力，或者同时存在多个主应力，此时竞争失效原理就不再适用。

线性累积伤法可以有效的弥补竞争失效的局限性。线性累积损伤法是在线性累积损伤理论上提出来的，该理论假定损伤是线性累积的。该理论下，产品的耦合寿命与单应力作用的寿命有如下关系：

由上式可知，只要知道每个应力单独作用下的寿命，就可以通过式(2)很方便的计算出多应力耦合作用下产品的寿命。由于其计算简单，精度高于竞争失效的方法，因此是目前多应力耦合作用下寿命评估的主要方法。

然而在实际工程中，多应力条件下，各应力之间是有相互耦合作用的，在导致同一个失效模式时，总的损伤并不是各应力单独作用时损伤的线性叠加，而是存在一定的耦合关系。现有的方法无论是竞争失效原理还是线性叠加原理都无法考虑不同应力之间的耦合关系，也无法考虑不同应力对失效的敏感程度，这种局限性已无法满足多应力耦合作用下电子产品的寿命评估需求。

(三)发明内容

1、发明的目的

现有多应力耦合作用下的电子产品寿命评估主要采用线性累积损伤方法。该方法虽然计算简单，但是无法考虑不同应力之间的相互耦合作用，使得该方法的准确性受到了影响。同时产品在实际失效过程中，往往对不同应力之间的敏感程度是不同的，线性累积损伤也无法将不同应力的敏感程度体现出来。这两个局限性影响了该方法在评估产品耦合寿命时的准确程度。

针对上述问题，本发明给出了一种多应力耦合作用下的电子产品寿命评估方法，该方法提出一种非线性叠加原理来阐述不同应力之间的耦合关系，同时通过引入灵敏度因子这一参数来表征不同应力对失效的贡献程度。该方法在评估多应力耦合作用下产品的寿命时，既能够考虑到不同应力之间的耦合关系，又能够体现不同应力对失效的敏感程度，是一种更科学、合理的方法，旨在为多应力耦合作用下电子产品的寿命评估提供理论和实践的指导。

2、发明的技术方案

本发明提出了一种多应力耦合作用下的电子产品寿命评估方法，它是一种基于灵敏度因子的非线性累积损伤方法来评估多应力耦合作用下的电子产品的寿命。通过非线性的累积损伤方法将不同应力之间的耦合关系表示出来，同时引入灵敏度因子这一参数来表征不同应力对失效的敏感程度，有效的解决了传统线性叠加原理无法体现应力耦合关系、无法表征应力对失效的敏感程度这一局限性。

相较于传统的线性叠加方法，本发明主要包括以下两个创新点：

(1)提出了一种非线性累积损伤模型对耦合应力下电子产品的寿命进行评估；该模型可以有效的阐述不同应力之间的耦合关系，解决了传统线性叠加模型无法考虑不同应力耦合关系这一局限；

(2)在非线性损伤累积模型中引入灵敏度因子参数来表征不同应力对失效的敏感程度，在进行耦合寿命评估时解决了传统线性叠加模型无法考虑不同应力对失效的敏感程度这一局限；

本发明的技术方案：首先对各个单一环境应力进行寿命仿真，分别仿真各个单一应力作用下电子产品的寿命；然后基于灰色关联度的方法进行各个环境应力影响因素灵敏度分析，确定不同应力与失效之间的灵敏度因子；其次提出一种非线性累积损伤模型对不同应力造成的失效进行耦合，同时根据灵敏度因子对模型进行适当修正；产品最后将各个单一应力下的寿命结果输入到模型中，从而评估多应力耦合作用下电子产品的寿命，技术方案流程图如图1所示。

本发明提出一种多应力耦合作用下的电子产品寿命评估方法，其步骤如下，其中步骤1和步骤2为现有方法，目前在工程中已有应用，步骤3和步骤4是本发明提出的创新方法，是针对传统方法局限性的改进。

本发明一种多应力耦合作用下的电子产品寿命评估方法，其步骤如下：

步骤1，对各个单一环境应力作用下的电子产品进行寿命仿真，分别仿真各个单一环境应力作用下电子产品的寿命；

步骤101，进行单一环境应力作用下电子产品的实际工作应力仿真分析；

步骤102，根据应力仿真分析结果进行电子产品的寿命仿真；

步骤2，基于灰色关联度的方法进行各个环境应力影响因素灵敏度分析，确定不同应力与失效之间的灵敏度因子，其详细步骤如下：

步骤201，收集各个环境应力与对应历史时期的应力故障数据；

步骤202，基于灰色关联度的方法计算各应力与失效之间的关联度，确定各应力与失效之间的灵敏度因子；

步骤3，建立基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型，其详细步骤如下：

步骤301，从损伤定义出发，建立非线性累积损伤模型，表明不同应力造成损伤之间的耦合关系；通过推导，本发明建立的非线性累积损伤模型如下式：

步骤302，根据灵敏度因子对非线性累积损伤模型进行修正，来表征不同应力对失效的贡献程度不同；本发明最终建立的基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型如下式：

式中α_i表示第i种应力的灵敏度因子，其物理含义为在多种关键应力综合作用下，第i种应力对失效的贡献程度；

步骤4，根据本发明中提出的基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型对多应力耦合作用下电子产品的寿命进行评估，其详细步骤如下：

步骤401，由步骤1和步骤2确定基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型中的未知参数ζ_n和α_n；

步骤402，确定参数ζ_n和α_n的值后，根据等式(4)进行多应力耦合作用下电子产品的寿命评估；

通过以上步骤，建立了基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型，通过该模型可以对多应力耦合作用下的电子产品进行寿命评估；在基于本发明给出的模型进行耦合应力下电子产品的寿命评估时，既可以考虑不同应力之间的耦合关系，又可以考虑不同应力对失效的敏感程度，解决了传统方法在评估多应力下电子产品寿命时无法体现不同应力耦合关系、无法表征不同应力对失效敏感程度的问题。

其中，在步骤101中所述的“进行单一环境应力下电子产品的实际工作应力仿真分析”，其具体做法如下：建立电子产品的三维模型，根据环境应力剖面进行产品的响应应力分析，相应的分析软件主要是指有限元软件；

其中，在步骤102中所述的“根据应力仿真分析结果进行电子产品的寿命仿真”，其具体做法如下：在寿命预计软件中，将应力仿真结果作为输入，输入到寿命预计模型中，寿命预计主要是基于失效物理的方法，相应的预计软件包括CALCE PWA等。

3、发明的优点及功效

(1)提供了一套完整的多应力耦合作用下电子产品寿命评估方法，为多应力耦合作用下电子产品的寿命评估提供理论指导；

(2)推导出了一种非线性损伤累积模型，可以从损伤本质上阐述不通应力之间的耦合关系，很好的解决了传统线性叠加模型无法体现不同应力之间的耦合作用这一局限性；

(3)建立了基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型，通过灵敏度因子这一参数可以将不同应力对失效的敏感程度表征出来，解决了传统线性叠加原理无法表征不同应力对失效的敏感程度这一局限性

(四)附图说明

图1：本发明技术方案流程图。

(五)、具体实施方式

本发明建立了基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型对多应力耦合作用下电子产品的寿命进行评估。该模型在评估多应力耦合下电子产品的寿命时，既能够考虑不同应力之间的耦合关系，又通过引入灵敏度因子这一参数表征不同应力对失效的敏感程度，为多应力耦合下电子产品的寿命评估提供了理论和实践指导，具体实施方式如下：本发明一种多应力耦合作用下的电子产品寿命评估方法，见图1所示，其步骤如下：

首先对电子产品进行建模，包括应力仿真模型和寿命预计仿真模型。其次，根据应力仿真模型，分别输入各个单一环境应力，仿真电子产品在各个不同环境应力作用下的实际工作应力大小；最后将应力仿真结果分别输入寿命预计仿真模型中，评估单一应力作用下电子产品的寿命。

步骤2，基于灰色关联度的方法进行各个环境应力影响因素灵敏度分析，确定不同应力与失效之间的灵敏度因子；

首先收集对应历史时期内的各个环境应力数据与产品失效率数据；其次采用灰色关联度算法(如T型灰色关联度算法)对统计数据进行标准化；然后根据标准化结果对统计数据进行增量序列的计算；接着根据灰色关联度算法(如T型灰色关联度算法)计算对应历史时期内各应力与失效率之间的关联系数；最后对各应力与失效率之间的关联系数分别取均值，即为灵敏度因子，可以看出灵敏度因子反映的是不同应力对失效的敏感程度。

步骤3，建立基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型；

这一步是本发明的核心点创新点，通过建立非线性累积损伤模型对耦合应力作用下的电子产品寿命进行评估。模型具体推导过程如下：

记电子产品某潜在故障点在应力1作用下造成的损伤记为D₁，在应力2作用下造成的损伤记为D₂。记失效断裂截面的原始面积为S₀，应力1在原始截面上造成的损伤面积为S₁，应力2在原始截面上造成的损伤面积为S₂。根据损伤的定义，显然有如下关系：

i＝1,2,...,n，对应各个不同应力

这里引入微缺陷密度的定义，微缺陷密度定义为某截面上微缺陷的面积与该截面原始面积的比值。因此，应力1单独作用时造成的微缺陷密度为

应力2单独作用时造成的微缺陷密度为

那么应力1和应力2综合作用下的微缺陷总面积S可以表示为：

将上式同时除以原始截面面积S₀，则有：

根据损伤的定义，由式(5)和式(7)联合，可得：

D＝D₁+D₂-D₁D₂ (8)

式(8)即为多应力耦合作用下电子产品的非线性累积损伤模型。

通过式(8)可以看出，应力1和应力2造成的总损伤量并不等于应力1单独作用时造成的损伤与应力2单独作用时造成的损伤的线性叠加，而是一种非线性叠加方式。由式(8)可知，非线性累积损伤模型相较于传统的线性叠加模型多了D₁D₂这一部分。可以看出，D₁D₂表示应力1造成的损伤与应力2造成的损伤在断裂截面上相重叠的部分。显然，该模型相较于传统的线性叠加原理更合理，这是因为当原始截面上某个位置由于应力1造成损伤后，该位置就不会再由应力2造成损伤，因此在计算总损伤量时需要减掉这一重叠部分。而传统的线性叠加原理忽略了损伤相互重叠的部分，会导致计算的总损伤量偏大。本发明推导的非线性损伤累积模型考虑了不同应力共同作用时在损伤相互耦合的作用，解决了传统线性叠加原理无法表征不同应力之间耦合作用这一局限性。

对式(8)进行变形，可得：

(1-D)＝(1-D₁)(1-D₂) (9)

同理，三种应力综合作用下的总损伤量可以表示为：

D＝D₁+D₂+D₃-D₁D₂-D₁D₃-D₂D₃+D₁D₂D₃ (10)

即：

(1-D)＝(1-D₁)(1-D₂)(1-D₃) (11)

那么，n种应力综合作用下的总损伤量为：

(1-D)＝(1-D₁)(1-D₂)...(1-D_n) (12)

记应力i单独作用下的寿命为ζ_i，则时间t后各部分损伤与总损伤有如下关系：

即：

式(14)即为不同应力耦合作用下的寿命评估模型，该模型是一种非线性累积模型。虽然该模型相对于线性叠加方法更合理，但是同线性叠加原理一样，该模型并未考虑不同应力对失效的贡献程度。比如，当某种应力i产生的损伤对失效的贡献程度为0(即灵敏度因子为0)时，那么该应力单独作用下的寿命ζ_i就不会对耦合寿命ζ产生任何影响，显然式(14)无法表征这一特征。

无论是式(14)推导的模型还是传统的线性叠加原理都默认不同应力造成的损伤对失效的贡献程度相同，即灵敏度均为1，显然与实际工程情况不相符。因此，在这里引入灵敏度因子参数来对式(14)进行修正，通过灵敏度因子来表征不同应力对失效的贡献程度。

对式(14)进行化简，则有：

根据灵敏度因子的物理含义对式(15)进行修正。当第i种应力的灵敏度因子α_i＝0时，表示该应力造成的损伤对耦合寿命无影响；当第i种应力的灵敏度因子α_i＝1时，该应力造成的损伤对耦合寿命影响最大。因此基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型如式(16)：

式(16)即本发明推导的基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型。该模型是一种非线性累积损伤模型，一方面可以反映不同应力之间的耦合关系，另一方面可以通过灵敏度因子表征不同应力对耦合寿命的敏感程度，该方法成功的改进了线性叠加原理的局限性。

步骤4，根据本发明中提出的基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型对多应力耦合作用下电子产品的寿命进行评估；

首先由步骤1和步骤2确定基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型中的未知参数ζ_n和α_n；然后将参数ζ_n和α_n代入式(16)中，进行多应力耦合作用下电子产品的寿命评估。

以某电源模块为例，进行基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型应用方法的进一步解释说明。某电源模块在服役中的主要环境应力为温度和振动应力，下面进行某电源模块温度-振动耦合应力下的寿命评估。

首先分别仿真单一温度应力和单一振动应力作用下某电源模块的寿命。由于仿真得到大量的数据可以用来评估某电源模块的寿命分布，为了便于数据描述，以一组数据为例，只给出某一次仿真下的某电源模块寿命数据。在前期某一次仿真中，温度应力下的某电源模块寿命为59500h，振动应力下的某电源模块寿命为62300h。

通过对某电源模块过去某段历史时期内温度-振动环境应力和失效率数据的收集整理，采用T型灰色关联度算法计算出温度应力和振动应力的灵敏度因子。根据计算得出温度应力下的灵敏度因子为0.56，振动应力下的灵敏度为0.5，即在温度-应力耦合作用下，温度应力对失效的敏感程度大于振动应力对失效的敏感程度。

记温度应力下某电源模块的寿命为ζ₁，对应的灵敏度因子为α₁；振动应力下某电源模块的寿命为ζ₂；对应的灵敏度因子为α₂，那么由式(16)即可以对温度-振动应力耦合下某电源模块的寿命进行评估，温度-振动应力耦合作用下的某电源模块寿命为57800h。

可以看出，本发明提出的方法在评估多应力耦合作用下的电子产品寿命时，既可以考虑不同应力之间的耦合关系，又可以表征不同应力对失效的贡献程度，是一种更科学、合理的方法。

Claims

1.一种多应力耦合作用下的电子产品寿命评估方法，其特征在于：其步骤如下：

步骤102，根据应力仿真分析结果进行电子产品的寿命仿真；

步骤301，从损伤定义出发，建立非线性累积损伤模型，表明不同应力造成损伤之间的耦合关系；通过推导，建立的非线性累积损伤模型如下式：

步骤302，根据灵敏度因子对非线性累积损伤模型进行修正，来表征不同应力对失效的贡献程度不同；最终建立的基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型如下式：

步骤4，根据提出的基于灵敏度因子的非线性累积损伤模型对多应力耦合作用下电子产品的寿命进行评估，其详细步骤如下：

在步骤101中所述的“进行单一环境应力下电子产品的实际工作应力仿真分析”，其具体做法如下：建立电子产品的三维模型，根据环境应力剖面进行产品的响应应力分析，相应的分析软件是指有限元软件；

在步骤102中所述的“根据应力仿真分析结果进行电子产品的寿命仿真”，其具体做法如下：在寿命预计软件中，将应力仿真结果作为输入，输入到寿命预计模型中，寿命预计是基于失效物理的方法，相应的预计软件包括CALCE PWA。