Application of Reliability Simulation in Torpedo Products
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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。Abstract: The traditional reliability test is time-consuming and requires high cost. Therefore, this article provided the basic content and workflow of reliability simulation and conducted reliability simulation modeling, thermal stress simulation analysis, vibration stress simulation analysis, fault prediction, and reliability evaluation for typical electronic components in a certain torpedo product, so as to obtain weak links in product design, potential fault information, and average first failure time. The analysis results show that the reliability simulation can ensure the elimination of fault sources in the early stage of torpedo product design and thus improve torpedo product robustness and fault prediction ability.
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Key words:
- torpedo /
- reliability /
- electronic components /
- simulation modeling /
- stress analysis
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表 1 模型属性表
Table 1. Model properties
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 mW 50 s 稳压电源 U1 默认 瞬态 2.1 W 50 s 功率电阻 R5 默认 瞬态 75 mW 50 s 稳压二极管 V1 默认 瞬态 250 mW 50 s 电阻器 R19 默认 瞬态 0.5 W 50 s 光MOS继电器 U4 默认 瞬态 15 mW 50 s 电阻器 R28 默认 瞬态 333 mW 50 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 B1 8125.46 70000 0.330 下壳体 镁合金 B2 1753.56 45000 0.350 组合接插件1下插头 铝合金 JC1 2770.00 70000 0.330 组合接插件1连接部分 复合材料 JC13 61286.80 19700 0.280 组合接插件1插针 铜合金 JC1_BEAM 8300.00 110000 0.340 连接螺钉 结构钢 LD_B2_PVC 9164.42 200000 0.300 PCB电路板 玻纤环氧树脂 PVC_BAND 1504.66 19700 0.280 光耦 金属封装 PVC_ZJ_C1 7602.34 65000 0.300 整流桥 塑封 PVC_ZJ_C2 2538.46 20700 0.300 电源模块 金属封装 PVC_ZJ_C3 2008.53 65000 0.300 0光耦 金属封装 PVC_ZJ_C17 7602.34 65000 0.300 电阻 塑封 PVC_DZ_D1 15873.00 20700 0.300 电容 金属封装 PVC_DZ_D16 16734.70 65000 0.300 管角 铜合金 PVC_BEAM 8300.00 120000 0.345
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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 温度/℃ 相对误差/% 实测值 仿真值 相对误差值 R1/功率电阻 49.5 51.6 2.1 4.2 R2/功率电阻 50.0 52.3 2.3 4.6 R3/功率电阻 49.7 48.3 −1.4 2.8 R4/功率电阻 50.5 53.7 3.2 6.3 R5/功率电阻 50.7 48.4 −2.3 4.5 D1/二极管 44.5 47.2 2.7 6.1 D3/二极管 45.7 42.8 −2.9 4.2
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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 192 200.31 4.33 2阶 383 401.38 4.80 3阶 496 513.37 3.50
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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) 10 0.001 0 219 0.001 0 280 0.0023 527 0.0248 838 0.0188 1578 0.006 6 2 000 0.006 6
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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
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)1167 1140~1190 8.117 4.029144 1
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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 158 771.1 9 968.947 3 636 180 C5 管脚断裂 热疲劳 234 320.9 12 559.12 11 777 712
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表 8 样件及各板级可靠性评估表
Table 8. Evaluation table of sample and board-level reliability
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 10.942 0.77 — 56 494.581 复位控制电路 对数正态分布 13.036 0.109 — 458 676.295 输入信号隔离电路 威布尔分布 341 617.68 150 033.675 3.04 475 673.701 储能电源控制电路 威布尔分布 388 512.312 173 485.509 2.461 536 541.934 主控电路 威布尔分布 493 183.135 361 096.297 2.767 814 579.293 电池模块 正态分布 508 840 75 232 0 508 840 接口电路 威布尔分布 25 242 506 157 129.625 2.486 2 524 390 005.867 整个样件 对数正态分布 10.913 0.742 0 54 874.278
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