机械装备失效分析诊断技术

回顾和总结近10年来我国在机电装备失效分析诊断预测预防实践和学术方面的现状和发展;从失效模式诊断、失效原因诊断和失效机理诊断3个方面对失效分析诊断技术进行归纳、分析、整理.     

卫星用半导体器件失效模式和机理分布

以中国空间技术研究院电子元器件可靠性中心1987～1990四个年度数百份失效分析报告为依据,得到卫星用半导体器件解剖前失效模式分布:逻辑失控占36.3%,开路占22.2%等;失效机理分布:铝腐蚀占1 6.3%,使用不当占14.6%等。该项研究以第一手数据首次全面、系统指出卫星用器件失效模式和机理。为卫星可靠性设计、优选器件厂及器件厂采取措施提供重要依据。     

基于知识模型的产品设计方案失效风险评估

考虑失效模式间的关联性,提出了一种基于知识模型的机械产品设计方案失效风险评估与优选方法.该方法使用数据聚类法鉴别失效模式的主要关联关系,给出了失效模式关联系数的计算方法,实现了对失效模式关联知识的有效获取;并在产品"功能—失效模式—失效风险"知识表示的基础上,通过二维"屋顶"形三角阵和三维立方阵实现了对失效模式关联系数的表达,建立了产品"功能—失效模式—失效风险—模式关联"知识模型.在知识模型的支持下,研究了加权线性合成的关联失效模式严重度评估方法,给出了失效模式和产品功能的风险优先数计算方法,实现了基于知识的机械产品设计方案失效风险评估过程与优选.最后,通过实例说明了上述方法的有效性.      

密封材料空间环境失效分析

对空间环境造成载人航天器密封材料的各种失效机理进行了分析。材料低温脆化,高温时表面脆化;真空时材料内挥发成份的溢出,使材料渗透性增大;辐照使密封件失去弹性：这些是空间环境中温度、真空和辐照使密封失效的主要原因。真空条件下,密封件挥发成份中的可凝物在光学元件表面的凝聚从而破坏表面光学特性,是密封设计中一个值得重视的现象。     

基于灰色理论的失效机理一致性检验方法

针对基于加速模型参数不变、基于统计方法及基于试验观察3种常见的失效机理一致性检验方法进行研究,发现3种方法均需要加速试验数据来对失效机理一致性进行检验,不能事先为加速试验提供理论指导;提出了一种基于灰色理论的失效机理一致性检验方法,该方法可用预试验数据进行失效机理一致性检验,为加速试验制定最高应力台阶提供理论指导;结合某型光电编码器预试验数据对该方法进行实例验证,得出175℃附近为失效机理变化点,并与基于统计的方法进行对比;最后,对产品进行失效机理分析,利用扫描电镜分析(SEM,Scanning Electron Microscope)结果验证该方法的正确性.     

曲柄连杆机构可靠性及其关联失效控制

为了提高机械系统的整机可靠性,对机械系统的机构动作故障及其关联失效实现有效控制,在该领域对动作可靠性惟象研究基础上.在机构动作可靠性机理、失效模式、故障危害及其失效控制方面作了初步探讨;通过失效机理研究,借助集合理论,从广义变形研究出发,由Gershgorin圆盘定理及通过变形设计和组合加工对引起特征值病态的像集合中的非线性改造为线性后,提出的包容模型,实施以装配状态和实际使用状态为目标的变形控制方法,对曲柄连杆机构的实际应用表明:能够有效控制其可靠性及其关联失效.     

多种失效模式履带车辆扭力轴可靠性稳健设计

履带车辆扭力轴通常存在多种失效模式,因此对其进行灵敏度设计分析时需要充分考虑不同失效模式的影响。提出一种多失效模式机械零件可靠性灵敏度分析的数值方法,运用随机摄动理论和四阶矩技术,求得各个失效模式状态函数的前四阶矩和可靠性指标,有效解决了结构随机变量参数分布未知时,不同失效模式下构件可靠度的计算问题。根据机械零件发生一种失效模式即整体失效的具体特点,研究含相关性的不同失效模式机械零件的可靠度计算方法。结合灵敏度分析的梯度算法,推导出关于随机变量均值和方差的灵敏度计算公式,进而根据灵敏度的分析结果,提出多种失效模式下多目标优化的可靠性稳健设计模型。数值算例表明,本文方法可以高效迅速地估计多失效模式下机械构件的可靠性灵敏度。最后还对其进行了可靠性稳健优化设计研究。      

砷化镓功率场效应管早期烧毁的失效分析

采用扫描俄歇微探针、扫描电子显微镜、电子探针微区分析仪和Ｘ射线透射仪等多种分析手段分析了一种Ｃ波段砷化镓功率场效应管早期烧毁失效的现象。初步建立了烧毁失效的模式,给出了相应的失效频数分布及其表面形貌状态。分析结果指出,烧毁失效模式中源一漏烧毁占较大的比例;其次是由于材料及器件制备工艺过程不完善而引起的空气桥烧毁,热斑烧毁,源或漏极条边缘毛刺、芯片表面缺陷、沾污和不可动多余物引起的烧毁失效。文章就烧毁失效的机理进行了分析和讨论。     

基于工艺失效知识的工艺改进方法及实现

工艺设计是一个不断改进与优化的过程,而反面工艺知识即工艺失效知识,对工艺改进与优化往往十分有效.提出了一种基于工艺失效知识的改进方法,包括8个步骤:确定潜在失效模式,分析潜在失效原因,计算风险优先数N,提出改进措施,计算改进后的风险优先数N’,权衡改进措施,采纳改进措施和存储工艺改进数据.在基于Web的工艺失效知识库管理系统——工艺FMEA(Failure Mode and Effect Analysis)的基础上,通过建立工艺失效知识与产品和工艺信息的关联,实现工艺FMEA系统与CAPP(Computer Aided Process Planning)系统的信息集成和过程集成,从而达到工艺改进的目的.给出某飞机结构件(主梁)利用工艺失效知识进行工艺改进的验证实例,为在工艺设计阶段主动预防地改进工艺方案提供了一种有效手段.      

基于应变不变量失效理论的复合材料损伤模拟

应变不变量失效理论基于物理失效模式判断纤维和基体的损伤,适于研究纤维与基体的细观相互作用及固化残余应力的影响.介绍了应变不变量失效理论的物理背景,建立了正方形、六边形和钻石型细观代表体积单元模型,给出了宏观应变到细观应变的转换方法,提出了相应的失效模式和损伤演化准则.基于应变不变量失效理论求得了CCF300/5228材料体系的机械应变放大系数和热应变放大系数,对CCF300/5228复合材料开孔层合板的拉伸破坏过程进行了模拟,分析了纤维和基体的失效过程.计算与试验结果取得了较好的一致性,证明了该理论的适用性.     

基于Object-FMA的软件代码审查方法

针对传统代码审查方法中使用的检查单具有的两个不足:缺少从代码到检查单缺陷记录的映射方式,检查单记录的代码缺陷类型不全而导致审查时代码缺陷的遗漏,提出了一种将代码进行层次划分,并使用对不同层次代码对象进行失效模式分析来代替使用传统检查单的代码审查方法.此外,提出了一种对象失效模式分析方法(Object-FMA,Object Fail-ure Modes Analysis),用于系统地分析代码对象的失效模式,为不同层次的代码对象建立失效模式库.在某型号软件的代码审查中对该方法进行了实例应用,结果表明此方法提供了一种从审查代码对象到失效模式库的映射方式,提高了代码审查的效率,审查时不仅能发现传统检查单中记录的代码词法、语法和常见语义的缺陷,还能有效地发现代码中人为疏忽或算法设计错误而引入的代码缺陷.     

考虑耦合关系的故障模式消减方案决策

针对目前复杂产品研制过程中故障模式消减方案确定主要凭经验,未考虑故障模式之间的耦合关系问题,建立了考虑耦合关系的故障模式消减方案决策过程.首先,提出了故障模式关联集(FMCS,Failure Modes Correlation Set)的概念,并运用演绎理论给出了FMCS的确定方法.其次,根据故障模式消减后其发生概率变化,构建了不同层次产品可靠性指标受影响的模型,并以此为依据,给定面向可靠性指标实现的故障模式消减方案决策方法.最后,以某型直升机燃油系统故障模式消减为例验证了上述方法及模型的可行性,初步证明了可靠性定量指标与定性设计之间存在明确的量化关系,可通过其控制故障模式消减,达到以最少资源消耗和较短研制周期实现满足设计要求的产品的目标.上述方法及模型具有实用性,可进一步在实际工程中推广应用.     

航空电源系统FMEA自动化技术研究

以飞机电源系统为例提出了一种在系统设计阶段，利用系统动态性能仿真模型自动进行定量故障模式影响分析的方法。该方法将系统中各个元器件可能的故障模式计入系统的动态模型中，并进行系统仿真，再将系统故障状态下的仿真结果与其正常状态下的仿真结果进行比较，以量化判定每种故障影响的严重程度，从而实现故障模式影响分析的自动化。     

故障样本量确定与分配一体化设计方案

针对当前测试性验证领域未能考虑故障样本量确定和样本分配2个环节的相互联系，以及现有样本分配方案对影响因子的选择没有统一的框架，导致确定的故障样本量和样本分配不合理的问题，提出了一种故障样本量确定与分配一体化设计方案。首先，以层次Bayes网络模型为框架，融合各节点测试性指标先验信息得到顶层测试性指标的融合分布，并建立故障样本量确定流程；其次，引入结构重要度作为样本分配影响因子，同时结合故障模式影响及危害性分析（FMECA）信息确定节点和故障模式的样本分配影响因子，提出基于节点和故障模式的二次分配框架实施样本分配；最后，通过实际案例进行对比分析。结果表明:相比其他样本分配方案，所提方案能充分考虑系统结构及其先验信息，进而实现了故障样本量确定和分配一体化方案的设计，保证了所确定的故障样本量和分配的合理性，具备更好的工程适用性。      

改进的风险优先数(RPN)分析方法

针对工艺故障模式影响分析(PFMEA,Process Failure Modes and Effects Analysis)中风险优先数(RPN,Risk Priority Number)分析方法存在的缺陷,在分析导致这些缺陷的原因的基础上,提出了一种基于费用及发生概率的定性与定量相结合的RPN分析方法.该方法中定性分析部分以传统RPN分析方法中的严酷度等级评价为基础,对工艺故障模式的严酷度等级进行评价;定量分析部分以故障模式发生后导致的费用损失的期望值作为RPN值.改进后的RPN分析方法中,定量化的数据使得风险排序更为客观、准确.最后,使用改进后的RPN分析方法对相控阵雷达中某组件的滤波器装配工艺进行了PFMEA分析,取得了良好的效果.      

基于比例失效率模型的退化数据分析方法

利用产品的性能退化数据进行可靠性评估是一个解决失效寿命数据不充分的重要方法.在分析产品的失效率与失效阀值具有紧密相关性的基础上,通过引入比例失效率模型描述产品可靠性与失效阀值的关系,并根据产品寿命分布与退化量分布之间的关系建立了退化分析模型.在不假定物理退化轨迹模型和退化量分布的情况下,利用产品的退化信息获得产品在不同检测时刻和失效阀值下的可靠度,通过分布拟合方法获得未知参数的估计值,进而对产品进行可靠性评估.该方法不仅放松了模型的假设条件,也适于处理一些具有非平衡数据结构的退化数据,具有较广的适应性.最后,通过实例进行了不同方法的比较,验证了该方法的有效性.