高g值产品多环境综合应力可靠性强化试验设计.doc

清华大学2012届毕业设计说明书 1 引言11 课题背景的提出现代战争不再单纯的是人主宰战场，直接的说现代战争就是一场科技的较量，一场关于武器性能的较量。没有可靠的武器，再精锐的士兵也抵挡不住敌人猛烈的炮火攻击。而传统的武器系统的性能已逐渐不能适应当前战争的需要。同时，现代军用产品结构越来越复杂，并且无论在高山海洋还是在雪域高原、南极北极，军用产品的使用环境越来越残酷恶劣，对其质量必须有严格甚至苛刻的保障。而传统的对产品进行简单的常规试验比如环境应力筛选、可靠性增长、可靠性鉴定等试验技术由于其试验时间较长，试验费用较高以及可靠性得不到保障等弊端，已经不能满足现代军事武器甚至是某些民用设备的发展要求。这些传统的试验方法手段正逐渐被淘汰。而为了满足越来越苛刻的需求，减少试验费用，缩短产品研制周期，提高产品质量等方面的要求，我们必须找到更科学合理的现代化试验手段和更品质更高的材料。高g值材料产品具有抗高应力、强烈冲击等极端恶劣的环境的特点，较一般产品，它有更强的抗冲击能力，耐高温能力等，能够忍受更加广阔的极限环境。是现代乃至未来军用产品以及高端民用产品的理想材料。特别对于军用产品，极地作战已成常态，更需要有质量可靠性保证的武器。因此，选择高g值产品是历史时代的必然。可靠性强化试验是一种激发试验1( Stimulation) 。对于其研究，从传统以“寿命试验”为代表的陈旧试验到现在的可靠性强化试验，中间经历了漫长的过程。国外最早的激发试验是20 世纪50 至60 年代的老化试验,所施加的环境应力有高温、高低温循环和温度冲击等;20 世纪70 年代后发展为环境应力筛选;20 世纪80 年代末发展为可靠性强化试验。可靠性强化试验是一种先进的可靠性试验方法,美国G. K. Hobbs 博士是最早从事这方面研究的专家,他称这种试验方法为HALT(Highly Accelerated Life Test ,高加速寿命试验)和HASS ( HighlyAccelerated Stress Screening ,高加速应力筛选) ,前者是针对设计阶段,后者是针对生产过程。该技术的理论依据是故障物理学(physics of failure) ,它把故障或失效当成主要的研究对象,通过发现、分析和纠正故障达到提高产品可靠性的目的2。该技术在20 世纪90 年代得到发展和应用,由于波音公司应用效果最好,影响最大,并且首次使用可靠性强化试验(Reliability Enhancement Testing ,缩写为RET)这一术语。后来,可靠性强化试验这一叫法作为通用名而被广泛接受。可靠性强化试验技术的理论依据是故障物理学, 它把故障和失效当作主要研究对象, 通过对试样施加单一的或综合的极限环境应力, 快速激发出产品潜在缺陷, 从而在很短的时间内获得试验结果, 大大缩短试验时间, 提高试验效率。它不像传统的可靠性试验通过被动的环境模拟后再增加设计裕度,来确保产品通过鉴定试验与验证试验, 而是主动地激发缺陷, 并且要求激发得越彻底越好3。12 国内外同类技术发展状况当前，通过三十年的发展，可靠性强化试验取得了很大进步和长足发展，国内在近十年发展也很快，已有多所大学和研究所开发了相关项目，建立了可靠性强化试验的实验室。在国外，可靠性试验技术发展动向主要表现在从电子设备走向机电设备；从单个系统(设备)走向M/E-M复杂系统的综合试验;从传统的可靠性模拟试验走向可靠性激发试验4。121 从电子设备走向机电设备通过近几十年的工程实验, 电子产品可靠性试验技术已趋成熟, 与此相应M/ E- M产品由于种类繁多, 故障分布各异, 敏感的应力不固定及小样本大风险等因素给可靠性验证试验技术的研究带来很大的困难。国外已经从80 年代开始研究解决这类问题。例如,由美国、英国、加拿大、澳大利亚和新西兰为成员的技术合作计划( TTCP) 委员会从80 年代初开始就着手研究M/ E- M 产品的可靠性技术问题。 美国国防部联合后勤指挥组( JLC) 下设的可靠性、有效性和维修性( JTCC- RAM) 组已被授权调研机械/ 电机(M/ E- M) 设备可靠性试验技术的现状,并研究对策以协助军事计划管理人员制订能够承受的非电子设备可靠性试验计划。122从单个系统走向M/E-M复杂系统的综合试验现代战争，充斥着各种高科技武器装备，简单的说，现代战争就是一场科技的较量，传统的单兵作战武器不能满足作战需求，武器系统由简单的或者单一的形式比如，传统的枪炮等，迈向了大型武器系统为主导的复杂武器系统，比如各种相控阵雷达和导弹发射系统等。为了满足这种高科技武器的性能等综合要求，各国都开始重视大系统的地面综合试验，尤其是M/E-M复杂系统的综合试验。这样既保证了单个系统的可靠性，还检验测试了大型综合系统的可靠性和整体性能。于此同时，复杂系统的综合试验大大降低了试验费用，缩短了试验时间。更为重要的是这种综合试验可以检验整个系统的内部分单元或小系统之间的有效配合，并且可以充分暴露各种机械、液压、电子电气等在接口或者数据传输等过程中的各种缺陷。因此，大大提高了整个系统的可信度，更贴近实际的应用系统。美国空军早在上世纪80年代就已经着手研究飞机使用的标准惯性导航等精密复杂机电一体化系统的可靠性试验技术，在近几年更专门为F-22建立了地面各种性能和可靠性综合实验室，美国海军武器系统中心也具有容积为65m3的温度湿度振动高度四综合试验系统。123 从传统的可靠性模拟试验走向可靠性激发试验对于传统的环境模拟可靠性试验，它主要是尽可能地模拟任务剖面的真实环境，而且是典型的高真实环境，再加上设计裕度来确保产品的可靠性。研制阶段的可靠性强化试验，也是模拟高度真实的环境。所以，传统的环境试验，要提高可靠度就必须模拟真实的使用环境以及提高设计裕度，这往往都是比较困难的，尤其在设计阶段要想设计真实精确的环境。此外，系统的潜在缺陷无法几十充分的暴露，随时可能在使用时发生故障，增加了使用危险性。这对于普通产品都是不能容忍的，更不说武器装备了，这将大大增加作战士兵的风险，事关整个战场局面和战争胜负。激发试验与环境模拟可靠性试验的思路相反，它是人为施加环境应力的方法，加速激发产品的潜在缺陷以此达到提高可靠性的目的。并且潜在缺陷激发得越彻底越好5。在20世纪80年代，美国G.K.Hobps,K.A.Gray和L.W.condra等人最早提出可靠性强化试验（Reliability Enbancement Testing，缩写为RET），起初分为高加速度寿命试验（HALT,Highly Accelerated Life Test）和高加速应力筛选试验（HASS,Highly Accelerated Stress Screening Test），前者针对设计阶段，后者针对生产过程6。今年又出现了HAET、STEP（步进应力试验）及FMVT（失效模式验证试验）等技术手段。其中，HALT/HASS试验过程中，产品将承受不断升高的温度振动应力、高速温度传导，以及其他与产品相关的特殊应力，揭示产品过程缺陷。HAET在试验中引入激发机制，来识别量化在使用寿命末期导致产品损耗的失效及其失效机理，暴露于产品设计有关的早期失效故障。STEP是将传统可靠性试验和过应力试验 相结合的试验方法。目的是揭示产品的使用寿命，不断加大施压到产品上的应力以达到过应力，从而找出失效模式。FMVP通过将设计暴露在放大的环境/应力组合条件下，可在一天内产生出许多失效模式及其分布顺序，从而揭示出由FMVT方法事先预测到得设计弱点7。13 研究对象分析本文主要选择两个典型的高g 值产品,选择某无线电引信电子头和涡轮电机作为研究对象， 采用SolidWorks+COSMOSWorks， 建模并进行热分析，通过热分析，可确定产品的温度极限范围，进而设计基于温度应力（快速温变或瞬态温度，选最有效的温变速度或温度应力）的强化试验,进行温度仿真试验，不涉及具体的实物试验，相对简单。温度仿真的内容为稳态高温，稳态低温和温度快速冲击。对于高g值产品在多环境下的可靠性强化试验研究，取得了较大进步，其发展前景也相当乐观，也是以后各国争相发展的项目，尤其在军事领域。它的研究方式方法也将取得突破性进展。单就可靠性强化试验来说，以后会更多的使用MEOST(Multipl environmental over stress test)，即多环境应力试验技术正是一种利用多重应力组合加速激发产品损耗 ，以实现快速检测出其潜在缺陷的先进可靠性技术8。它所能承受的高加速度是以后军事产品发展的必然趋势，其所拥有的试验时间短、产品性能优良、可靠性高等特点，必将领跑于各行业。但对比国内现状，可靠性强化试验还是一项新的技术和手段，相比国外发达国家我们还有很长的路要走，任重而道远。2 高g值产品典型工作环境应力分析与强化试验剖面设计21 工作环境应力类型对于高g值产品，与普通产品的不同在于它的使用环境更为恶劣，工作环境应力也更复杂。特别对于军用产品，主要受到强烈的机械冲击、机械振动、稳态高温、稳态低温、瞬时温变以及集中条件的综合等极端的工作环境应力。本文着重介绍温度应力试验，而温度应力试验分两个个过程，温度步进应力和温度快速冲击。211 步进应力试验步进应力试验是最广泛使用的可靠性强化试验。图2.1是广义型式的步进应力试验示意图。3个广义应力S 1,S2,S3相互垂直。这些应力也许是环境应力，如温度或振动;或者是工作应力，如电压。这里只提到3种应力，实际上所有可能产生失效的应力都必须考虑。图中的小立方体表示技术规范极限，立方体的外角表示这些应力极限内最恶劣的应力状态。大立方体代表超出技术规范应力极限的一种应力组合。向量T从技术规范极限立方体的外角到试验极限立方体的外角，它描述了应力组合以步进方式增加所通过的路径。图中更详细地描述了向量T9。图2-1 广义型式的步进应力试验示意图 图2-2 步进应力试验的一般方法应力单位是被选择进行试验的组合应力的增量。这些台阶相当于持续时间，可以小到几分钟，但是很少超过24小时。不同型式的应力S1,S2,S3可以同时施加或顺序施加，它们也可以施加到单独的样件上。第一级或第一步通常处于或低于技术规范应力极限。这一步完成后将失效的零件拆除并进行分析。在继续进行试验之前，在这一步上，可以分析并纠正设计误差或其它缺陷。逐步增大应力等级重复这一过程，直到出现下述3种情况之一10:1) 全部零件都失效;2) 应力等级已经达到并远远超过了为验证耐用产品设计所要求的水平;3)随着以更高的应力等级引入新的失效机理，不相关失效开始出现,不相关失效是指使用中不可能出现的失效，例如焊点熔化。综上所述，可靠性强化试验有如下技术特点:1） 可靠性强化试验施加的环境应力和工作应力是变化的，且是递增的，可见它是一种加速试验;2) 既然主要目的是查明和排除设计中的薄弱环节，评价产品设计可靠性，那么因制造(工艺)所造成的缺陷自然被看成是不相关的，不是主要的目的(制造缺陷主要靠坏境应力筛选);3) 为了试验的有效性，可靠性强化试验必须在能够代表设计、元件、材料 和生产中所使用的制造工艺都己落实的样件上进行，并且应尽早进行，以便修改设计;4) 可靠性强化试验是在超出规范极限以外进行并且快速进行，这也是可靠性强化试验与传统的可靠性试验方法显著不同的特点之一，由于RET是破坏性试验，所以样件尽可能少。从可靠性强化试验的技术特点可见11，如果在产品研制阶段适当的规划和实施可靠性强化试验，可以使产品承制方在研制阶段确保得到高可靠性，并且已经知道第一件产品具有“成熟的可靠性”;可以使产品承制方从中获得可用于改进产品最快和最准确的的信息;可以确定环境应力筛选(ESS)的应力量级;可以使鉴定试验的故障减到最低程度，确保使用方在使用时拿到较成熟的高可靠性产品。22 试验样品的研究221 试验样品的选择试验样品的选择必须是典型的高g值产品，比如无线引信头、存储测试仪等。同时，必须选择能够代表设计和工艺的样本，使试验具有一定的标准和规范。试验前应对试验样品进行检测，确保各种试验样品本性能正常。本文选择无线电引信头和涡轮电机进行试验，从而获得相关高g值产品的可靠性的数据性能等。由于试验过程中所施加的应力较大，安全系统中火工品的存在极有可能发生危险，因此必须将安全系统中的电点火头、电动作器、导爆管等火工品去除。无线电引信俗称雷达引信，是利用无线电波觉察目标，以获取引爆信息确定引爆时机。它在战术导弹和战略导弹中均被广泛应用。是由保险机构、远距离解除保险机构、自炸机构（他通常用于对空引信）、觉察装置、隔离装置、发火结构等几部分组成，其重要部分为觉察装置12。本文主要对无线电引信的金属外壳和里面填充的聚氨酯对低频电路的保护情况进行可靠性强化试验仿真。因为对于金属外壳，温度会改变其刚度和塑性，直接影响到使用可靠度。对于聚氨酯包裹的低频电路板，在高温下，可能发生松动甚至脱落的情况。对于涡轮电机，主要对其涡轮进行试验。因为涡轮在高速旋转下，面临极限温度，可能会发生断裂折断现象,是整个电机的薄弱环节。图2-3 XXX引信图2-4 XXX引信的各结构23 热力分析热分析用来处理固体热传导，其主要的未知量是温度，它是一个标量。因此，无论在什么类型的单元中，在热分析有限元模型的节点上，只需要考虑一个自由度。热分析模拟的是热流的稳态情况，即热流持续进行，不随时间变化。稳态的热分析类似于线性的静力分析，瞬态热分析类似于动态结构分析13。231 热传导机理凡有温差的地方就有热量的传递。热量传递的两个基本规律是:热量从高温区流向低温区;高温区发出的必定等于低温区吸收的热量。热量的传递过程可分为稳定过程和不稳定过程两大类:凡是物体中各点温度不随时间而变化的热传递过程称为稳定热传递过程;反之则称之为不稳定过程。热传递机理有：传导、对流和辐射。1） 传导 传导是固体中热传递最重要的方式，并不涉及物体运动，流体通过分子间的碰撞来传递热量，而引起碰撞的能力来自温度。热传导从高温区传到低温区，传送热量的大小与热导率、温度梯度T热-T冷、热传送通过的面积A。热量的大小与介质的厚度L成反比。/L (2-1)图2-5 热传导示意图2） 对流 对流是一种传热模式，即固体对表面与附近流体（液体或气体）间的传热。固体表面与附近流体对流传热的大小与对流系数h、表面积A、表面与好走位气体之间的温差，即 (2-2)对流传热有自然（自由）对流和强制对流两种方式。在自然对流中，固体表面附近的流体运动时由浮力引起的，浮力是因为流体密度变化引起的，而密度的变化又是由于固体与流体之间的温差所致。强制对流是使用风扇或风泵来加速固体表面流体的流动。固体表面流体的快速运动不但增大了温度梯度，还提高了热交换率。图2-6 对流示意图3） 辐射 热辐射就是在一定温度下的物体的热能通过电磁波的形式向外发射的过程。任何在热力学零度以上的物体都会发射热能。温度越高，辐射传热就越明显。辐射的热量与热力学温度的4次方成正比。黑体的辐射能量由Stefan-boltzmann准则决定，该法则给出了黑体总的发射能量Q为 (2-3)其中，为Stefan-boltzmann常数；T为黑体的热力学温度。Stefan-boltzmann常数为5.6710-8W/（m2K4）。当温度为Ts,表面积为A的黑体进入了介质时，该介质的环境温度为TA，则黑体辐射的净比率为 (2-4)其中Ts为黑体的热力学温度，TA为周围介质的热力学温度（环境温度）。对于非黑体的表面，热辐射的表达式为 (2-5)其中，为辐射表面的发射率，即物体表面的发射能量与相同温度下黑体的发射能量之间的比率。232 热分析步骤稳态分析瞬态分析（阶梯热载荷）瞬态分析（变化热载荷）瞬态分析（恒温器控制的热载荷）稳态是指模型的最终温度在经过足够长时间之后，热流达到平衡并且温度场稳定。阶梯热载荷是指整个热载荷在0时刻加载完毕，并且在之后的分析中保持常量。233 热分析的研究方法求解导热问题，可以用解析法、数值分析法、图解法及模拟解法等。其中解析法和数值分析法应用得最普遍。解析法是以数学分析为基础，由求解导热微分方程，以获得用函数形式表示的温度分布。但是，解析法局限于求解比较简单的问题。对于几何形状复杂，变物性或复杂边界条件等问题。解析法往往无能为力。此时，一种行之有效的方法是数值分析法。数值分析法通常是把微分方程转化成一组代数方程再求解。这种方法求解的结果是获得所研究区域内我们感兴趣的一些点上的未知量的数值，而不能给出以函数形式表示的温度分布。数值分析法和解析法相比，其优点是，可以解决许多较复杂的工程导热问题;其缺点是，有时难于知道计算的误差，难于解释计算结果的物理意义，以及在计算中可能会出现不收敛或数据振荡等不稳定问题。导热问题的数值解法有:有限差分法、有限单元法以及边界元法等14。234 温度对高g值产品产生的失效模式151）高温产生的失效模式a.高温加速金属材料表面的氧化，降低材料的刚度、强度使轴及结构材料的机械强度降低。b.高温使绕组等导线材料的电阻率增加并使导磁体的磁性能发生变化。c.使绝缘材料加速老化，使其机械强度降低，导致绝缘性能下降，抗电强度降低，造成热击穿,因而其线圈在高温下工作易产生击穿,造成短路或开路。绝缘材料变软受力易损坏。d.使防酸、碱性等材料变软，机械强度降低，受力易损坏。使弹性材料的弹性变坏。e.不同的线膨胀系数造成组合件产二生变形等，导致产生机械故障。f.高温会造成润滑油脂泄漏、挥发,使润滑受到破坏,导致机械磨损增加。g.高温下使晶体管、电阻、电容及变压器等元器件的电参数及其特性发生明显的变化使变压器线圈电阻增加。h.不同材料的接触处，由于高温下膨胀系数的不同，造成接缝的间缝变化，破坏了密封性。使密封装置老化，失去密封性。2） 低温产生的失效模式a 使金属材料的刚度增加，甚至脆化，在受到冲击加载或碰撞时会产生脆性断裂。b.绕组导电材料的电阻率下降，并使导磁体的导磁性能变坏。c，使绝缘材料开裂、弯曲和分层，使绝缘性能下降，抗电强度降低。使橡胶制品硬化失去弹性。d.不同材料组合件由于线膨胀系数不同，而产生变形。e.使电阻器的电阻变化，电容器的电抗变化，变压器线圈电阻减小，导磁体的导磁性能变坏 。3） 高低温冲击产生的失效模式a.温度冲击使导磁材料和导电材料性能发生变化。b.高低温冲击会造成绝缘材料的开裂，分层和弯曲变形。使绝缘性能降低。c.低温使零件表面受到凝露、结霜、冰冻的侵袭，造成绕组、引线等的短路。d.温度的急剧变化，由于各零件的线膨胀系数不同，造成接缝的开裂、嵌件的松动，零件间配合不正常产生机械应力严重时使结构破坏。e由于热胀冷缩的应力，会造成电容器、晶体管等电子元件的管帽产生裂纹，衬底开裂，引线封接断开等。使电子元器件和变压器的电参数发生变化。235先做低温试验和先做高温试验的区别一般情况认为先做低温试验然后再做高温试验。依据原理是低温下产品很难出现破坏性的不能恢复的故障，而高温下容易出现破坏故障，不能再次恢复了。这样，做完低温后就可以继续做高温试验，节省了试验样本量,从而节省了成本。24 试验过程241 试验顺序的安排对于一个试验必须有合理并且高效的试验顺序和结构安排，本着由浅入深，由易到难的顺序进行，更能暴露出产品的缺陷和不足。本课题采用以下试验顺序循序渐进的进行：稳态低温试验稳态高温试验温度冲击试验242 步进试验公式温度步进实验中，高温对缺陷的激发符合Arrbenius方程，其表达式为15 (2-6) 式中，L为激发某一缺陷所需的时间；B为常数；Ea为活化能；k为波耳兹曼常数；T为绝对温度k;由该式可知，温度越高，对缺陷的激发效率越高，所需时间越短，此外，在低温步进试验中，温度越高，与正常条件下的温度差越大，则所对应的应力水平越高，相应地对缺陷的激发效率也越高。因此在温度步进实验中可通过逐渐提高温度应力，达到快速激发缺陷的目的。243 步进试验参数确定（1） 起始温度应力在可靠性强化试验中，温度起始应力一般设置为技术规范应力极限或略低于技术规范应力极限。XX型引信的使用温度范围为-4050摄氏度，存储温度范围为-60+70，因此低温起始温度设置为-40，高温起始温度设置为50（2） 温度步长温度步长一般选取510为宜。如果选取的步长过大，则不利于确定引信各部件发生故障的精确温度；如果步长太小，则步阶过多，消耗了更多的时间和实验成本。由于引信为高可靠长寿命产品，引信各部件在短期内发生故障的应力水平也较高，因而将起始温度步长设置为10，当低温达到-50，高温达到100时，步长设置为5。(3) 保温时间保温时间包括试件温度稳定时间和在各步阶温度上的浸泡时间。当受试各部件中响应最慢部分的温度与设定温度之差在规定范围之内时，就可以认为实现了稳定。在XX型引信的各部件中，壳体体积最大，且其内部经过灌封的电子部件导热系数很低，故温度时间最长。在壳体上开一小孔，将温度传感器探头深入进去，并灌封材料重新封好，检测壳体中温度响应最慢处的温度变化情况。 侵泡时间用于两个目的，一是保证材料发生蠕变，二是完成功能测试，找出故障材料发生蠕变所需时间一般为5min左右，壳体的功能测试所需时间为5min。因此，浸泡时间为10min，加上温度稳定时间，确定各部步阶温度应力的保温时间为25min.(4）实验终止判据通过温度步进强化实验，找出引信各部件在高低温环境中的故障模式，当确定引信各部件的高低温工作极限和破坏极限。根据产品工作极限和破坏极限的定义，确定各部件的工作极限和破坏极限判定依据；在实验过程中，某一部件的实验样本在某一温度点有一半达到工作极限时，则判定该温度点为破坏极限。244 温度冲击实验1. 温度循环实验的激发效率温度冲击实验激发产品缺陷的主要原理是通过温度周期性是存在膨胀系数差异的不同结构之间或存在温度梯度的同一结构内部产生交变的机械应力，导致试件存在缺陷的部位由于应力集中而快速疲劳，使产品薄弱环节得以迅速暴露。根据置信度为85%时的环境应力筛选经验公式，温度循环应力对其敏感缺陷的激发效率可表示为 (2-7)式中，S为对敏感缺陷的激发效率（%）；R为温度变化范围，即最高温度和最温度之差（）；e为自然对数的底；V为温度变化速率（/min）；N为循环次数。由式（2-7）可知，温度循环的参数中，对激发效率最有影响的是温度变化范围R、温度变化速率V以及循环次数N。提高温度变化范围和变化速率能加强产品的热胀冷缩程度和缩短这一过程的时间，而循环次数的增加则能累积这种激发效应。2、温度循环试验剖面中基本参数的确定（1）温度极值温度循环试验中的温度极值（最高和最低温度）决定了试验强度，温度变化范围表明了引信在每一个循环中所经受的热应力/应变。可通过选择最佳温度极值，使将缺陷发展为故障所需的循环次数最少。通过温度步进试验，获知引信各部件的温度工作极限和破坏极限如表2-1所示。表2-1引信各部件温度工作极限和破坏极限Table 2-1 Temperature operating limit and destruct limit of each part of fuze部件名称低温工作极限/低温破坏极限/高温工作极限/高温破坏极限/壳体-60-85150165涡轮-65-85155170聚氨酯-85-85180180由上表可知，引信各部件的温度工作极限和破坏极限各不相同，其中以壳体对温度应力最为敏感。为降低试验费用，将引信各部件同时进行温度循环试验，温度极值根据壳体的温度工作极限和破坏极限来确定。壳体中装定机构为纯机械部件，电子部件也经过了灌封，温变率对激发效率的影响并不大，因此有必要通过提高温度极值来达到提高激发效率的目的。由于壳体的温度工作极限和破坏极限之间的差距较大，在温度循环试验中采用恒定较小应力的温度极值，很难有效地激发缺陷，因此须采用步进的方式逐渐加大应力。根据本小节中的分析，温度循环试验共进行五个循环，本文将在壳体的工作极限和略低于破坏极限的温度值之间设置五组温度极值，所设定的各循环温度极值如表2-2所示。表2-1 各循环温度极值Table 2-2 Temperature limit of every circle循环数循环1循环2循环3循环4循环5温度极值低温/-60-65-70-75-80高温/150155160165170由式可知，温度循环的参数中，对激发效率最有影响的是温度变化范围R、温度变化速率V以及循环次数N。提高温度变化范围和变化速率能加强产品的热胀冷缩程度和缩短这一过程的时间，而循环次数的增加则能累积这种激发效应。 (2)温度极值处的保温时间 在温度循环试验中，保温时间同样包括温度稳定时间和浸泡时间。将-60的壳体放入150的试验箱中，利用温度传感器检测壳体内部温度变化情况，20min后壳体的温度基本达到稳定。加上浸泡时间lOmin，故确定温度极值处的保温时间为30min。(3)温度变化速率 温度变化速率以复杂的方式影响试验强度，也影响试验的持续时问，从而影响试验费用。可靠性强化试验的温变率一般不小于15/min，但最大不超过60/min，这是由目前试验箱的试验能力决定的。温变率是指试验箱内的温度变化速率，由于引信的热惯性，其实际温变率会远低于试验箱内的温变率。由式(2-7)绘制当温度变化范围R为210时（温度极值为150和-60时），温变率V分别为15/min、20/min、40/min所对应的激发效率曲线，如图2-7所示。由图可知，温变率越大，温度循环对缺陷的激发效率越高，所需的循环次数越少。另外由于温变率的提高，单个周期的试验时间缩短，从而缩短了试验总时间。通过对电子元器件进行温度循环试验，验证了该结论。图2-7 温度循环激发效率曲线Fig.2-7 Exciting efficiency curve of temperature circle对于壳体和涡轮，高的温变率对应较高的应力水平，对激发缺陷也是有利的。综上分析，选取的初始温变率为40/min。如果在五个循环内仍不能有效激发缺陷，将在第五个循坏的应力基础上，提高温变率进行下一循环的试验。(4)温度循环次数 温度循环次数影响试验的有效性和持续时间，从而影响试验费用。由式(2-7)和图2-7可知，当温度变化范围为210，温变率为40/min时，经过三个循环后，其激摹已达到99.9%，即使试件的温变率小于试验箱中的温变率，经过五个循环后，也足以析出大多数对温度循环较为敏感的缺陷，因此确定温度循环次数为五次。3 检测时机及时间在温度循环试验中，在温度极度保持阶段的最后5分钟，完成对壳体的性能测试。每次循环结束后，对壳体的性能测试。没循环结束后，对壳体的外观及装订可靠性、涡轮和聚氨酯进行检测，所需时间为5min。若试验部件出现故障，则需将发生故障的部件完全恢复至常温条件，再次对其进行检测，以确定是否出现了破坏性故障。4试验终止判断在试验过程中，若某一部件样本出现破坏性故障，则终止该样本继续试验。若五个循环结束后，各部件均没有出现破坏性故障，则提高温变率进行第六个循环，若仍未出现破坏性故障，说明各部件缺陷对温度循环应力不敏感，终止试验。3 高g值产品可靠性虚拟试验目前，在国内可做可靠性强化试验的实验室和单位并不多，基本处于起步阶段。大多数采取的都是先通过虚拟试验，获得一定参数和结论以后，再进行实物试验验证。本文也不例外，本试验先通过solidworks进行建模，再利用其中的cosmoswork进行温度仿真，从而得到高g值产品的温度极限以及抗温度冲击的能力。31 solidworks简介17SolidWorks为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统。3-1 solidworks开启画面3.2 solidworks软件的特点Solidworks软件功能强大，组件繁多。Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。321 全动感用户界面1）、只有SolidWorks 才提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的零乱。2）、崭新的属性管理员用来高效地管理整个设计过程和步骤。属性管理员包含所有的设计数据和参数，而且操作方便、界面直观。3）、用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks资源管理器是唯一一个同Windows资源器类似的CAD文件管理器。4）、特征模版为标准件和标准特征，提供了良好的环境。用户可以直接从特征模版上调用标准的零件和特征，并与同事共享。5）、SolidWorks 提供的AutoCAD模拟器，使得AutoCAD用户可以保持原有的作图习惯，顺利地从二维设计转向三维实体设计。322 配置管理配置管理是SolidWorks软件体系结构中非常独特的一部分，它涉及到零件设计、装配设计和工程图。配置管理使得你能够在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。323 装配设计在SolidWorks 中，当生成新零件时，可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。 1） SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。 2） 用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。 3） 镜像部件是SolidWorks 技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。 4） SolidWorks 用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。324 工程图SolidWorks 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图是全相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。 1） 从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。 2） 增强了的详图操作和剖视图，包括生成剖中剖视图、部件的图层支持、熟悉的二维草图功能、以及详图中的属性管理员。 3） 使用RapidDraft技术，可以将工程图与三维零件和装配体脱离，进行单独操作，以加快工程图的操作，但保持与三维零件和装配体的全相关。 4） 用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同的位置，以便了解运动的顺序。交替位置显示视图是专门为具有运动关系的装配体而设计的独特的工程图功能。325 Solidworks20122011年9月20日，DS SolidWorks推出SolidWorks 2012新品，这也是SolidWorks的CAD软件史上发布的第20 个版本。在SolidWorks 2012 中，新增了和完善了200 多项功能，可以更好的帮助提高企业创新能力和设计团队的工作效率。在这个版本中增加了大型审阅图和走查等众多功能，其中大型审阅图可以快速打开复杂的大型装配体，节省系统资源。走查功能可以模仿人眼的观察走向，可以更加清晰的看到复杂的构造内部。且这个版本也是官方宣称更加符合GB的版本，例如加入了仿宋的新字体，GB的图纸模版。值得一提的是，官方宣称Solidworks2012将是最后一个支持Windows XP的版本，这个提示可以在初次安装时弹出提示框。图3-2 solidworks绘图画面33 cosmosworks简介18COSMOSWORKS 是完全整合在SolidWorks中设计分析系统的, 提供压力、频率、约束、热量和优化分析, 为设计工程师在SolidWorks 的环境下, 提供比较完整的分析手段。331 cosmosworks的特点COSMOSWORKS 集功能强大、简单好用和计算精确三大特点为一身。COSMOSWORKS 易学易用, 简洁直观, 能够在普通的PC 机上运行, 不需要专业的有限元经验。普通的工程师都可以进行工程分析, 迅速得到分析结果, 从而最大限度地缩短设计周期, 降低测试成本, 提高产品质量, 加大利润空间。COSMOSWORKS 作为世界上最快的有限元分析软件, 采用FFE( Fast Finite Element ) 技术使得复杂耗时的工程分析时间大大缩短, 能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证, 并且获得修正和优化设计所需的必要信息。分析的模型和结果与SolidWorks 共享一个数据库, 这意味着设计与分析数据将没有繁琐的双向转换操作, 分析也因而与计量单位无关。在几何模型上, 可以直接定义载荷和边界条件, 如同生成几何特征, 设计的数据库也会相应地自动更新。计算结果也可以直观地显示在SolidWor ks 精确的设计模型上。这样的环境操作简单、节省时间, 且硬盘空间资源要求很小。COSMOSWORKS 含有精确应力分析模块( Accust ress) , 这是精确应力计算中一个有着划时代意义的工具, 象征着一个过渡期的划分网革新技术。在局部区域网格划分更细密以提供更精确的应力计算结果进行产品设计优化, 植入SolidWorks 的优化和仿真功能使COSMOSWORKS 帮助您无需频繁地重新定义分析就可以更快更准确地修改设计。332 利用cosmosworks进行热应力仿真方法运用COSMOSWORKS 有限元分析软件进行热应力仿真是热结构的耦合运算, 包括热分析和热应力分析, 因此需要加载两次载荷。仿真的方法是先应用其热分析功能求解在一定边界条件下的温度场, 然后将温度场的计算结果作为热载荷进行结构的力学分析, 得到热应力的整个动态变化过程19。在仿真分析前需要进行一些参数定义, 包括定义分析类型和选项, 定义材料属性, 施加载荷和约束, 划分网格。这些参数完整地表述了物理问题的有限元分析。材料属性是热分析和热应力分析响应需要的。负荷和约束定义模型的工作条件。网格描述几何模型的物理模型, 它是有限元分析很重要的一步, 仿真分析的精度很大程度依赖于网格划分的质量。当进行完设定材料、定义载荷和约束、对模型进行网格划分后, 就可以进行仿真分析了。为了确定模拟计算的流程图, 根据摸底试验结论, 设定总环境温度随时间变化的曲线, 温度条件为: 5 个- 60 170的温度循环, 高低温各保温30min, 升降时间为5min, 如图所示，以求解出的温度场作为载荷再进行热应力仿真,求解热应力应变分布。图3-3 温度升降图应用COSMOSWORKS 进行热应力仿真有以下一些优点:首先能够在几何模型上直接定义载荷和边界条件, 使计算结果可以直观地显示在SolidWorks 精确的设计模型上,操作简单,并能迅速得到仿真分析结果, 从而最大限度地缩短快速温变循环强化试验周期,降低试验成本。其次COSMOSWORKS 热应力仿真能够更好地模拟真实情况, 仿真结果也就更精确。34 计算机仿真方法我国计算机仿真应用开发较早，自20世纪50 年代开始，首先在自动控制领域中利用模拟计算机进行数学仿真。后来结合自行研制的三轴转台实现了对飞机和导弹的半实物、半数学模型仿真60 年代在开展连续系统仿真的同时，开始对离散事件系统仿真进行探索70 年代，我国训练仿真器获得了较大的发展，自行研制了飞行模拟器、舰艇模拟器、汽车模拟器、火车机车培训仿真器、火力发电机组控制系统、化工过程控制仿真系统等80 年代我国研制成功了银河数字仿真计算机，仿真脱离了模拟机而进入数字仿真时代。在全国建立了十几个数字仿真中心，出现了一批高水平的科研成果，如长征系列捆绑式火箭、歼击机工程飞行模拟器、潜艇训练半实物仿真系统等90 年代着手对分布交互仿真、多媒体表现环境等先进仿真技术及其应用进行研究，并先后研制成功了“银河仿真”。使仿真技术广泛应用于航空工业、机电工业、钢铁工业、土木建筑工业等各个领域，在一些非工程领域中，诸如环境系统、生物系统、社会系统等方面也同样被广泛使用。在进行方案比较时，可应用仿真技术建立各种方案的数学模型，输入有关参数，以确定理想的设计方案。当进入设计阶段后，则运用仿真软件优选系统参书，从而得到结构中的最优方案，以获得最优性能和品质。计算机仿真的一般流程20：开始问题描述建立系统有限元模型输入边界条件系统运行仿真评价仿真结果仿真工作总结结束修改仿真模型仿真模型有问题修改条件模拟条件有问题YNYNY3-4 仿真流程图341 有限元分析有限元分析21（FEA，Finite Element Analysis）是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。近年来，随着计算机软硬件技术的飞速发展，有限元法在碰撞安全技术研究领域得到了广泛的应用。利用计算机仿真可以在结构设计阶段对结构的碰撞安全性能进行预测，可以详细分析碰撞过程中各零部件的变形和应力传递情况，且通过改变结构设计方案进行仿真计算，可以快速得到满足碰撞安全性能的结构初步设计方案。但是，计算机仿真计算中需要的模型参数还需要通过试验得到，模型的正确性还需要通过试验检验同时，由于实际结构的复杂性，计算机仿真模型中不可能完全真实反映实际结构的全部CA 分析是指危害性分析，其目的是从故障模式的发生后果及其发生概率两方面对每一故障进行评估。CA 是在FMEA 基础上的扩展和深化分析，没有进行FMEA 就无法再进行CA 分析。两者均进行，则就全面完成了FMECA 工作。在得不到故障率数据、严酷度数据的情况下，可用定性分析法来评价故障模式的危害性。严重性类别一般分为四类：类（灾难的）：这种故障会造成公众或人员的死亡；周围环境的重大毁坏；系统毁坏或任务失败。类（致命的）：这种故障会造成公众或人员的重伤；周围环境的较大损坏或导致任务的重要部分未完成及系统严重损失。类（临界的）：这种故障会引起人员轻伤；周围环境的轻度毁坏或导致完成任务的能力有一定的下降或者系统的轻度毁坏。类（轻度的）：这种故障不会导致上述三种后果，但它会导致需要进行非计划维修。根据这四类，作者对存储测试系统的FMEA 进行了进一步的分析，得出了CA 分析。35 虚拟试验的建立建立可靠性强化虚拟试验，首先应建立标准高g值产品的可靠性模型，包括零件图和装配图，再进一步进行虚拟仿真。351 零件的建立建立零件，利用solidworks绘制出所需零件，先绘制平面图，再通过拉伸或者旋转，生成零件图，同时保证与实物大小尺寸一致。例如，下图的无线电引信头壳体，通过旋转得出壳体模型。图3-5 壳体平面图图3-6 无线电引信头壳体352 材质填充对装配好的或者还未装配的零部件进行材质填充，使其与实物材料一致。图3-8 材料填充材质填充完成以后，导入零件，为下一步的零件装配做好准备。353 装配零件将绘制好的各零部件进行精确的装配，保证其配合。图3-7 装配图装配完成后，导入装配体，进入similation环节，为接下来的仿真做好准备。4 可靠性强化试验剖面设计与结果分析本章将依据引信可靠性强化试验方案和可靠性虚拟试验，对引信各部件进行试验，并对试验结果进行分析，找出各部件的故障模式，确定引信的温度工作极限和破坏极限。4