徐楓

魚雷電子系統(tǒng)可靠性分析軟件總體架構(gòu)研究

徐楓

現(xiàn)代魚雷組成復雜，電子系統(tǒng)占全雷比重越來越大，元器件數(shù)量達到數(shù)萬個，使得其可靠性已經(jīng)成為制約魚雷整體可靠性提升的瓶頸。本文針對魚雷電子產(chǎn)品可靠性自動分析的實際需求，詳細分析了可靠性自動分析軟件的總體設想、功能要求、軟件設計方法及相關數(shù)據(jù)庫的設計方法等關鍵要素。提出了在設計人員常用的電子產(chǎn)品輔助設計程序protel基礎上，開發(fā)電子產(chǎn)品元器件庫和自動分析程序的總體結(jié)構(gòu)。

可靠性 分析 軟件 研究

1　需求

現(xiàn)代魚雷組成復雜，電子系統(tǒng)占全雷比重越來越大，元器件數(shù)量達到數(shù)萬個，使得其可靠性已經(jīng)成為制約魚雷整體可靠性提升的瓶頸。傳統(tǒng)電子系統(tǒng)可靠性設計是采用人工方法，按元器件分類、等級、環(huán)境應力、應力狀態(tài)等計算失效率進行可靠性預計，計算量大、精確度低、可檢查性差，迫切需要一種可靠性自動分析軟件，真正做到可靠性設計與產(chǎn)品功能、性能設計同步進行，不斷優(yōu)化。

2　目標

可靠性分析軟件是在輔助設計程序protel基礎上，采取開發(fā)自動分析程序、建立元器件參數(shù)庫等方法，進行電子產(chǎn)品部件、組件、系統(tǒng)及全雷可靠性指標預計；針對元器件不同質(zhì)量等級、使用環(huán)境、工作應力等條件進行可靠性仿真，為合理選擇和使用元器件提供依據(jù)。

3　構(gòu)架及功能

3.1基本框架

總體基本框架由“魚雷器件使用條件及參數(shù)（工作溫度、時間、環(huán)境系數(shù)、電應力比等）”、“電子CAD軟件”、“元器件、組部件、系統(tǒng)及全雷可靠性、維修性模型”、“元器件失效率數(shù)據(jù)庫”、“維修時間數(shù)據(jù)庫”及“用戶界面及可靠性模型窗口”等6部分組成，其中后4項目是需要開發(fā)和設計的部分。用戶設定產(chǎn)品可靠性連接方式及所用元器件工作參數(shù)（如：器件類別、工作溫度、工作時間、環(huán)境系數(shù)、電應力等），選擇適當模型，軟件直接根據(jù)使用條件及參數(shù)調(diào)用元器件失效率數(shù)據(jù)庫，預計其可靠性指標，為電子產(chǎn)品設計提供及時有效的決策依據(jù)。

3.2主要功能

（1）假設模擬功能：應能模擬各種假設，如設定使用環(huán)境后，產(chǎn)品可靠度如何，可以用來對有選擇性的設計進行驗證和分析。（2）基本可靠度和基本MTBF計算功能：把系統(tǒng)模型中所有冗余電路當做嚴格的串聯(lián)關系，利于綜合考慮維修、保障和成本對可靠性的影響。（3）任務可靠性和任務MTBF計算功能：考慮包括冗余部件在內(nèi)的電子產(chǎn)品所有可靠性模型，真實反映可靠性能力。（4）冗余電路設計功能：軟件不僅能對可靠性串聯(lián)方式進行計算，而且能對并聯(lián)方式、N中取K方式、和儲備方式等冗余系統(tǒng)進行可靠性預計。（5）自定義數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)調(diào)用、修改功能：用戶可添加非標準庫中的元器件及參數(shù)，對已建立的數(shù)據(jù)庫，在不符合魚雷特定條件時可以修改并加以調(diào)用。

4　建模方法

軟件采用層次化計算模式，即把產(chǎn)品的可靠性模型分為四層（元器件級、組部件級、系統(tǒng)級和全雷級），當給出了元器件各種參數(shù)后分析軟件就可以預計出可靠性指標，如此逐級向上直到預計出全雷可靠性指標。一般設計原則如下：

5　可靠性預計方法

5.1傳統(tǒng)計數(shù)法

其中：λGi為第i種元器件的通用故障率；πQi為第i種元器件的質(zhì)量系數(shù)；Ni為第i種元器件的數(shù)量；n為所用元器件種類數(shù)目。

5.2傳統(tǒng)應力分析法

適用于設計階段，魚雷常用的元器件涉及到電阻、電容、電感、繼電器、印制版和焊點、連接器、集成電路等器件，失效率計算因器件種類而不同，如電阻失效率為：λp=λbπEπQπR

其中，λP為電阻的工作失效率；πE為環(huán)境系數(shù)；πQ為質(zhì)量系數(shù)；λb為電阻的基本失效率。

應力分析法復雜、涉及參數(shù)多，但能精確反映產(chǎn)品所處的工作環(huán)境。

5.3軟件實現(xiàn)可靠性指標計算步驟

全雷可分為元器件、組部件、系統(tǒng)級、全雷等四級，不同級別選用相應可靠性模型，由小到大、由下到上逐級計算組部件、系統(tǒng)、全雷的可靠性指標。

（1）在元器件與組部件層次上通常采用串聯(lián)模型，使用應力分析法。用戶輸入各種元器件參數(shù)、環(huán)境溫度、電應力比等信息，軟件進行數(shù)據(jù)庫調(diào)用，計算出組部件可靠性指標。（2）在組部件與系統(tǒng)的層次上通常應考慮產(chǎn)品冗余設計（并聯(lián)或n中取r等），根據(jù)全雷功能流程、時序信號、流程關系，先期策劃而實施，如停車、深度敏感、線導斷線轉(zhuǎn)自導、反艦模式（尾流與被動自導）等，均應貫徹冗余設計思想。分析人員只需將相互關系設置好，分析軟件便可以進行冗余設計。（3）在系統(tǒng)與全雷層次上通常采用串聯(lián)模型，分析軟件可以很快計算出產(chǎn)品可靠性指標。（4）可靠性指標計算離不開失效率等數(shù)據(jù)庫的基礎支撐。通過多年來大量可靠性試驗，積累了可靠性信息與數(shù)據(jù)，并形成了標準，具有權威性，軟件應嚴格按照其所提供的數(shù)據(jù)進行元器件失效率數(shù)據(jù)庫錄入，魚雷上使用的特殊元器件可補充錄入。當用戶選擇元器件后，軟件可以根據(jù)用戶輸入的參數(shù)自動進行數(shù)據(jù)調(diào)用，進行可靠性計算。

6　結(jié)語

從魚雷電子產(chǎn)品可靠性自動分析軟件的設計思路和總體框架，可以得出如下直接結(jié)論：

（1）分析軟件可以將電子產(chǎn)品設計過程中涉及可靠性的設計變得簡單易行，設計人員可以更注重多方案的比較，提高產(chǎn)品的可靠性設計水平。（2）分析軟件可以提高設計過程可靠性指標預計的準確性和可檢查性。（3）分析軟件所需的數(shù)據(jù)基本參數(shù)和模型均已有很好的基礎，魚雷行業(yè)設計單位急需這樣的自動分析軟件。

［1］美國國家科學出版社.美國水中兵器科學與技術評估，2000.

［2］陸廷孝，鄭鵬洲.可靠性設計與分析.國防工業(yè)出版社，1997.

［3］甘茂治，吳真真.維修性設計與驗證.國防工業(yè)出版社，1996.