背景知识

基于故障物理的可靠性仿真


对于高可靠长寿命的产品,设计人员努力的方向应该在于明确产品如何发生故障,怎样改进和排除潜在的故障,以确保产品寿命和可靠性满足设计要求。故障物理方法为这一目标提供了技术的支撑。基于故障物理的可靠性仿真分析是将计算机建模仿真技术与故障物理的思想相结合,在产品设计过程中,通过建立产品的几何模型、应力仿真模型、故障物理模型和其他工程分析模型,将产品预期承受的工作环境应力与潜在故障发展过程联系起来,从而定量的预计产品可靠性,发现薄弱环节并采取有效的改进措施。

基于故障物理的可靠性仿真分析方法就是一种在计算机虚拟环境下实现产品故障物理分析,从而发现和解决产品可靠性问题的方法。它能够在产品研制阶段分析和改进产品设计,实现在设计早期阶段消除故障源、提高健壮性、减少试验量、缩短开发周期,减少开发成本、提高产品可靠性等目的。

相比试验数据和外场统计的方法,基于故障物理方法的可靠性仿真分析方法有几个优势:

(1)不受样本量的限制。传统的试验方法所需要的样本量必须满足一定的要求,否则会影响结果的置信度。而对于大型复杂系统来说,由于造价昂贵,不可能在试验中投入很多的样本。而仿真方法的试验样本利用数学方法抽样,或者排列组合得到,只要计算能力足够,就可以得到大量样本的仿真结果,使得可靠性评估的结果更符合实际。

(2)施加的环境和载荷多样化。由于受到试验条件和样本量的限制,传统的试验方法只能选取典型的剖面进行施加,因而激发的故障种类就受到了限制,无法体现产品在实际多样环境下的故障特点。同时,由于剖面受到限制,评估出来的产品故障时间和可靠度结果,也与真实产品结果相差较大。

可靠性仿真分析包括以下工作项目:收集产品的设计信息、生成仿真样本、进行FMMEA、建立产品数字样机、应力仿真分析、故障时间计算以及可靠性评估。一般流程见下图。

图9-1 电子产品可靠性仿真分析的流程

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