摘要：现代工程研制中可靠性设计是重要设计活动，通过可靠性设计分析介绍以及可靠性计算机仿真试验的介绍，探讨可靠性仿真试验获得的产品环境参数等数据应用于可靠性设计分析的可能性，通过某单元的实际可靠性仿真试验数据应用于其可靠性定量分析的实例，证明了可靠性仿真试验数据在可靠性定量分析中的价值，拓展了可靠性设计定量分析的数据来源，加快产品可靠性成熟稳定。
关键词：可靠性；定量分析；计算机仿真
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）12-2888-03
1 概述
现代工程研制中都重视可靠性设计，大型系统设备的研制更是将可靠性设计贯穿于研制过程，而可靠性定量指标的分析是可靠性设计的核心。可靠性定量指标分析通常采用对系统的建模，对组成的设备、单元、模块和元器件建模，包括结构模型和数学模型，从组成元器件开始进行逐级计算，最终获得一定工况下的系统的可靠性指标。可靠性定量分析中，采用的是美军标或国军标可靠性预计手册，其模型中的参数通常采用整机的特征量，如整机的工作环境温度，这样的预计分析工作粗放，出来的结果难免偏差较大。为了将可靠性定量指标分析得更准确，工程人员采用了很多办法，如对全过程进行管理，进行可靠性增长试验，用系统使用的可靠性数据回馈修正预计报告等。为精确分析研制早期可靠性定量指标，该文提出用可靠性仿真数据修正通常可靠性分析的结果，供探讨。
2 可靠性定量分析
大型系统设备的组成一般包括分系统、设备、单元，基本组成部分还包括电子元器件、结构件等。假设系统组成包括n个分系统，每个分系统里又包括mn个设备或单元，产品组成结构树如图1，构建这个系统的基本可靠性结构模型如图2，该系统的可靠性数学模型如下：
λ=λf1+λf2+…+λfn=λs11+…+λs1m1+λs21+…+λs2m2+…+λsn1+…+λsnmn （1）
其中，λ为系统失效率，λf1～fn为分系统失效率，λsij为第i（=1～n）个分系统第j（=1～mn）个单元或设备。
依此类推，系统的基本可靠性数学模型为系统的失效率是所有组成部分失效率的和，当产品层次细分后，最终可靠性定量指标落实到元器件的使用可靠性上。在工程设计初期，掌握了一定产品设计信息后即可开展元器件应力分析法的可靠性分析工作。元器件应力分析法也是在建立元器件可靠性模型后，根据过去工程经验总结和标准数据，获得模型中的参数量值。以砷化镓场效应晶体管为例，其数学模型如下：
λp=λbπEπQπAπTπM
式中：
λp为使用失效率，与具体设计使用有关；
λb为基本失效率，与输出功率和工作频率相关；
πE为环境系数，标准给出了固定类别环境，但可以通过环控设计改进环境因子；
πQ为质量系数；
πA为应用系数；
πT为温度应力系数，与工作环境温度密切相关；
πM为匹配网络系数。
上式中的参数都可以在标准中查得，我们可以发现选择了某元器件不是使用可靠性就一定不变了，还有一定变化范围，特别是与温度，使用应力比，环境系数等相关联的参数，还可以在标准的基础上进行细化。
3 可靠性仿真试验
提高产品的可靠性就应该对产品的任何故障均应分析其原因，确定其故障位置、故障机理、造成故障的应力和故障时间，故障物理方法就是有效的分析故障原因的方法，而故障物理方法应用于工程实践最为有效的途径是与仿真技术相结合，形成基于故障物理的可靠性仿真试验方法。
可靠性仿真试验在仿真软件环境下，通过数字样机和故障物理模型，将产品预期承受的工作环境应力与潜在故障发生、发展过程联系起来，从而定量计算产品各种潜在故障发生时间，指明薄弱环节，以便于采取针对性的改进措施提高设计的可靠性水平。可靠性仿真试验作为辅助流程与性能设计并行开展，一般在初样详细设计阶段初期开始，贯穿于整个初样研制阶段，通过“建模仿真-设计优化-模型改进”的多次迭代，实现“可靠性是设计出来的”这一目标。
可靠性仿真试验开展的理由是基于电子产品的任何故障必然是由特定的热、机械、化学、物理或电子驱使的某种故障机理所导致，主要内容包括热应力分析、振动应力分析、电应力分析、故障预计、仿真评估等。可靠性仿真试验输出数据包括热应力分析结果、振动应力分析结果、故障预计等，这些结果会给出对应位置元器件的温度、振动情况以及失效率情况。
4 可靠性仿真数据应用可靠性分析实例
某单元在研制初期开展了可靠性计算机仿真试验，并应用试验数据对可靠性进行了修正。
4.1组成及功能
单元包括模拟收发通道、分布式电源模块、集中式电源模块，以及数据传输和光电转换等部分，实现微波收发。设备在整机上的环境为运输机无人舱，标准查得的温度范围-55℃～+70℃。仿真试验结果指示重点关注位置为功放器件和分布式电源模块。
4.2热分析结果
系统工作正常工况下，分析得功放和电源上的热分布图（如图3、4），从图可以看出，高温明显比70℃低，也就是器件的实际工作环境远好于标准标称的环境，按此温度对单元的可靠性数据重新分析（见表1和表2），调整了πE和πT，从仿真试验的温度和振动看，环境系数能与运输机驾驶舱相当，将πE从13调整到10。πT原计算是设计估计值，经仿真分析后，将πT从17.426调整到9.963，单元可靠性调高了30%左右。经后期使用证明，调整后的预计值与用户使用的可靠性数据统计值基本相当。
[序号＼&名称＼&λb
（10-6/h）＼&C1＼&πT＼&πA＼&πP＼&C3＼&πE＼&πL＼&πQ＼&λp
（10-6/h）＼&1＼&中频＼&10.10＼&0.425＼&17.426＼&1＼&1＼&0.0372＼&13＼&1＼&0.08＼&0.631＼&2＼&功率放大器＼&16.00＼&0.362＼&17.426＼&1＼&1＼&0.0032＼&13＼&1＼&0.08＼&1＼&3＼&分布式电源＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&8.510＼&＼&其它＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&单元失效率汇总值＼&288.56＼&]
注：上表给出的是单个器件的模型参数，单元失效率汇总是根据公式（1）进行的，过程略
[序号＼&名称＼&λb
（10-6/h）＼&C1＼&πT＼&πA＼&πP＼&C3＼&πE＼&πL＼&πQ＼&λp
（10-6/h）＼&1＼&中频＼&10.10＼&0.425＼&9.963＼&1＼&1＼&0.0372＼&10＼&1＼&0.08＼&0.216＼&2＼&功率放大器＼&16.00＼&0.362＼&9.963＼&1＼&1＼&0.0032＼&10＼&1＼&0.08＼&0.312＼&3＼&分布式电源＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&5.17＼&＼&其它＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&/＼&单元失效率汇总值＼&288.56＼&]
注：上表给出的是单个器件的模型参数，单元失效率汇总是根据公式（1）进行的，过程略
4 结论
本文研究通过进行可靠性定量指标分析是依据标准进行，其参数的选择要有一定量的设计信息，研制早期，可以通过可靠性仿真试验的方法对重要产品或部分（主要）组成进行试验分析，以获得更详细的设计信息。可靠性仿真数据用于可靠性定量指标分析应该还不只是获得设计信息修改分析报告，仿真本身的可靠性预计至少可以对不同产品进行横向可靠性比较，振动分析还可以帮助分析和预计某些失效模式的机理，以使我们的可靠性设计更精细化，尽早使工程的可靠性成熟稳定。