CN112949094B - 航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，该方法包括：系统分析，明确航空电子产品功能结构、系统逻辑关系以及关键部件和航空电子产品周围电磁环境，获得航空电子受到的电磁环境应力；确定航空电子产品关键性能参数及其阈值；确定航空电子产品的薄弱环节因素；通过量化内外因参数对关键性能参数的影响，建立考虑内外因参数不确定性的性能裕量模型；进行确信可靠性评估，计算确信可靠度。本发明从电磁性能参数角度出发，确定航空电子产品电磁环境下的薄弱环节因素，为航空电子产品的设计改进提供指导，考虑了失效过程对电磁性能参数的影响，并通过内外因参数不确定性来量化系统不确定性，完成系统的确信可靠性评价。

Description

航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法

技术领域

本发明属于确信可靠性评估技术领域，特别是一种航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法。

背景技术

电磁环境指的是电子系统在既定工作环境中执行规定任务时可能遇到的各种传导型和辐射型电磁发射。电子产品容易受到多种形式的电磁干扰源的电磁干扰，在电磁干扰下，电子设备可能会出现暂时性的误动作或功能失调，严重时会出现工作性能的永久性降级甚至失灵，降低产品可靠性，缩短产品寿命。电子产品对电磁环境的某种反应能力称作电磁性能，这种能力最终要通过电磁性能参数来表征，而电磁环境下的可靠性取决于电磁性能参数与其阈值之间的余量。因此，研究航空电子产品的电磁性能余量分析方法，是进行电磁可靠性评估的基础；同时，定位产品在电磁环境下的薄弱环节，确定易受电磁影响的器件，可为后续产品设计以及改进提供依据，具有重要的工程意义。

目前航空电子产品电磁性能的可靠性评估方法包括基于故障数据的统计方法以及基于故障物理模型的寿命预测方法。其中，基于故障数据的统计分析方法通过收集产品的故障数据，按组成产品各单元发生故障频数高低判明产品中的薄弱环节，进行改进以减少故障的发生，并对故障率、平均故障间隔时间和可靠寿命等进行评价，以验证产品是否符合预定的可靠性指标，该方法强调故障数据统计收集，只有当产品经过试验或使用得到故障数据后才能给出可靠性评估结果，然而在实际的工程应用中，随着科学技术的发展，产品的可靠性越来越高，在使用和试验中产品发生故障的数据越来越少，而且实践中经常存在着小批量甚至单件制造的产品，难以获取足够多的故障数据；基于故障物理模型的寿命预测方法并不需要大量的统计数据，但该方法更加关注于产品故障过程的物理化学过程与产品设计、制造和使用特性之间的关系，该方法从寿命角度考虑产品的可靠度，却忽视了产品故障对性能参数的影响，设计人员进行故障机理分析，虽然能消除局部故障，但分析结果仍无法与产品的功能设计相结合。此外，产品可靠性评估过程中存在着大量的不确定性，一类是具有大量随机特征的固有不确定性，一般用概率描述。另一类是由于人的认知能力局限和知识、信息或者故障数据不足而导致的认知不确定性。不确定量化也是电磁性能和可靠性评估的重要环节，而确信可靠性方法能够将固有不确定性和认知不确定综合到可靠性评估中，是具有广泛的应用前景的理论方法。因此，从电磁性能参数角度出发，定位产品薄弱环节项目，寻求一种航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法是十分迫切且必要的。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的缺陷，从产品电磁性能的角度出发，定位产品薄弱环节项目，提出一种航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法。该方法包括系统分析，明确产品功能结构、系统逻辑关系以及关键部件和产品周围电磁环境，获得航空电子受到的电磁环境应力；确定产品关键性能参数及其阈值；确定航空电子产品的薄弱环节因素；通过量化内外因参数对关键性能参数的影响，建立考虑内外因参数不确定性的性能裕量模型；进行确信可靠性评估，计算确信可靠度。本发明从电磁性能参数角度出发，确定产品电磁环境下的薄弱环节，为产品的设计改进提供指导，考虑了失效过程对电磁性能参数的影响，并通过内外因参数不确定性来量化系统不确定性，完成系统的确信可靠性评价。

本发明提供一种航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，其包括以下步骤：

S1、系统分析，明确航空电子产品功能结构、系统逻辑关系以及周围电磁环境，获得航空电子产品受到的电磁环境应力；

S2、确定航空电子产品的电磁关键性能参数及其阈值；

S3、确定航空电子产品的薄弱环节因素，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、采集航空电子产品中器件的工作频率f_i(i＝1...n)，所述器件的工作频率包括CPU工作频率、晶振、电路时钟和继电器工作频率；

S32、对航空电子产品进行电磁仿真中的本征模仿真和电磁屏蔽效能仿真，得到航空电子产品的一阶电磁谐振频率f_r及航空电子产品在电磁谐振频率下的各位置处的电场强度以及在电磁环境下的响应情况；

S33：确定电磁谐振频率影响程度，将航空电子产品的工作频率f_i与步骤S32获得的一阶电磁谐振频率f_r进行比较，若0.5f_r<f_i<2f_r则确定为电磁谐振频率受到影响的区域；

S34：确定关键元器件，对所述器件进行分析，确定关键度因子，将所述器件中关键度因子的相对值高的器件确定为关键元器件，所述关键度因子的表达式为：

其中：IF表示器件关键度因子；α_fi表示器件的功能重要度因子；α_es表示电磁敏感度因子；E_er表示器件在电磁谐振频率下的电场强度；β表示备用器件数量；

S35：根据航空电子产品的电磁屏蔽效能仿真结果确定薄弱环节因素，将仿真得到的关键元器件位置处的电磁屏蔽效能结果记为SE(Key_cmp)，若SE(Key_cmp)-SE_th≤20dB，则将所述关键元器件确定为航空电子产品的薄弱环节因素，其中SE_th为航空电子产品的电磁屏蔽效能的阈值；

S4、建立考虑内外因参数不确定性的性能裕量模型：通过量化内外因参数对关键性能参数的影响，建立性能裕量模型；

S5、进行确信可靠性评估，计算确信可靠度，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51、获得性能裕量模型中具有不确定性的内外因参数分布及分布参数；

S52、根据所获得的内外因参数分布，利用蒙特卡洛仿真得到不确定参数的不同取值并利用电磁性能裕量方程计算得到不同取值下的电磁性能裕量；

S53、计算得到考虑参数不确定性的确信可靠度，计算表达式为：

其中：NUM表示总仿真次数；NUM_M＞0表示性能裕量M＞0的次数。

进一步，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、确定电磁关键性能参数：将电磁关键性能参数确定为与系统关键功能直接相关的电磁参数；或将电磁关键性能参数确定为与系统中关键元器件相关的电磁参数；或对于有屏蔽体的航空电子产品，将电磁关键性能参数确定为关键位置处的电磁屏蔽效能；

S22、对电磁关键性能参数进行分析：确定电磁关键性能参数为望大型、望小型或望目型。

优选的，所述步骤S32具体包括以下步骤：

S321、建立电磁仿真数字样机：将航空电子产品数字样机几何模型导入电磁仿真软件中，利用电磁仿真软件的建模功能直接创建电磁仿真数字样机几何模型；

S3211、利用电磁仿真软件的数据接口，将航空电子产品数字样机几何模型导入电磁仿真软件中，使该电磁仿真数字样机几何模型能够满足电磁仿真软件的模型要求；

S3212、利用电磁仿真软件的建模功能直接创建电磁仿真数字样机几何模型；

S322、设置边界条件：设置边界条件的内容包括设置材料电磁属性、设置仿真约束条件和划分网格；

S3221、设置材料电磁属性：所述航空电子产品包括各零部件、元器件、结构件及机箱在内的各组成元素，为各组成元素逐一设置电磁材料属性，包括相对介电常数、相对磁导率和体电导率；

S3222、设置仿真约束条件：根据仿真要求设置所述航空电子产品的电磁辐射边界条件、激励源的位置、大小和传播方向；

S3223、划分网格：根据所述航空电子产品的器件结构布局和仿真的精度要求确定网格疏密程度，完成网格划分；

S323、进行电磁仿真：通过本征模仿真确定所述航空电子产品的电磁谐振频率并定位所述航空电子产品中的薄弱环节因素，通过电磁激励仿真确定所述航空电子产品在电磁环境中的关键性能参数取值；

S3231、本征模仿真：通过本征模仿真确定所述航空电子产品的电磁谐振频率，根据所述航空电子产品在电磁谐振频率下的电磁场分布情况确定所述航空电子产品中薄弱环节因素，并确定出关键元器件；

S3232、电磁激励仿真：进行电磁激励仿真得到所述航空电子产品在电磁环境下响应情况，选择所述航空电子产品在电磁谐振频率下关键元器件位置处的关键性能参数取值，并作为后续确信可靠性分析的依据。

优选的，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41、对关键性能参数及各影响因素开展相关性分析，从内因参数和外因参数两个方面进行度量，确定对性能参数取值影响较大的内因参数P_i和外因参数P_e；

S42、对系统中存在的不确定性进行分析，明确电磁性能参数不确定性来源；

S43、利用田口仿真试验设计的思路生成m水平n因素仿真试验方案,提取每个仿真样本中的关键性能参数并记录；

S44、利用线性回归、逻辑回归或多元函数回归方法确定关键性能参数与不确定因素之间代理方程的系数关系并建立代理方程：

其中，α_i表示单因素项因子，β_i表示双因素项因子，EF为外界环境电磁波电场强度、f为外界环境电磁波频率、RDC为材料相对介电常数、RP为材料相对磁导率、EC为材料体电导率；

S45、对代理方程的各项系数标准差以及回归统计量R²进行验证，若不满足要求则修正代理方程的形式及各项系数后再次进行检验，直到满足条件为止；

S46、根据代理方程和关键性能参数的阈值，建立关键性能参数裕量方程。

优选的，所述步骤S46具体包括以下步骤：

S461、根据关键性能参数类型，建立电磁性能裕量方程，其中关键性能参数类型分为望大型、望目型和望小型，望大型、望目型和望小型电磁性能指标的状态可行域分别为：

S462、考虑内外因参数影响的电磁性能参数方程为P_X(P_i,P_e)，则电磁性能裕量方程的通式表述为：

优选的，步骤S21中频率较高时，电磁屏蔽效能的计算公式为：

其中：E₁、E₂表示无屏蔽体和有屏蔽体时的电场强度；

频率较低时，电磁屏蔽效能的计算公式为：

其中：H₁、H₂表示无屏蔽体和有屏蔽体时的磁场强度；

步骤S22中望小型性能参数为：当且仅当p≥p_th时，航空电子产品发生故障；

望大型性能参数为：当且仅当p≤p_th时，航空电子产品发生故障；

望目型性能参数为：当且仅当p≤p_th，L或p≥p_th，U时，航空电子产品发生故障；

其中：p_th表示性能参数阈值；p_th，L表示性能参数下限阈值；p_th，U表示性能参数上限阈值。优选的，步骤S41中内因参数P_i包括材料相对介电常数RDC、相对磁导率RP和体电导率EC，外因参数P_e包括外界环境电磁波电场强度EF和频率f；内因参数和外因参数的不确定性导致关键性能参数具有不确定性，电磁关键性能参数P_X的取值由影响它的内因参数P_i、外因参数P_e共同决定：

优选的，步骤S3211中简化修改的原则为在确保仿真结果正确的前提下提高仿真效率，包括对模型中微小结构进行简化或删除，但应注意保留模型中会对航空电子产品电磁效能有影响的结构。

优选的，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、分析航空电子产品功能结构，明确航空电子产品的结构和实现的功能；

S12、对航空电子产品周围环境进行分析，包括航空电子产品工作、贮存环境及航空电子产品周围是否有电磁干扰源和航空电子产品受到的环境应力影响。

与现有技术相比，本发明的技术效果为：

1、本发明设计的一种航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，从电磁性能参数角度出发，对产品进行本征模仿真和电磁激励仿真，确定产品电磁环境下的薄弱环节；通过本征模仿真确定电子产品的电磁谐振频率，并定位产品在电磁环境中的薄弱环节，通过电磁激励仿真确定产品在电磁环境中的关键性能参数取值，为产品的设计改进提供指导，并为后续确信可靠性评估奠定基础。

2、本发明针对以往可靠度评估大都从产品故障的角度出发，通过产品的失效数据或故障物理模型对产品的寿命、可靠度等进行评估或预测，而忽略了失效过程对产品性能的影响，并在故障统计数据不足的情况下具有明显缺陷的问题，考虑了失效过程对电磁性能参数的影响，通过构建裕量方程，从电磁性能参数角度实现对系统确信可靠性的评估。

3、本发明针对工程中存在的大量不确定性，通过内外因参数不确定性来量化系统不确定性，并通过田口设计实验方案、拟合代理模型、蒙特卡洛仿真等过程计算确信可靠度，完成系统的确信可靠性评价。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本发明的航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法的流程图；

图2是本发明的建立的电磁仿真数字样机图；

图3为本发明的发生电磁谐振时机箱整体电场分布情况；

图4为本发明的发生电磁谐振时控制器电场分布情况；

图5为本发明的电磁激励仿真后机箱整体电场分布情况；

图6为本发明的电磁仿真后机箱中控制器电路板的电场强度分布情况；

图7为本发明的80MHz～2000MHz频率范围内CPU位置处的电磁屏蔽效能曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1示出了本发明的航天机构产品确信可靠性裕量方程或者裕量模型的建立方法，该方法包括以下步骤：

S1、系统分析，明确航空电子产品功能结构、系统逻辑关系以及关键部件和航空电子产品周围电磁环境，获得航空电子产品受到的电磁环境应力；

S11、分析航空电子产品功能结构，明确航空电子产品的结构和实现的功能；

S12、对航空电子产品周围环境进行分析，包括航空电子产品工作、贮存环境及航空电子产品周围是否有电磁干扰源和航空电子产品受到的环境应力影响。

S2、确定航空电子产品的关键性能参数及其阈值；

S21、确定电磁关键性能参数：将电磁关键性能参数确定为与系统关键功能直接相关的电磁参数；或将电磁关键性能参数确定为与系统中关键元器件相关的电磁参数；或对于有屏蔽体的产品，将电磁关键性能参数确定为关键位置处的电磁屏蔽效能；

频率较高时，电磁屏蔽效能的计算公式为：

其中：E₁、E₂分别表示无屏蔽体和有屏蔽体时的电场强度；

频率较低时，电磁屏蔽效能的计算公式为：

其中：H₁、H₂表示无屏蔽体和有屏蔽体时的磁场强度；

S22、对电磁关键性能参数进行分析：确定电磁关键性能参数为望大型、望小型或望目型。

望小型性能参数为：当且仅当

时，航空电子产品发生故障；

望大型性能参数为：当且仅当P_X≤P_X 时，航空电子产品发生故障；

望目型性能参数为：当且仅当P_X≤P_X 或

时，航空电子产品发生故障；

其中：P_X 表示性能参数阈值；P_X 表示性能参数下限阈值；

表示性能参数上限阈值；

查阅相关国家标准或者产品技术要求文件，确定电磁关键性能参数阈值，其中确定电磁关键性能参数阈值优先参考国家标准文件，其次也能根据各行业发布的标准、规范或者生产厂家、使用方的技术规范等文件来确定，如没有相关参考文件，通过仿真的方法来确定。

S3、确定航空电子产品的薄弱环节因素，具体包括以下步骤：

S31、采集航空电子产品中器件的工作频率f_i(i＝1...n)，器件的工作频率包括CPU工作频率、晶振、电路时钟和继电器工作频率；

S32、对航空电子产品进行电磁仿真中的本征模仿真和电磁屏蔽效能仿真，得到航空电子产品的一阶电磁谐振频率f_r及航空电子产品在电磁谐振频率下的各位置处的电场强度以及在电磁环境下的响应情况；

S321、建立电磁仿真数字样机：将航空电子产品数字样机几何模型导入电磁仿真软件中，通过适当地简化与修改，利用电磁仿真软件的建模功能直接创建电磁仿真数字样机几何模型；

S3211、利用电磁仿真软件与其他建模软件的数据接口，将航空电子产品数字样机几何模型导入电磁仿真软件中，通过适当地简化与修改，使该电磁仿真数字样机几何模型能够满足电磁仿真软件的模型要求；

简化修改的原则为在确保仿真结果正确的前提下提高仿真效率，包括对模型中微小结构进行简化或删除，但应注意保留模型中会对产品电磁效能有影响的结构。

S3212、利用电磁仿真软件的建模功能直接创建电磁仿真数字样机几何模型；

S322、设置边界条件：设置边界条件的内容包括设置材料电磁属性、设置仿真约束条件和划分网格；

S3221、设置材料电磁属性：尽可能详细地为航空电子产品包括各零部件、元器件、结构件及机箱在内的各组成元素逐一设置电磁材料属性，包括相对介电常数、相对磁导率、体电导率；

S3222、设置仿真约束条件：根据仿真要求设置航空电子产品的电磁辐射边界条件、激励源的位置、大小和传播方向；

S3223、划分网格：根据航空电子产品的器件结构布局和仿真的精度要求确定网格疏密程度，完成网格划分；

S323、进行电磁仿真：通过本征模仿真确定航空电子产品的电磁谐振频率并定位航空电子产品中的薄弱环节因素，通过电磁激励仿真确定航空电子产品在电磁环境中的关键性能参数取值；

S3231、本征模仿真：通过本征模仿真确定航空电子产品的电磁谐振频率，根据航空电子产品在电磁谐振频率下的电磁场分布情况确定航空电子产品中薄弱环节因素，将功能重要度较高且较为薄弱的器件确定为关键元器件；

S3232、电磁激励仿真：进行电磁激励仿真得到航空电子产品在电磁环境下响应情况，选择航空电子产品在电磁谐振频率下关键元器件位置处的关键性能参数取值，并作为后续确信可靠性分析的依据。

S33：确定电磁谐振频率影响程度，将航空电子产品的工作频率f_i与步骤S32获得的一阶电磁谐振频率f_r进行比较，若0.5f_r<f_i<2f_r则确定为电磁谐振频率受到影响的区域；

S34：确定关键元器件，对器件功能原理进行分析，确定关键度因子，将器件中关键度因子的相对值高的器件确定为关键元器件，关键度因子的表达式为：

其中：IF表示器件关键度因子；α_fi表示器件的功能重要度因子；α_es表示电磁敏感度因子；E_er表示器件在电磁谐振频率下的电场强度；β表示备用器件数量；

在一个优选实施方式中，器件中关键度因子的相对值高的取值是通过对不同参数，例如功能重要度IF₁、电磁敏感度IF₂、电场强度IF₃和谐振频率影响程度IF₄根据工作情况进行分级赋值评价来获得的相对值高的数据，即器件中关键度因子的取值是一个相对的量值，更多的体现在根据不同情况进行分级设定上。下面给出一种关键度因子评价矩阵的方法，见表1所示。

表1

S35：根据航空电子产品电磁屏蔽效能仿真结果确定薄弱环节因素：电磁屏蔽效能是与器件位置相关的函数，将仿真得到的关键元器件位置处的电磁屏蔽效能结果记为SE(Key_cmp)，若SE(Key_cmp)-SE_th≤20dB则将元器件确定为产品的薄弱环节因素，其中SE_th为航空电子产品的电磁屏蔽效能的阈值；即当航空电子产品关键元器件位置处的屏蔽效能与其阈值差值小于20dB时，说明此关键元器件的裕量较小，风险较大，将其确定为薄弱环节因素。

S4、建立考虑内外因参数不确定性的性能裕量模型：通过量化内外因参数对关键性能参数的影响，建立性能裕量模型；

S41、对关键性能参数及各影响因素开展相关性分析，从内因参数和外因参数两个方面进行度量，确定对性能参数取值影响较大的内因参数P_i和外因参数P_e；

内因参数P_i包括材料相对介电常数RDC、相对磁导率RP和体电导率EC，外因参数P_e包括外界环境电磁波电场强度EF和频率f；内因参数和外因参数的不确定性导致关键性能参数具有不确定性，电磁关键性能参数P_X的取值由影响它的内因参数P_i、外因参数P_e共同决定：其中字母g是一个函数的表达形式；

S42、对系统中存在的不确定性进行分析，明确电磁性能参数不确定性来源；

S43、利用田口仿真试验设计的思路生成m水平n因素仿真试验方案,提取每个仿真样本中的关键性能参数并记录；

S44、利用线性回归、逻辑回归或多元函数回归方法确定关键性能参数与不确定因素之间代理方程的系数关系并建立代理方程：

其中，α_i表示单因素项因子，β_i表示双因素项因子；

S45、对代理方程的各项系数标准差以及回归统计量R²进行验证，若不满足要求则修正代理方程的形式及各项系数后再次进行检验，直到满足条件为止；

S46、根据代理方程和关键性能参数的阈值，建立关键性能参数裕量方程。

S461、根据关键性能参数类型，建立电磁性能裕量方程，其中关键性能参数类型分为望大型、望目型和望小型，望大型、望目型和望小型电磁性能指标的状态可行域分别为：

S462、考虑内外因参数影响的电磁性能参数方程为P_X(P_i,P_e)，则电磁性能裕量方程的通式表述为：

S5、进行确信可靠性评估，计算确信可靠度，步骤S5具体包括以下步骤：

S51、获得性能裕量模型中具有不确定性的内外因参数分布及分布参数；

S52、根据所获得的内外因参数分布，利用蒙特卡洛仿真得到不确定参数的不同取值并利用电磁性能裕量方程计算得到不同取值下的电磁性能裕量；

S53、计算得到考虑参数不确定性的确信可靠度，计算表达式为：

其中：NUM表示总仿真次数；NUM_M＞0表示性能裕量M＞0的次数。

下面结合具体的案例对本发明做进一步的详细说明。

以一航空电子控制器为研究对象实施航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，具体实施步骤如下：

S1、系统分析：该控制器主要有两个功能：根据逻辑部下发的控制命令完成对电动机正反转的控制；对电动机工作状态进行状态采集和信号监测，并将采集到的信息上传至逻辑部和维护接口。为完成电动机驱动控制以及状态采集和信号监测的功能，还需要逻辑控制、数据通信、电能供应等功能的配合。该控制器工作时被放置在机箱中，该控制器通过机箱来避免周围环境中的电磁干扰，确保系统稳定运行。

此航空电子控制器工作时受到的电磁干扰有：雷电、以及人工电磁干扰源产生的强电磁脉冲、设备在低湿度环境中产生的静电放电、电子开关的通断操作以及周围电子设备产生的电磁辐射。

航空电子产品周围的电磁环境条件可参考航空电子产品射频电磁场的辐射抗扰度试验的试验标准进行，航空电子产品周围电磁环境可模拟为80～1000MHz场强为10V/m以及800～960MHz场强为20V/m的电磁波环境。

S2、性能裕量分析：由于控制器放置在机箱内部，机箱机柜作为电子设备中工作单元、电子部件的载体，其屏蔽效能的高低对电子设备的正常运行有重大的影响。选用电磁屏蔽效能作为关键性能参数。用SE来表示电磁屏蔽效能，该性能参数为望大型。

在一个具体实施仿石砖，根据机箱机柜的用途将其屏蔽效能分成了四级。各级机箱机柜的屏蔽效能要求如表2所示。本产品属于二级机箱，因此其电磁性能参数阈值根据频率确定为10kHz～30MHz：10dB，230MHz～230MHz：40dB，330MHz～1000MHz：30dB。

表2

S3、电磁仿真分析：通过软件建立电磁仿真数字样机如图2所示。对航空电子产品进行本征模仿真可以确定航空电子产品的电磁谐振频率。在HFSS软件中设置航空电子产品的电磁材料属性，设置仿真模式为本征模仿真并设置电磁辐射边界条件、划分网格后可进行本征模仿真。得到仿真结果为航空电子产品的一阶电磁谐振频率为372MHz。

图3为发生电磁谐振时机箱整体电场分布情况，从图中可以看出机箱缝隙、散热孔位置处电磁响应较为明显，若从电磁角度进行设计改进，并应重点关注机箱孔缝位置。图4为发生电磁谐振时控制器电场分布情况，从图中可以看出部分元器件受到谐振影响较严重可能会导致控制器功能受损，功能故障，是该控制器在电磁环境中的薄弱环节。控制器中受电磁谐振影响较为严重的元器件如表3所示。

表3

结合上表以及控制器中器件的功能重要度，确定CPU为关键元器件，附图编号1、2示意了控制器中CPU的位置。

对航空电子产品进行电磁激励仿真，机箱整体仿真结果如图5所示；机箱中控制器电场强度分布情况如图6所示。CPU位置在电磁环境下的电磁关键性能参数响应情况如图7所示。

S4、建立考虑内外因参数不确定性的性能裕量模型：对电磁关键性能参数：屏蔽效能可能有影响的内因参数有机箱材料电导率、相对磁导率，机箱缝隙处填充材料的电导率；外因参数有激励源的电场强度大小等。利用田口设计方法3水平4因素仿真试验方案。由于屏蔽效能无法通过仿真直接获得，需要进行相关计算。这里提取每个仿真实验方案中与屏蔽效能计算直接相关的CPU位置处场强作为实验结果，各因素选取的水平以及仿真试验结果如表4所示。

表4

设置置信度为C＝90％，即显著性水平α＝0.1，置信区间类型选择双侧，选择激励源大小、外壳材料电导率、外壳磁导率、填充材料电导率作为连续预测变量。选择CPU位置处的场强作为响应变量。利用Minitab回归拟合回归模型。

用SoM表示激励源的电场强度大小，SEC表示外壳材料电导率，SMP表示外壳材料磁导率，FEC表示填充材料电导率，EF表示电场强度，确定的回归方程为：

EF＝0.981-0.00447SoM+0.000000SEC-0.594SMP-0.000000FEC (9)

Minitab输出的模型汇总参数如表5所示。

表5

回归模型的统计量分析R²值越高，说明模型拟合数据的优度越高。R²＝65.66％说明此回归模型的拟合优度较差。R²(调整)用于判断在具有不同数量的预测变量的情况下的回归效果，因此计算R²(调整)＝31.31％。可以看出此回归模型的拟合效果较差，需要不断调整预测变量来实现较好的拟合效果。

对回归方程进行调整，最终确定当预测变量为激励源大小、外壳材料电导率、外壳磁导率以及激励源大小与外壳材料的交互项时，模型有较好的拟合效果。

模型汇总参数如表6所示，回归模型的统计量分析R²＝82.13％说明此回归模型具有较好的拟合优度。计算R²(调整)＝64.25％，说明此模型在具有不同数量的预测变量的情况下的回归效果较好。

表6

最终确定的代理方程的表达式如下：

EF＝3.91-0.2093SoM+0.03005SEC-3.50SMP+0.1995SoM·SMP (10)

仿真发现，屏蔽效能最小值出现在机箱谐振频率附近即315MHz，因此选用阈值为30dB。结合关键性能参数的望大特性以及电磁屏蔽效能的计算公式，确定电磁性能裕量方程为：

S5、进行确信可靠性评估，计算确信可靠度：本航空电子产品中不确定性来源主要有电磁干扰激励源的波动性，以及机箱工艺差异带来的批次分散性。因此，电磁干扰激励源的大小以及机箱材料属性即机箱材料的电导率和相对磁导率具有不确定性，可以用正态概率分布来描述，其分布参数如下：

SoM～N(15,0.8333)，SEC～N(3.225,0.29583)，SMP～N(1.031484,0.005276)。

利用蒙特卡洛仿真并统计获取关键性能参数M＞0的组数NUM_M＞0，计算得到考虑内外因参数不确定性的确信可靠度结果如下：

本发明设计的一种航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，从电磁性能参数角度出发，对产品进行本征模仿真和电磁激励仿真，确定产品电磁环境下的薄弱环节；通过本征模仿真确定电子产品的电磁谐振频率，并定位产品在电磁环境中的薄弱环节，通过电磁激励仿真确定产品在电磁环境中的关键性能参数取值，为产品的设计改进提供指导，并为后续确信可靠性评估奠定基础；针对以往可靠度评估大都从产品故障的角度出发，通过产品的失效数据或故障物理模型对产品的寿命、可靠度等进行评估或预测，而忽略了失效过程对产品性能的影响，并在故障统计数据不足的情况下具有明显缺陷的问题，考虑了失效过程对电磁性能参数的影响，通过构建裕量方程，从电磁性能参数角度实现对系统确信可靠性的评估；针对工程中存在的大量不确定性，通过内外因参数不确定性来量化系统不确定性，并通过田口设计实验方案、拟合代理模型、蒙特卡洛仿真等过程计算确信可靠度，完成系统的确信可靠性评价。

最后所应说明的是：以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、系统分析，明确航空电子产品功能结构、系统逻辑关系以及周围电磁环境，获得航空电子产品受到的电磁环境应力；

S2、确定航空电子产品的电磁关键性能参数及其阈值；

S3、确定航空电子产品的薄弱环节因素，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、采集航空电子产品中器件的工作频率f_i，其中i＝1...n，所述器件的工作频率包括CPU工作频率、晶振、电路时钟和继电器工作频率；

S32、对航空电子产品进行电磁仿真中的本征模仿真和电磁屏蔽效能仿真，得到航空电子产品的一阶电磁谐振频率f_r及航空电子产品在电磁谐振频率下的各位置处的电场强度以及在电磁环境下的响应情况；

S33：确定电磁谐振频率影响程度，将航空电子产品的工作频率f_i与步骤S32获得的一阶电磁谐振频率f_r进行比较，若0.5f_r<f_i<2f_r则确定为电磁谐振频率受到影响的区域；

S34：确定关键元器件，对所述器件进行分析，确定关键度因子，将所述器件中关键度因子的相对值高的器件确定为关键元器件，所述关键度因子的表达式为：

其中：IF表示器件关键度因子；α_fi表示器件的功能重要度因子；α_es表示电磁敏感度因子；E_er表示器件在电磁谐振频率下的电场强度；β表示备用器件数量；

S35：根据航空电子产品的电磁屏蔽效能仿真结果确定薄弱环节因素，将仿真得到的关键元器件位置处的电磁屏蔽效能结果记为SE(Key_cmp)，若SE(Key_cmp)-SE_th≤20dB，则将所述关键元器件确定为航空电子产品的薄弱环节因素，其中SE_th为航空电子产品的电磁屏蔽效能的阈值；

S4、建立考虑内外因参数不确定性的性能裕量模型：通过量化内外因参数对关键性能参数的影响，建立性能裕量模型；

S5、进行确信可靠性评估，计算确信可靠度，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51、获得性能裕量模型中具有不确定性的内外因参数分布及分布参数；

S52、根据所获得的内外因参数分布，利用蒙特卡洛仿真得不确定参数的不同取值、并利用电磁性能裕量方程计算得到不同取值下的电磁性能裕量；

S53、计算得到考虑参数不确定性的确信可靠度，计算表达式为：

其中：NUM表示总仿真次数；NUM_M＞0表示性能裕量M＞0的次数。

2.根据权利要求1所述的航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、确定电磁关键性能参数：将电磁关键性能参数确定为与系统关键功能直接相关的电磁参数；或将电磁关键性能参数确定为与系统中关键元器件相关的电磁参数；或对于有屏蔽体的航空电子产品，将电磁关键性能参数确定为关键位置处的电磁屏蔽效能；

S22、对电磁关键性能参数进行分析：确定电磁关键性能参数为望大型、望小型或望目型。

3.根据权利要求1所述的航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S32具体包括以下步骤：

S321、建立电磁仿真数字样机：将航空电子产品数字样机几何模型导入电磁仿真软件中，利用电磁仿真软件的建模功能直接创建电磁仿真数字样机几何模型；

S3211、利用电磁仿真软件的数据接口，将航空电子产品数字样机几何模型导入电磁仿真软件中，使该电磁仿真数字样机几何模型能够满足电磁仿真软件的模型要求；

S3212、利用电磁仿真软件的建模功能直接创建电磁仿真数字样机几何模型；

S322、设置边界条件：设置边界条件的内容包括设置材料电磁属性、设置仿真约束条件和划分网格；

S3221、设置材料电磁属性：所述航空电子产品包括各零部件、元器件、结构件及机箱在内的各组成元素，为各组成元素逐一设置电磁材料属性，包括相对介电常数、相对磁导率和体电导率；

S3222、设置仿真约束条件：根据仿真要求设置所述航空电子产品的电磁辐射边界条件、激励源的位置、大小和传播方向；

S3223、划分网格：根据所述航空电子产品的器件结构布局和仿真的精度要求确定网格疏密程度，完成网格划分；

S323、进行电磁仿真：通过本征模仿真确定所述航空电子产品的电磁谐振频率并定位航空电子产品中的薄弱环节因素，通过电磁激励仿真确定航空电子产品在电磁环境中的关键性能参数取值；

S3231、本征模仿真：通过本征模仿真确定所述航空电子产品的电磁谐振频率，根据所述航空电子产品在电磁谐振频率下的电磁场分布情况确定所述航空电子产品中薄弱环节因素，并确定出关键元器件；

S3232、电磁激励仿真：进行电磁激励仿真得到所述航空电子产品在电磁环境下响应情况，选择所述航空电子产品在电磁谐振频率下关键元器件位置处的关键性能参数取值，并作为后续确信可靠性分析的依据。

4.根据权利要求1所述的航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41、对关键性能参数及各影响因素开展相关性分析，从内因参数和外因参数两个方面进行度量，确定对性能参数取值影响较大的内因参数P_i和外因参数P_e；

S42、对系统中存在的不确定性进行分析，明确电磁性能参数不确定性来源；

S43、利用田口仿真试验设计的思路生成m水平n因素仿真试验方案,提取每个仿真样本中的关键性能参数并记录；

S44、利用线性回归、逻辑回归或多元函数回归方法确定关键性能参数与不确定因素之间代理方程的系数关系并建立代理方程：

其中，α_i表示单因素项因子，β_i表示双因素项因子、EF为外界环境电磁波电场强度、f为外界环境电磁波频率、RDC为材料相对介电常数、RP为材料相对磁导率、EC为材料体电导率；

S45、对代理方程的各项系数标准差以及回归统计量R²进行验证，若不满足要求则修正代理方程的形式及各项系数后再次进行检验，直到满足条件为止；

S46、根据代理方程和关键性能参数的阈值，建立关键性能参数裕量方程。

5.根据权利要求4所述的航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S46具体包括以下步骤：

S461、根据关键性能参数类型，建立电磁性能裕量方程，其中关键性能参数类型分为望大型、望目型和望小型，望大型、望目型和望小型电磁性能指标的状态可行域分别为：

其中，P_X表示关键性能参数，

表示关键性能参数上限阈值，P_X 表示关键性能参数下限阈值，STB表示望小型，NTB表示望目型，LTB表示望大型；

S462、考虑内外因参数影响的电磁性能参数方程为P_X(P_i,P_e)，则电磁性能裕量方程的通式表述为：

其中，P_i表示对关键性能参数有影响的内因参数，P_e表示对关键性能参数有影响的外因参数。

6.根据权利要求2所述的航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，其特征在于，步骤S21中频率高时，电磁屏蔽效能的计算公式为：

其中：E₁、E₂表示无屏蔽体和有屏蔽体时的电场强度；

频率低时，电磁屏蔽效能的计算公式为：

其中：H₁、H₂分别表示无屏蔽体和有屏蔽体时的磁场强度；

步骤S22中望小型性能参数为：当且仅当p≥p_th时，航空电子产品发生故障；

望大型性能参数为：当且仅当p≤p_th时，航空电子产品发生故障；

望目型性能参数为：当且仅当p≤p_th，L或p≥p_th，U时，航空电子产品发生故障；

其中：p_th表示性能参数阈值；p_th，L表示性能参数下限阈值；p_th，U表示性能参数上限阈值。

7.根据权利要求4所述的航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，其特征在于，步骤S41中内因参数P_i包括材料相对介电常数RDC、相对磁导率RP和体电导率EC，外因参数P_e包括外界环境电磁波电场强度EF和频率f；内因参数和外因参数的不确定性导致关键性能参数具有不确定性，电磁关键性能参数P_X的取值由影响它的内因参数P_i、外因参数P_e共同决定：

8.根据权利要求3所述的航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，其特征在于，步骤S3211中简化修改的原则为在确保仿真结果正确的前提下提高仿真效率，包括对模型中微小结构进行简化或删除，但应保留模型中会对航空电子产品电磁效能有影响的结构。

9.根据权利要求1所述的航空电子产品电磁性能裕量分析与确信可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、分析航空电子产品功能结构，明确航空电子产品的结构和实现的功能；

S12、对航空电子产品周围环境进行分析，包括航空电子产品工作、贮存环境及航空电子产品周围是否有电磁干扰源和航空电子产品受到的环境应力影响。

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