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本文以某雷達(dá)T/R組件為對象，開展基于熱仿真的可靠性建模分析與可靠性設(shè)計改進(jìn)，案例來源于某領(lǐng)域真實產(chǎn)品，部分內(nèi)容省略。

1、 影響因素分析

T/R組件在工作過程中受到各種溫度及溫度變化的影響，且溫度極值（最高值或最低值）以及溫度變化都會引起其輸出性能指標(biāo)降低或失效。在外部溫度載荷一定的情況下，T/R組件采用翅片散熱方式強(qiáng)迫風(fēng)冷，影響T/R組件溫度的隨機(jī)變量主要有散熱參數(shù)（材料、幾何尺寸、翅高、翅片間距、翅厚以及翅片個數(shù)等）、風(fēng)速、材料參數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱等）、熱交換系數(shù)、環(huán)境溫度以及器件尺寸參數(shù)和位置參數(shù)等。

2、 建立可靠性模型

在工程上T/R組件內(nèi)部的發(fā)熱器件有著嚴(yán)格的規(guī)定，認(rèn)為其溫度超過了一定的許用范圍就是失效，由于器件材料、尺寸、外界環(huán)境溫度、邊界條件等存在著隨機(jī)性，導(dǎo)致了溫度分布也存在著隨機(jī)性。因此，失效判據(jù)可表示為

Tmax >[T]

式中，[T]為器件的許用溫度，可根據(jù)工程上的要求來確定。Tmax為器件的最高工作溫度，可通過T/R組件的熱仿真分析得到，本項目采用Flotherm熱仿真軟件對T/R組件及其關(guān)鍵熱源器件進(jìn)行熱仿真，獲取穩(wěn)態(tài)下的溫度場。仿真的環(huán)境溫度設(shè)為55ºC，仿真風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速為5m/s，在Flotherm中建立的仿真模型如圖1。

圖1 S波段T/R組件熱仿真模型

熱仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 S波段T/R組件熱仿真溫度場

如果以初始的設(shè)計方案進(jìn)行熱仿真，在環(huán)境溫度為55ºC時T/R組件溫度場分布如圖所示?？梢钥闯觯M管T/R組件溫度場的最高溫度趨于穩(wěn)態(tài)時滿足要求，但熱源器件處仍處于高溫區(qū)域，導(dǎo)致整個T/R組件的熱性能下降，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行其可靠性分析。

以組件或者器件的許用溫度作為熱失效的判據(jù)。因此可建立可靠性模型

Z= [T] - Tmax     

3、 工作溫度的試驗設(shè)計和響應(yīng)面擬合

進(jìn)行可靠度計算時直接調(diào)用熱仿真模型進(jìn)行計算一方面計算量較大，另一方面由于數(shù)值計算誤差會影響可靠性分析的應(yīng)用。因此，利用91質(zhì)量網(wǎng)開發(fā)的可靠性仿真專業(yè)軟件 MEREL，選用拉丁超立方設(shè)計方法多次調(diào)用熱仿真模型計算，然后擬合溫度與隨機(jī)參數(shù)的響應(yīng)面模型，基于該響應(yīng)面模型計算可靠度。其中拉丁超立方設(shè)計的試驗次數(shù)選擇400次，響應(yīng)面模型選擇包含交叉項的2階多項式，如圖3所示。

 圖3  T/R組件擬合的三維響應(yīng)面模型

4、 可靠性分析計算

基于擬合的響應(yīng)面模型和功能函數(shù)，利用MEREL專業(yè)軟件提供的一次可靠度法進(jìn)行可靠度計算，可靠性分析結(jié)果如下：

穩(wěn)態(tài)可靠度=0.935257，可靠性靈敏度如圖4所示?？梢钥闯觯绊懽罡邷囟鹊闹饕獏?shù)為外部環(huán)境溫度、熱源器件材料熱導(dǎo)率、熱交換系數(shù)、熱源器件的位置布局等，這與試驗設(shè)計相關(guān)性分析的結(jié)果是一致的。還可以看出，降低外部環(huán)境溫度、提高材料的熱導(dǎo)率以及提高熱交換系數(shù)等可以提高T/R組件關(guān)鍵熱源器件的可靠度。其它輸入變量對其可靠性的影響相對較小。

圖4  T/R組件可靠度靈敏度

從熱仿真的溫度場可以看出，穩(wěn)態(tài)情況下出現(xiàn)最高溫度為76.5ºC，正常的工作環(huán)境溫度（55ºC）情況下還是經(jīng)常出現(xiàn)關(guān)鍵熱源器件（許用溫度為75ºC）由于過熱而燒毀的情況。

5、設(shè)計改進(jìn)措施

結(jié)合上述的可靠度靈敏度分析結(jié)果，基于其隨機(jī)影響因素的重要性以及可以比較容易改善其散熱效果的角度，對S波段T/R組件散熱方式進(jìn)行調(diào)整，以改善其散熱效果，將翅片式散熱器改為熱管式散熱器（如圖5所示），使關(guān)鍵熱源器件的熱導(dǎo)率由原來的385增加到1000，即通過改變其熱導(dǎo)性來改善散熱效果，進(jìn)而提高其可靠性，改進(jìn)后的T/R組件布局圖略。

 圖5  熱管式散熱器外形圖

改進(jìn)T/R組件的最高溫度值由改進(jìn)前的77.54ºC降為73.37ºC，降在了關(guān)鍵熱源器件許用溫度范圍之內(nèi)。改進(jìn)后的可靠度靈敏度如圖6所示：

 圖6  S波段T/R組件改進(jìn)后的可靠度靈敏度

可以看出，可靠度有了顯著提高，由原來的0.935257提高到0.999982，且在實際的使用過程中，改進(jìn)后的T/R組件沒有再出現(xiàn)被燒毀的情況。

同時，熱管在風(fēng)冷散熱器上的應(yīng)用，由于熱管的熱超導(dǎo)性和均溫性，其在電子散熱上的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，選擇適合S波段T/R組件的散熱熱管產(chǎn)品應(yīng)需要合理規(guī)劃、熱仿真以及可靠性仿真，才能解決實際問題。