CN112115629B - 一种结合应力仿真的整机加速贮存试验设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种结合应力仿真的整机加速贮存试验设计方法，首先分析预期贮存环境对整机产品贮存可靠性的影响，确定影响较大的敏感应力种类及可能的贮存失效模式，其次通过应力仿真的方法，分析确定整机产品在该应力下的应力响应情况，由此可预测产品的贮存薄弱环节，可作为试验研究对象，并在贮存失效机理不变的前提下，确定产品可承受的最大应力载荷，同时结合该应力下的加速模型或该贮存薄弱环节组成材料的S‑N曲线，根据产品在不同应力水平下仿真得到的应力响应结果对相应寿命进行预测比较，即可得到加速因子。通过以上步骤本发明可对加速贮存试验的设计提供准确的输入信息。
Description
技术领域
本发明属于整机贮存试验设计领域，特别是一种结合应力仿真的整机加速贮存试验设计方法。
背景技术
贮存寿命是导弹等武器装备的一项重要战技指标，对这类具备长贮特性的装备进行准确地贮存定寿或延寿具有重要的战略意义。目前对贮存寿命指标的试验验证主要有自然贮存和加速贮存两种方法，自然贮存是对弹药产品在典型自然环境下长期贮存时性能指标的变化进行监测，并根据一定的判据来确定产品的贮存寿命，这种方法数据真实可靠，但也存在着试验周期长、成本高、预测性不强等缺点，而加速贮存试验则通过加大应力水平来加速产品失效，在短时间内即可达到长时间自然贮存的效果，由此可在设计研制阶段就摸清产品贮存性能的变化规律，验证产品的贮存寿命能否满足规定的指标要求，该方法已成为贮存可靠性指标验证的重要手段。
在对整机产品实施加速贮存试验时，由于产品面临的贮存环境应力种类多，而且系统组成又比较复杂，因此，引起产品发生贮存失效的因素或机理十分复杂，在试验设计时，如果对贮存环境应力与贮存失效之间的内在联系与机理研究得不够透彻，简单仓促地借鉴其他产品的试验经验或标准手册，所设计的试验可能不能反映产品的实际情况，得到的试验结果的准确性也难以保证，尤其是在试验薄弱环节的分析、试验应力水平的选取、试验加速因子的确定等加速试验设计的重点环节，需具备充分的研究基础。
而目前国内在各类整机产品加速贮存试验的研究，对上述试验设计的几个重点环节，大多是依靠设计人员的历史经验、或借鉴其他相似产品的贮存信息、或根据产品组成零部件的特性分析等方法，存在着经验主观性强、受借鉴对象的影响大、零部件的特性不能完全替代整机产品的特性等固有缺陷，尤其是在加速因子的确定上，绝大多数均是采用参照通用标准与手册的做法，如温度加速依据GJB/Z 108A《电子设备在非工作状态可靠性预计手册》中元器件在不同温度下的失效率数据(如期刊张生鹏，王晓红，李晓钢.电子整机加速贮存试验方案设计[J].质量与可靠性，2011(2)：24-29.；李敏伟，傅耘，王丽，程丛高，蔡良续.加速贮存寿命试验设计方法研究[J].装备环境工程，2014,11(4)：58-64；以及中国专利CN201810450756.4)或活化能(如期刊向刚，苗静，邱丰.航天电子产品贮存期评估方法研究[J].电子测量技术，2017,40(1)：1-5.)，振动加速则依据GJB 150.16A《军用装备实验室环境试验方法——第16部分：振动试验》中运输振动试验谱与运输里程的折算(如中国专利CN201510359994.0)，以上方法均不是从整机产品本身的设计特点及其所处的特定贮存环境出发，来研究确定上述信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结合应力仿真的整机加速贮存试验设计方法，采取了整机产品应力仿真的方法，获得其在所处贮存环境下的应力响应，以确定产品的潜在薄弱环节、应力响应水平等，为加速贮存试验的设计提供准确的输入信息。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种结合应力仿真的整机加速贮存试验设计方法，包括以下步骤：
步骤1、对该整机的贮存环境分析，确定加速贮存试验应力种类：
分析预期贮存环境对整机产品贮存可靠性的影响，确定在整个贮存寿命周期T内，影响较大的敏感应力种类及可能的贮存失效模式；
步骤2、通过应力仿真确定贮存薄弱环节：
对该整机开展敏感应力下的有限元仿真，预测产品的贮存薄弱环节；将该薄弱环节作为整机加速贮存试验时的重点考核对象及贮存寿命定量评估时的基准；
步骤3、通过应力仿真确定试验应力水平范围：
采用应力仿真的方法分析整机在不同应力水平下该薄弱环节可承受的最大应力载荷，在响应水平达到强度极限时，所对应的仿真加载应力水平Gmax作为后续开展加速贮存试验的上限；实际贮存环境下的应力水平G1作为加速贮存试验的下限，即开展加速贮存试验时所选取的应力水平在(G1，Gmax)区间内；
步骤4、通过应力仿真确定试验加速因子，以确定试验时间：
将薄弱环节的加速因子视为整机的加速因子，分别仿真得到整机在实际贮存环境应力水平G1与预设加载试验应力水平G2(G1＜G2＜Gmax)下薄弱环节处的应力响应水平S1与S2，并根据薄弱环节的材料疲劳S-N曲线，可查得其在上述两种应力水平下的疲劳循环次数N1与N2，从而得到整机的加速因子AF＝N1/N2，或根据对应失效机理的加速模型计算得出两种应力水平的加速因子AF，从而可根据加速因子得到加速贮存试验时间t＝T/AF；
步骤5、根据步骤3得到的试验应力水平范围和步骤4得到的试验时间t，可完成该整机的加速贮存试验设计，并进行整机加速试验。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
本发明为解决整机产品在加速贮存试验设计时所面临的贮存薄弱环节分析、试验应力水平选取、加速因子计算等技术难点，采取了不同于以往借鉴历史相似产品、专家主观经验、参照标准手册等方法，而通过应力仿真的技术手段来避免了上述方法存在的主观性强、受借鉴对象影响大、标准手册不适用等不足，本发明从产品的具体特点出发，考虑到了产品的材料特性、生产工艺、贮存环境等因素，基于产品应力仿真的结果来得知产品在特定应力下的应力集中点、所能承受的最大应力水平以及不同应力水平下的加速因子，使得在开展加速贮存试验设计时，上述技术细节的确定更具有针对性、科学性与准确性。
附图说明
图1为本发明方法的总体流程图。
图2(a-b)分别为实施例1中电子整机在运输振动下的应力响应云图及局部放大图。
图3为实施例1薄弱元器件焊点材料疲劳S-N曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
实施例1
某新研弹载电子整机的寿命剖面包括库房贮存、转场运输、战备值班等多种任务剖面，所面临的贮存环境存在着温度、湿度、振动、冲击等各种应力，其实际贮存方式是随整弹放置于充干燥氮气的密封筒内，现需对其开展加速贮存试验以验证其贮存可靠性水平。结合图1，针对该整机的加速贮存试验设计方法，包括以下步骤：
步骤1、对该整机的贮存环境分析确定加速贮存试验应力种类：
通过对其贮存环境的影响分析，可以发现，由于该整机贮存时采取了充氮保护措施，一方面隔绝了空气可防止湿气、盐分等腐蚀介质的侵蚀，另一方面由于氮气的隔热作用，具有较大的传热阻尼，产品受温度变化的影响较小。因此，对贮存可靠性影响较大的环境应力主要是其在每年一次转运值班过程中的运输振动，可能会造成接插件、元器件焊点等振动疲劳损伤。
因此，在整个贮存寿命周期T内，确定振动应力是造成该电子整机发生贮存失效的主要环境应力，即认为是需重点考虑的贮存敏感应力，该应力可用于对整机开展加速贮存试验时的试验环境应力。
步骤2、通过应力仿真确定贮存薄弱环节：
对该整机开展振动应力下的有限元仿真，分析其在一定的振动载荷下的结构响应，确定产品组成中存在着应力集中点的元器件或零部件，仿真结果如图2a所示，可以看出某元器件管脚焊点处的应力最大(图2b)，即可认为在所有元器件焊点的焊接工艺与材料一致的情况下，该处焊点是该电子整机在振动应力下的贮存薄弱环节。
步骤3、通过应力仿真确定试验应力水平范围：
为保证在加速贮存试验过程中产品失效机理不发生改变，以往均采用摸底试验的方式进行，而在本发明中，采用应力仿真的方法分析电子产品在不同振动应力水平下的焊点响应水平，在响应水平达到焊点材料强度极限时，所对应的仿真加载振动应力水平Gmax作为后续开展加速贮存试验的上限，而其实际运输环境下的振动应力水平G1作为加速贮存试验的下限，即开展加速贮存试验时所选取的应力水平应在(G1，Gmax)区间内。
步骤4、通过应力仿真确定试验加速因子，以确定试验时间：
为确定后续加速贮存试验过程中的加速因子，本发明避免了以往不考虑产品特点与实际运输环境，而简单套用标准中运输振动试验谱与运输距离折算关系的做法。
根据竞争失效原理，将上述元器件焊点在振动应力下的加速因子视为该电子整机的加速因子，由此分别仿真得到产品在实际运输应力水平谱G1与预设振动应力水平G2(G1＜G2＜Gmax)下焊点处的应力响应水平S1与S2，并根据焊点材料的疲劳S-N曲线(如图3)，可查得焊点在上述两种振动应力水平下的疲劳循环次数N1与N2，由此可获得电子整机的振动加速因子AF＝N1/N2。根据振动加速因子得到振动试验时间t＝T/AF。
步骤5、根据步骤3得到的试验应力水平范围和步骤4得到的试验时间，进行整机振动加速试验。
综上所述，本实施例从该电子整机的实际贮存环境出发，分析确定了影响其贮存可靠性的敏感应力，作为加速贮存试验拟采取的应力种类，并采用应力仿真的方法，结合该电子整机产品的材料、结构及工艺等具体特点，仿真分析了产品在振动应力下的贮存薄弱环节、不改变失效机理前提下的振动应力水平范围，以及贮存试验下的加速因子的计算方法，由此解决了对该产品进行加速贮存试验设计时，需明确的试验应力水平的选取、试验结果的等效折算等技术细节问题。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例中的电子整机放置于未充入氮气的密封筒内，该整机贮存受温度影响最大，温度应力是造成该电子整机发生贮存失效的主要环境应力。后续分析主要只针对温度应确定试验应力水平范围和试验时间，具体可参考实施例1.
仿真方法包括但不限于热应力仿真、振动应力仿真、疲劳应力仿真及多应力耦合仿真等；基于应力仿真结果进行寿命预测时，应力仿真确定试验加速因子也可结合该应力下的加速模型获得，所用的常见加速模型包括但不限于阿伦尼斯模型、艾琳模型、逆幂律模型、对数模型、累积损伤模型等。
Claims (4)
1.一种结合应力仿真的整机加速贮存试验设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对该整机的贮存环境分析，确定加速贮存试验应力种类：
分析预期贮存环境对整机产品贮存可靠性的影响，确定在整个贮存寿命周期T内，影响较大的敏感应力种类及可能的贮存失效模式；
步骤2、通过应力仿真确定贮存薄弱环节：
对该整机开展敏感应力下的有限元仿真，预测产品的贮存薄弱环节；将该薄弱环节作为整机加速贮存试验时的重点考核对象及贮存寿命定量评估时的基准；
步骤3、通过应力仿真确定试验应力水平范围：
采用应力仿真的方法分析整机在不同应力水平下该薄弱环节可承受的最大应力载荷，在响应水平达到强度极限时，所对应的仿真加载应力水平Gmax作为后续开展加速贮存试验的上限；实际贮存环境下的应力水平G1作为加速贮存试验的下限，即开展加速贮存试验时所选取的应力水平在(G1，Gmax)区间内；
步骤4、通过应力仿真确定试验加速因子，以确定试验时间：
将薄弱环节的加速因子视为整机的加速因子，分别仿真得到整机在实际贮存环境应力水平G1与预设加载试验应力水平G2(G1＜G2＜Gmax)下薄弱环节处的应力响应水平S1与S2，并根据薄弱环节的材料疲劳S-N曲线，可查得其在上述两种应力水平下的疲劳循环次数N1与N2，从而得到整机的加速因子AF＝N1/N2，或根据对应失效机理的加速模型计算得出两种应力水平的加速因子AF，从而可根据加速因子得到加速贮存试验时间t＝T/AF；
步骤5、根据步骤3得到的试验应力水平范围和步骤4得到的加速试验时间t，可完成该整机的加速贮存试验设计，并进行整机加速贮存试验。
2.根据权利要求1所述的结合应力仿真的整机加速贮存试验设计方法，其特征在于，所述应力仿真为振动应力仿真、热应力仿真、疲劳应力仿真或多应力耦合仿真。
3.根据权利要求1所述的结合应力仿真的整机加速贮存试验设计方法，其特征在于，所述通过应力仿真确定试验加速因子也可结合该应力下的加速模型获得。
4.根据权利要求1所述的结合应力仿真的整机加速贮存试验设计方法，其特征在于，所述加速模型为阿伦尼斯模型、艾琳模型、逆幂律模型、对数模型或累积损伤模型。
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