Животкевич И.Н., Смирнов А.П. Надежность технических изделий - файл n1.doc

Животкевич И.Н., Смирнов А.П. Надежность технических изделий
скачать (1198.9 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3994kb.15.05.2011 21:14скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   23
Глава 5.

Метод оценки эксплуатационно-технических характеристик технических изделий на основе многоуровневой системы моделей
5.1. Общее построение метода
Метод оценки ЭТХ ТИ на основе МСМ содержит:
- методическое и программное обеспечение расчетной оценки эксплуатационного состояния системы, отражающие действие механических и климатических ВВФ;
- метод моделирования надежности электронных элементов с использованием физико-статистических и иных моделей отказов;
- методическое и программное обеспечение моделирования ЭТХ ЭО ТИ и его элементов.
Использование метода предполагает решение следующих задач:
- установление связей между условиями эксплуатации, технологией изготовления элементной базы, отдельных частей, конструктивным исполнением и потоками отказов во времени ЖЦ объекта исследований, определяющими его техническое состояние;
- создание универсального методического обеспечения и программного средства на ЭВМ, позволяющих реализовать основные возможности метода;
- обоснование пути улучшения и рациональной ускоренной отработки ЭТХ, опираясь на понимание изменения технического состояния объекта.
В общем виде структура метода оценки ЭТХ ЭО ТИ представлена на рис. 13. Основой метода является система физико-статистических моделей отказа, определяющих надежность электронных элементов, основа которой разработана школой профессора Алексаняна И.Т [36,37]. В соответствии с требованиями по оценкам ЭТХ ТИ эта система моделей изменена и дополнена в исследованиях автора.
Исходная информация, используемая для расчетов, формируется с привлечением внешней информации и результатов расчетных оценок условий эксплуатации объекта. Сама оценка ЭТХ ЭО ТИ основывается на результатах моделирования надежности электронных элементов и предполагает построение МСМ. Информация, необходимая для проведения расчетов конкретных элементов ТИ на этапе проектирования, доступна разработчику. Состав этой информации представлен в разделе 5.5.
Структурная схема метода содержит:
- блок методик подготовки и обоснования исходных данных;
- систему математических моделей, описывающих состояние исследуемой системы;
- методики построения машинных на ЭВМ экспериментов;
- методики анализа свойств составных частей и прогноза обеспечения ЭТХ системы в целом.
Анализ рассматриваемой системы начинается с оценки иерархической структуры в последовательности:
- система,
- блок,
- плата,
- электронный элемент.


Рис.13 Структура метода оценки ЭТХ ЭО ТИ на основе МСМ
Формируется математическое представление моделей отказов и необходимые наборы исходных данных.
Систему ФСМО поддерживает набор методик коротких физических экспериментов, позволяющих для конкретного исполнения электронного элемента оценить исходные параметры для моделирования потоков отказов по этапам ЖЦ. Проведенные расчеты надежности ИЭТ показали, что достоверность исходной информации по моделям отказа, связанные с технологией формирования компонента ненадежности, а также уровни ВВФ, действующие на конкретные элементы, определяют точность результата моделирования.
Проводя последовательно для каждого иерархического уровня системы многократный розыгрыш на ЭВМ условий протекания процессов, формирующих отказовую ситуацию, моделируется отказ элемента системы i-го уровня. Многократное повторение расчета при задании новых вариантов начальных условий позволяет получить необходимую статистику и оценить в требуемом временном интервале потоки отказов во времени эксплуатации и ЭТХ системы i-го уровня. В результате оцениваются ЭТХ как отдельных элементов, так и системы в целом. Разработанные методики поддерживаются комплексом программ на ЭВМ.
ЭО ТИ рассматривается как некоторая многоуровневая система. Нижний уровень определяется возможностью использования моделей отказа по компонентам ненадежности электронных элементов. На следующем уровне рассматриваются группы элементов. Далее - плата и блоки, содержащие законченные узлы, которые обычно разрабатываются и изготавливаются отдельным исполнителем и могут быть заменены при ремонте. Следующий иерархический уровень определяют блоки ЭО с самостоятельным функциональным назначением. Самый верхний уровень - ЭО ТИ в целом. Возможно разделение системы на уровни в зависимости от решаемых конкретных задач.
Моделирование технического состояния системы начинается с оценки потоков отказов по периодам жизненного цикла элементов низшего уровня. Здесь используются ФСМО и иные модели электронных элементов. С использованием МСМ ЭТХ системы по всем иерархическим уровням результаты моделирования потоков отказов элементов формируют отказы составных частей и ЭО ТИ в целом.
В результате моделирования отказов j-го элемента i-го иерархического уровня определяется функция ВБР элемента (рис.14).
(209)
где - время от момента сборки самого элемента до его применения в эксплуатации (время предэксплуатационного ожидания до, например, консервации или хранения на складе, транспортирования или подвески под носитель и пр.);
- текущее время эксплуатации элемента.
Таким образом, график функции ВБР (209) отображенный в плоскостях , характеризует изменение ВБР элемента в период предэксплуатационного ожидания, а график этой функции, отображенный в плоскостях , определяет изменение ВБР в период эксплуатации.
Рассмотрим в качестве критического низшего значения ВБР j-го элемента i-го уровня нижнюю границу вероятности по ТЗ. На рис. 14 она представлена плоскостью . Линия пересечения графика функции (209) с плоскостью PNM определяет зависимость изменения допустимого времени эксплуатации j-го элемента i-го уровня от времени предэксплуатационного ожидания при условии, что ВБР достигла критического значения.


Рис. 14. График функции изменения вероятности безотказной работы j-го элемента i-го уровня
Для области значений функции , расположенной над плоскостью , имеем
(210)
Рассмотрим на кривой NM точку с координатой , соответствующей заданному в ТЗ допустимому времени эксплуатации элемента. Проведем через точку плоскость , параллельную плоскости . Линия пересечения графика функции (209) с плоскостью определяет изменение ВБР по времени эксплуатации при максимально допустимом времени предэксплуатационного ожидания . При этом и . Для области , ограниченной графиком функции (209), и плоскости , и можно записать
(211)
Учитывая, что плоскости и параллельны соответствующим плоскостям, образующим систему координат, характерной точкой, определяющей область, является точка с координатами . На линии NM существует единственная точка с координатой . Это утверждение доказывается с использованием предположения о монотонном снижении надежности элемента системы во времени в силу некоторой совокупности процессов, в том числе и деградационных. В этом случае график функции (209) представляет собой выпуклую поверхность с минимумом в точке со следующими координатами:
(212)
где и - максимальные расчетные значения времен предэксплуатационного ожидания и эксплуатации.
Положение точки определяется расчетом надежности j-го элемента моделью i-го уровня. Исходные данные для такого расчета формируются k элементами предыдущего i-1 уровня и находятся исходя из координат точки . При синтезе системы задаются требованиями по срокам предэксплуатационного ожидания и эксплуатации, взятыми из ТУ на элемент (систему) n-го уровня. Необходимо подобрать элементы n-1 уровня так, чтобы объем области , равный , был максимальным. Условие максимума соответствует для элементов предыдущего уровня со своими значениями объемов следующему выражению:
. (213)
Тогда условия обеспечения требований по надежности элемента i-го иерархического уровня системы запишутся в виде:
(214)
Это условие является необходимым, но недостаточным, т.к. кроме него существуют дополнительные требования связей элементов i-го уровня. В выражении (214) величина определяется как
. (215)
Используя (214) и проведя численный расчет имитационной модели n-1 уровня, определяются соответствующие требования к k элементам модели, т.е. устанавливается положение k точек уровня. Последовательным переходом от уровня к уровню рассчитываются потоки отказов во времени и оценивается ЭТХ элементов системы.
После проведения расчетов с определением требуемого уровня ЭТХ встает задача о выполнении этих требований. Если оставить неизмененными НС, а значит и модели на всех уровнях от i = 3 до i = n, то очевидным станет рассматривать имитационные модели 1-го уровня как фундамент всей пирамиды многоуровневой имитационной модели надежности системы. Здесь следует обеспечить высокий уровень надежности электронных элементов, слагающих систему через устойчивость к отказам отдельных составляющих их структур. На этой стадии исследования надежности системы и проявляются существенные достоинства примененных в расчетах ЭТХ ЭО ФСМО.
Расчетная оценка необходимых уровней скоростей деградационных процессов в отдельных структурах и соединениях электронных элементов приводит к формированию требований к параметрам имитационных моделей и позволяет оценить требования к совершенствованию технологии изготовления компонент, конструкции элемента, чистоты применяемых материалов и пр. При исчерпании возможностей замедления деградационных процессов в элементах совершенствованием технологии создания, обеспечения требуемой скорости возникновения отказовой ситуации в элементе можно достичь за счет создания необходимых комфортных условий работы (хранения). Исследования велись для конкретных выделенных в расчете «ненадежных» групп электронных элементов. Используя ФСМО элементов, устанавливались допустимые границы уровней как отдельных ВВФ, действующих на данную группу элементов (температура, влажность, вибрация), так и при их взаимодействии в комплексе.
При невозможности обеспечить требуемый уровень надежности элементной базы за счет изменения технологии создания и конструкции отдельных модулей проводится корректировка многоуровневой имитационной модели, начиная с уровня, соответствующего описанию взаимодействия электронных элементов в группе. На основании имитационного моделирования отказов электронных элементов системы обосновывается введение резервирования разного вида с использованием элементов ОУ. В результате формируются обоснованные рекомендации по изменениям в структуре системы.
Однако для получения ощутимых и достоверных результатов необходимо обеспечить организацию подготовки и проведения вычислительного процесса, предусматривающего непрерывное поступление исходных данных по конструктивному исполнению и технологии изготовления электронных элементов от предприятий-изготовителей. На их основе сформировать банк данных по современной элементной базе. Существующие модели, реализованные в комплексы программ, позволяют оценить распределение ВВФ по элементам ЭО ТИ с учетом конкретных условий применения. Информационное наполнение этих моделей возможно только совместно с предприятиями-разработчиками составных частей системы, как в части конструктивного исполнения, так и функциональных схем плат и блоков.
Несколько комплексов программ (несколько тысяч операторов) объединены в единое обобщенное программное средство с единой технологической цепочкой получения результатов, а эти результаты используются в дальнейших процедурах анализа и вычисления.
5.2.Модели условий эксплуатации изделий

5.2.1. Модели жизненных циклов
Опыт создания и отработки ТИ свидетельствует о существенном влиянии ВВТ на возникновение отказов в ЭО. Анализ причин отказов элементов ЭО показывает, что каждый отказ зачастую связан с преобладающим действием какого-либо одного доминирующего фактора. С точки зрения физической природы отказа это справедливо, однако с точки зрения влияния внешних воздействующих факторов на скорость развития отказов это не соответствует действительности. Так например, при бароударах, характерных для полета маневренных летательных аппаратов, в микротрещины лаковых покрытий элементов ЭО засасывается влага, которая, накапливаясь в них, создает чисто влажностную картину отказа. Многие факторы являются как бы катализаторами, ускоряющими действие других факторов, что существенно влияет на уровни показателей безотказности. Так например, влияние бароударов в чистом виде практически отсутствует, однако влияние этого фактора в сочетании с пониженной температурой, а также в сочетании с функционированием, вибрацией и повышенной температурой дает очень существенный эффект. Анализ испытаний и эксплуатации современного ЭО наглядно показывает, что его надежность существенно зависит от условий эксплуатации. Поэтому основой для всех работ, направленных на обеспечение ЭТХ ЭО ТИ, является модель его эксплуатации.
Модель эксплуатации ЭО включает в себя последовательность этапов с циклограммами характерных ВВФ.
С использованием модели эксплуатации строятся базовый и типовой циклы эксплуатации. Под типовым циклом будет подразумеваться модель процесса изменения условий эксплуатации. Типовой цикл эксплуатации должен достаточно полно отражать этапы эксплуатации ТИ, а циклограмма модельных расчетов и дальнейших испытаний наиболее точно задавать как уровни внешних воздействующих факторов, соответствующих типовому циклу, так и циклограмму функционирования аппаратуры.
При формировании базового цикла эксплуатации, например, бортовой аппаратуры летательного аппарата, разрабатываются температурные циклограммы для двух-трех климатических районов, задающих экстремальные условия сезонных периодов эксплуатации. Температурная циклограмма типового цикла эксплуатации состоит из двух этапов: времени t, в течение которого моделируются условия стоянки на земле для соответствующего периода эксплуатации, и времени t, в течение которого моделируется изменение температуры в отсеке летательного аппарата во время выполнения им соответствующего полетного задания. Формирование базового цикла эксплуатации проводится на основе данных по распределению температур на этапе стоянки для выбранных климатических районов, определяющих экстремальные условия сезонных периодов за календарный год эксплуатации, путем задания экстремальных значений температур в соответствующих интервалах условного года эксплуатации.
В общем виде математическую модель эксплуатации системы можно составить при следующих предположениях. Пусть рассматриваемая система в любой момент времени может находится в одном из L возможных состояний, а x - случайная величина, представляющая собой время пребывания системы в i-ом состоянии при условии, что следующий переход произойдет в состояние j. Через F(x) обозначим функцию распределения случайной величины x. Оценка ЭТХ ЭО ТИ с использованием МСМ по этапам жизненного цикла проводится на основе моделирования потоков отказа во времени отдельных этапов. Осуществляется переход от конечного состояния элемента в предыдущем этапе к начальному его состоянию в последующем с корректировкой параметров моделей. Анализ процессов эксплуатации показывает, что смена этапов эксплуатации сложной технической системы может быть описана матрицей переходных вероятностей P = (p).
Процесс {z(x); x > 0}, где z(x) = i, если система в момент времени x проходит i-й этап эксплуатации, определенный матрицами Р и Fij(x) будет, очевидно, представлять собой полумарковский процесс, который может служить моделью процесса эксплуатации системы в период ее штатного использования.
5.2.2. Модели внешних воздействующих факторов

5.2.2.1. Механические внешние воздействующие факторы
Изменение механических нагрузок на этапах эксплуатации описывается различными процессами. Решается вопрос о выборе более универсального метода описания реальных процессов. В качестве характеристик используются энергетические и временные параметры:
- время воздействия;
- диапазон частот внешнего возбуждения процесса;
- максимальная амплитуда виброударного или случайного воздействия;
- суммарная или приведенная энергия воздействия.
В общем случае, реакция ТИ на механические ВВФ за типовой эксплуатационный цикл, влияющий на снижение величины предельного уровня циклического напряжения, усталостную прочность и другие параметры, отражающие изменение характеристик материалов конструкции, можно представить как сумму воздействий каждого из этапов [38]:
(216)
5.2.2.2. Расчетная оценка климатических внешних воздействующих факторов
Для оценки ЭТХ ЭО ТИ важное значение имеет методическое обеспечение по расчету теплового состояния элементов сложной составной конструкции с учетом внутренних тепловыделений от работающей аппаратуры для широкого спектра режимов эксплуатации. В целях обеспечения решения основных задач теплового проектирования необходимо иметь возможность комплексного учета [39]:
- сложного характера тепловых нагрузок, действующих на ТИ при его эксплуатации;
- широкого спектра граничных условий, включающих, например, учет радиационного теплообмена и коррекции характеристик граничных условий на всех границах;
- сложного теплообмена в воздушных прослойках конструкции;
- зависимости теплофизических характеристик материалов от температуры, ортотропная анизотропия теплофизических свойств;
- сложного характера внутренних тепловыделений.
Наряду с тепловым состоянием элементов конструкции необходимо определить давление и влажность окружающего воздуха для всех режимов эксплуатации.
Поставленная физическая задача реализована в виде пакета прикладных программ, предназначенного для рабочего теплового проектирования и проведения отдельных исследовательских работ [39,40].
Дифференциальное уравнение теплопроводности для каждой однородной подобласти составного тела относительно температуры T(M,t), функции пространственных координат точки М и времени t имеет следующий вид:
(217)
где L - количество однородных подобластей ;
G - рассматриваемый объем тела;
= f(T) - объемная теплоемкость;
T - тензор коэффициента теплопроводности, компоненты которого зависят от температуры;
q = f(t) - внутренние источники.
Выражение (217) является нелинейным уравнением, так как в общем случае и l являются функциями координат и температуры, q - функция времени.
Для рассматриваемых тел с ортотропными материалами (направления главных компонент тензора коэффициента теплопроводности совпадают с направлениями соответствующих осей координат) дифференциальное уравнение теплопроводности, в следствии особенностей ТИ, его геометрии и характеристик, описывается в декартовой и цилиндрической систем координат и может быть представлена в следующем виде:
(218)
где при m = 0 - декартовая система координат,
m = 1 - цилиндрическая система координат,
- главные значения тензора коэффициента теплопроводности T.
Для однозначного определения температурного поля в твердом теле необходимо задать начальные и граничные условия. Начальные условия характеризуются уравнением
, (219)
где функция f(x,y,z) предполагается известной. На внешних границах Г задаются условия в виде баланса энергии. Объем G имеет внешние границы Г, i = 1,2,+4:

Для каждой точки Р, принадлежащей соответствующей внешней границе Г, граничные условия определяются в виде
(220)
где n - вектор внешней нормали к поверхности Г;
- коэффициент теплоотдачи к поверхности Г (находится по известным методикам);
- адиабатическая температура (находится по известным методикам);
- температура окружающей среды, с которой поверхность обменивается лучистым потоком;
- приведенная степень черноты системы (поверхность - окружающая среда);
s = 5,67·10Вт\(мК) - постоянная Стефана-Больцмана;
На границах контакта разнородных материалов должны выполняться условия идеального контакта а именно:
(221)


где индексы "-" и "+" указывают на значения параметров соответственно слева и справа от границы.
В случае, если на какой-либо границе физической модели условия идеального контакта не выполняются, то зона неидеального контакта должна быть заменена на расчетной схеме подобластью с материалом, имеющим эффективные теплофизические характеристики, моделирующие свойства этой зоны. На границах таких подобластей должны выполняться условия идеального контакта.
Приведенные уравнения, начальные и граничные условия полностью описывают температурные поля в твердых телах с учетом тепловыделений. Тепловые нагрузки, действующие на конструкцию, находятся из расчетов по полуэмпирической методике, в основу которой положены методы, изложенные в работах академика Авдуевского. В.С.
Давление и влажность окружающего воздуха либо задаются или рассчитываются по полуэмпирическим методикам в соответствии с нормативными требованиями и стандартами, либо определяются из результатов экспериментальных исследований.
Система уравнений (217-221) представляет собой постановку сложной краевой задачи с нелинейностью, выраженной наличием в граничных условиях составляющей, содержащей значения температуры на границе в четвертой степени. Результаты анализа характера изменений функций, входящих в граничные условия, и оценка погрешностей требуют линеаризации краевых условий. В случае достаточно сильных изменений параметров в граничных условиях решение рассмотренной краевой задачи проводится с помощью итерационного процесса. За исходное значение температуры на границе берется решение, полученное на предыдущем слое по времени. В качестве расчетной области задается сечение конструкции соответствующей координатной плоскостью.
Уровень достоверности моделей оценки климатических ВВФ может зависеть не только от уровня исследования соответствующего, например, теплового процесса, но и от значимости самого ВВФ и от требуемой погрешности результата. Поэтому при разработке ТИ математические модели, позволяющие оценить значимые климатические ВВФ, в соответствии с опытом их применения представляют собой: таблицы, подлежащие интерполированию; аппроксимирующие зависимости, полученные в результате численных или натурных экспериментов; аналитически полученные соотношения. Для более сложных процессов возможна их комбинация.
При решении задач моделирования достаточно сложных процессов теплообмена (учет фазовых переходов, учет сложного теплообмена в воздушных прослойках, уноса материала, теплообмена в зонах контакта и т.п.) в ряде случаев можно с достаточной степенью адекватности воспользоваться методом фиктивных областей, т.е. моделировать процесс в элементе конструкции подобластью на расчетной схеме с материалом, эффективные теплофизические характеристики которого, являясь функциями некоторых параметров, позволяют учесть тепловой эффект того или иного процесса.
Достаточно точный расчет теплообмена в воздушных полостях реальных конструкций сопряжен со значительными трудностями, вследствие больших затрат ресурсов ЭВМ при реализации сложных алгоритмов для расчета лучисто-конвективного теплообмена. Для определения теплового состояния реальной конструкции используются приближенные методы расчета сложного теплообмена в воздушных полостях.
Принимая во внимание, что в силу высокой плотности компоновки современной РЭА, воздушные полости имеют в большинстве своем ярко выраженный характер тонких прослоек, используются широко апробированные полуэмпирические зависимости по расчету сложного теплообмена в полостях и кольцевых тонких воздушных прослойках. Методика учета сложного лучисто-конвективного теплообмена в воздушной прослойке состоит в следующем. Рассматривается плоская или кольцевая тонкая воздушная прослойка между двумя параллельными поверхностями, имеющими различную температуру и расположенными под углом F по отношению к вектору действия массовых сил (к вектору силы тяжести, ускорения). Проводится теплофизический анализ процессов, протекающих в воздушных полостях реальной конструкции. В результате этого анализа на теплофизической схеме задаются подобласти с теплофизическими характеристиками, при которых процесс переноса тепла в материале с эквивалентной эффективной теплопроводностью в подобласти соответствует реальному процессу сложного теплообмена в соответствующей воздушной полости.
При численном решении задачи на каждом шаге по времени для каждой такой подобласти рассчитываются эквивалентные теплофизические характеристики материала. В принятой методике объемная теплоемкость материала подобласти принимается равной теплоемкости воздуха, а значение коэффициента теплопроводности рассчитывается с учетом того, что тепловой поток через прослойку равен сумме лучистого, конвективного и индуктивного потоков. При этом во внимание берутся размеры и ориентация прослойки по отношению к вектору силы тяжести, вид прослойки (плоская или цилиндрическая), направления теплового потока, а также герметичность конструкции. При численном моделировании ВВФ на элементы конструкции ТИ большое значение имеет определение давления и влажности воздуха, окружающего ТИ на всех этапах жизненного цикла, а также при его проектировании и отработке. Для оценки данных ВВФ используется программа АТМА, которая позволяет рассчитывать для заданной высоты полета весь комплекс параметров, характеризующих состояние атмосферы, как стандартной, так и заданной в виде распределения, полученного экспериментальными замерами. Программа может использоваться при тепловом проектировании, при проведении, например, аэродинамических расчетов, для приведения результатов ТИ и их элементов к одинаковым условиям, при обработке результатов геофизических и метеорологических наблюдений. Программа АТМА входит в систему ТЕПЛОКАД [39,40]
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   23


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации