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可靠性仿真在鱼雷产品上的应用

王斗辉 陈欢 郭君 吴斌

王斗辉, 陈欢, 郭君, 等. 可靠性仿真在鱼雷产品上的应用[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0030
引用本文: 王斗辉, 陈欢, 郭君, 等. 可靠性仿真在鱼雷产品上的应用[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0030
(WANG Douhui, CHEN Huan, GUO Jun, WU Bin. Application of Reliability Simulation in Torpedo Products[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0030
Citation: (WANG Douhui, CHEN Huan, GUO Jun, WU Bin. Application of Reliability Simulation in Torpedo Products[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0030

可靠性仿真在鱼雷产品上的应用

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0030

Application of Reliability Simulation in Torpedo Products

  • 摘要: 针对传统可靠性试验耗时长、成本高的问题, 给出了可靠性仿真的基本内容和工作流程, 针对鱼雷产品中的典型电子组件开展可靠性仿真建模、热应力和振动应力仿真分析、故障预计和可靠性评估, 以得到产品设计薄弱环节、潜在故障信息和平均首发故障时间等。分析结果表明, 可靠性仿真能够确保在鱼雷产品设计早期消除故障源, 从而提高鱼雷产品的鲁棒性和故障预测能力。

     

  • 图  1  可靠性仿真流程

    Figure  1.  Reliability simulation process

    图  2  样件CAD模型

    Figure  2.  CAD model of the product

    图  3  样件简化模型

    Figure  3.  Simplified model of the product

    图  4  印制板部件简化图

    Figure  4.  Simplified model of printed board

    图  5  外部网格划分图

    Figure  5.  External grid division

    图  6  印制板网格划分图

    Figure  6.  Printed board grid division

    图  7  网格划分

    Figure  7.  Grid division

    图  8  下壳体与电路板螺栓连接

    Figure  8.  Bolt connection between lower housing and circuit board

    图  9  电阻固定运动副连接

    Figure  9.  Resistance fixed motion pair connection

    图  10  整流桥与PCB连接示意图

    Figure  10.  Link between rectifier bridge and PCB

    图  11  温度分布图

    Figure  11.  Temperature pattern diagram

    图  12  温度变化图

    Figure  12.  Temperature variation

    图  13  热对流示意图

    Figure  13.  Heat convection diagram

    图  14  前6阶模态计算结果

    Figure  14.  Calculation results of the first six modes

    图  15  等效应力计算结果

    Figure  15.  Equivalent stress calculation results

    图  16  位移计算结果

    Figure  16.  Displacement calculation results

    表  1  模型属性表

    Table  1.   Model Property Sheet

    零件类型模型
    代号
    材料功耗
    类型
    功耗备注
    二极管D2默认瞬态30 mW50 s
    稳压电源U1默认瞬态P=2.1 W50 s
    功率电阻R5默认瞬态75 mW50 s
    稳压二极管V1默认瞬态250 mW50 s
    电阻器R19默认瞬态0.5 W50 s
    光MOS继电器U4默认瞬态15 mW50 s
    电阻器R28默认瞬态333 mW50 s
    微控制器U6默认稳态13 μW
    晶振Y1默认稳态1 μW
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    表  2  材料属性表

    Table  2.   Material properties

    零件名称材料模型代号等效密度/(kg·m−3)弹性模量/MPa泊松比
    上壳体铝合金B18.125 46×103700000.33
    下壳体镁合金B21.753 56×103450000.35
    组合接插件1下插头铝合金JC12.770 00×103700000.33
    组合接插件1连接部分复合材料JC136.128 68×104197000.28
    组合接插件1插针铜合金JC1_BEAM8.300 00×1031.10×1050.34
    连接螺钉结构钢LD_B2_PVC9.164 42×1032.00×1050.3
    PCB电路板玻纤环氧树脂PVC_BAND1.504 66×103197000.28
    光耦金属封装PVC_ZJ_C17.602 34×103650000.3
    整流桥塑封PVC_ZJ_C22.538 46×103207000.3
    电源模块金属封装PVC_ZJ_C32.008 53×103650000.3
    0光耦金属封装PVC_ZJ_C177.602 34×103650000.3
    电阻塑封PVC_DZ_D11.587 30×104207000.3
    电容金属封装PVC_DZ_D161.673 47×104650000.3
    管角铜合金PVC_BEAM8.300 00×1031200000.345
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    表  3  热测量试验结果与温度应力分析结果对比

    Table  3.   Comparison between thermal measurement and thermal stress analysis results

    器件名称实测值/℃仿真值/℃相对误差值/℃相对误差/%
    R1/功率电阻49.551.62.14.2
    R2/功率电阻50.052.32.34.6
    R3/功率电阻49.748.3−1.42.8
    R4/功率电阻50.553.73.26.3
    R5/功率电阻50.748.4−2.34.5
    D1/二极管44.547.22.76.1
    D3/二极管45.742.8−2.94.2
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    表  4  模态试验结果

    Table  4.   Modal test results

    模态阶数试验频率/Hz仿真频率/Hz相对误差/%
    1阶192200.314.33
    2阶383401.384.80
    3阶496513.373.50
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    表  5  低速工况振动条件下随机振动拐点

    Table  5.   Random vibration inflection point coordinates at low speed

    频率/Hz功率谱密度/(g2/Hz)
    100.001
    2190.001
    2800.0023
    5270.0248
    8380.0188
    15780.0066
    20000.0066
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    表  6  低速工况振动条件扫频线谱

    Table  6.   Sweep line spectrum at low speed

    序号中心频率/Hz扫频范围/Hz功率谱密度/(g2/Hz)加速度/(m/s2)扫频速率/(次/min)
    111671140~11908.1174.0291441
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    表  7  相对薄弱点故障信息矩阵表

    Table  7.   Relative weak point fault information matrix

    故障位置故障
    模式
    故障
    机理
    预计故障时间/h
    模块位号均值最小值最大值
    电源变换
    电路
    C1管脚断裂热疲劳158 771.19 968.9473 636 180
    C5管脚断裂热疲劳234 320.912 559.1211 777 712
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    表  8  样件及各板级可靠性评估表

    Table  8.   Product and board-level reliability evaluation table

    名称故障时间概率密度函数平均首发故障时间/h
    分布类型特征参数1特征参数2特征参数3
    电源变换电路对数正态分布10.9420.7756 494.581
    复位控制电路对数正态分布13.0360.109458 676.295
    输入信号隔离电路威布尔分布341 617.68150 033.6753.04475 673.701
    储能电源控制电路威布尔分布388 512.312173 485.5092.461536 541.934
    主控电路威布尔分布493 183.135361 096.2972.767814 579.293
    电池模块正态分布508 84075 2320508 840
    接口电路威布尔分布25 242 506157 129.6252.4862 524 390 005.867
    整个样件对数正态分布10.9130.742054 874.278
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-24
  • 修回日期:  2023-05-24
  • 录用日期:  2023-08-17
  • 网络出版日期:  2024-01-29

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