一种考虑随机冲击的电路系统失效时间确定方法

技术领域

本发明涉及电路系统失效建模及分析技术领域，特别涉及一种考虑随机冲击的电路系统失效时间确定方法。

背景技术

电路系统作为主要的核心控制系统，被广泛应用于航空航天、智能制造、轨道交通等领域。由于电路系统失效导致产品整体失效，甚至引发重大安全事故的问题仍然频繁发生。分析其原因，主要是由于内部元器件可能受到外部冲击载荷的作用而发生失效。这类冲击载荷通常具有随机特征，体现在冲击载荷到达的时间和冲击载荷的大小这两个方面。其中，元器件的失效行为与冲击载荷的大小密切相关，一方面冲击载荷过大将会直接导致元器件失效，另一方面即使外界冲击载荷未超过元器件失效阈值，也会对元器件产生损伤从而导致失效率增加。并且，冲击载荷到达时间决定了元器件触发失效的时刻。这两类随机性特征导致对于电路系统失效时间的确定变得更加困难。

当前针对电路系统失效时间的确定方法主要包括两类：一类是基于数据驱动的方法，该方法基于内外场试验以及交付后统计得到的失效数据，并通过数理统计手段确定电路系统的失效时间。但是，该方法属于一种“黑箱”的事后分析方法，无法从原理上认知外界冲击对于电路系统失效的影响，并且严重依赖于大量的失效数据；另一类是基于故障物理的方法，通过借助故障机理模型计算元器件的失效时间，并通过失效时间最短原则确定系统的失效时间。但是，该方法主要针对于耗损型退化机理，而随机冲击造成的元器件失效对于系统的影响还未考虑。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种考虑随机冲击的电路系统失效时间确定方法，该方法从电路内部失效行为入手，考虑了外界冲击载荷对于元器件失效行为的影响，从而给出了电路系统触发失效的判断条件，能够较为准确地给出最先触发失效的元器件位置及触发失效时间，进而确定电路系统在随机冲击下的失效时间，为从设计阶段开展电路系统设计改进提供指导，对于指导电路元器件选型，保证电路系统持续稳定运行具有十分重要的意义。

本发明提供了一种考虑随机冲击的电路系统失效时间确定方法，其包括以下步骤：

S1：对所选定的电路系统开展结构和功能分析，并根据常用电子元器件手册确定各个元器件的失效率λ

S2：设置各个元器件发生开路或短路失效所占该类元器件失效率的比重，进而确定各个元器件从正常状态转变为开路状态的状态转移率μ

S3：计算反映各个元器件失效发生难易程度的相对概率rf

S4：对电路内部所有元器件不同失效模式对应的相对概率(按从大到小或从小到大)进行排序，并通过生成(0,1)区间内的随机数z

S5：生成(0，1)区间内的随机数z

S6：计算各个元器件在当前时刻t

S7：将所确定的最先触发失效的元器件及其失效模式注入电路系统SPICE仿真模型中；

S8：判断电路系统的输出信号是否超过失效阈值；

如果电路系统的输出信号未超过失效阈值，则重复步骤S2至步骤S7，计算下一个触发失效的时刻及位置，并将下一个触发失效的元器件及其失效模式注入电路系统SPICE仿真模型中；重复步骤S2时，注入的元器件发生开路或短路失效所占该类元器件失效率的比重保持与失效被替换的元器件发生开路或短路失效所占该类元器件失效率的比重相等。

如果电路系统的输出信号超过失效阈值，即认为该电路系统已经失效，并记录该次仿真下的电路系统失效时间TF

S9：重复步骤S1至步骤S8，直至达到给定的循环次数后，将所得到的所有循环次数下的电路系统失效时间的均值作为电路系统在随机冲击载荷下的失效时间MTTF。

优选地，步骤S3所述元器件失效发生难易程度的相对概率rf

式中，当前正常元器件的失效率总和

优选地，步骤S3所述元器件发生开路和短路这两类失效模式的相对概率表示为：

式中，α

优选地，步骤S4所述最先触发失效的元器件以及触发的失效模式的判据表述为：

1)若

2)若

式中，λ

优选地，步骤S5所述触发失效的时间间隔τ通过下式计算得到：

式中，F

优选地，步骤S6所述随机冲击载荷遵循非齐次泊松过程，假定冲击到达的频率为v，冲击载荷S

p

式中，φ为函数表达式，μ

优选地，步骤S6所述各个元器件在当前时刻t

式中，L

优选地，步骤S7所述触发失效元器件及失效模式注入方法为：针对开路失效的元器件，在电路系统SPICE仿真模型中将该元器件用阻值为1×e

优选地，步骤S8中在第m次循环次数的电路系统失效时间由下式计算得到：

式中，τ

优选地，步骤S9所述给定的循环次数设置为1000次。

优选地，步骤S9所述电路系统在随机冲击载荷下的失效时间MTTF由下式计算得到：

式中，l为所给定的循环次数。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种考虑随机冲击的电路系统失效时间确定方法，具有明显优势，其考虑了外界冲击载荷对于元器件失效行为的影响，通过建立从元器件到电路系统的失效模型，提出了电路系统触发失效的判断条件，进而准确给出最先触发失效的元器件位置及触发失效时间，从而确定电路系统在随机冲击下的失效时间，分析结果较其它方法真实可信。另外，本发明克服了其它方法无法从电路失效原理上考虑随机冲击对于系统失效时间影响的不足，能够指出电路系统设计过程中的薄弱环节，为电路寿命预测及优化设计提供技术支撑。

附图说明

图1是根据本发明的流程图。

图2是本发明实施例中选定的电力监控设备电源电路的电路原理图。

图3是本发明实施例中选定的电力监控设备电源电路内部所有元器件不同失效模式对应的相对概率排序图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。

如图1所示，本发明一种考虑随机冲击的电路系统失效时间确定方法，包括以下步骤：

S1：对所选定的电路系统开展结构和功能分析，并根据元器件手册确定各个元器件i的失效率λ

S2：设置各个元器件发生开路或短路失效所占该类元器件失效率的比重，进而确定各个元器件从正常状态转变为开路状态的状态转移率μ

S3：计算反映各个元器件失效发生难易程度的相对概率rf

S4：对电路内部所有元器件不同失效模式对应的相对概率(按从大到小或从小到大)进行排序，并通过生成(0,1)区间内的随机数z

S5：生成(0，1)区间内的随机数z

S6：计算各个元器件在当前时刻t

S7：将所确定的最先触发失效的元器件及其失效模式注入电路系统SPICE仿真模型中；

S8：判断电路系统的输出信号是否超过失效阈值；

如果电路系统的输出信号未超过失效阈值，则重复步骤S2至步骤S7，计算下一个触发失效的时刻及位置，并将下一个触发失效的元器件及其失效模式注入电路系统SPICE仿真模型中；重复步骤S2时，注入的元器件发生开路或短路失效所占该类元器件失效率的比重保持与失效被替换的元器件发生开路或短路失效所占该类元器件失效率的比重相等。

如果电路系统的输出信号超过失效阈值，即认为该电路系统已经失效，并记录该次仿真下的电路系统失效时间TF

S9：重复步骤S1至步骤S8，直至达到给定的循环次数后，将所得到的所有循环次数下的电路系统失效时间的均值作为电路系统在随机冲击载荷下的失效时间MTTF。

优选地，步骤S2所述元器件只存在开路和短路两类失效模式，所述元器件i发生开路的状态转移率μ

μ

δ

式中，α

优选地，步骤S3所述元器件失效发生难易程度的相对概率rf

式中，当前正常元器件的失效率总和

优选地，步骤S3所述元器件发生开路和短路这两类失效模式的相对概率表示为：

优选地，步骤S4所述最先触发失效的元器件以及触发的失效模式的判据表述为：

1)若

2)若

式中，λ

优选地，步骤S5所述触发失效的时间间隔τ通过下式计算得到：

式中，F

优选地，步骤S6所述随机冲击载荷遵循非齐次泊松过程，假定冲击到达的频率为v，冲击载荷服从正态分布

p

式中，φ为函数表达式，μ

优选地，步骤S6所述各个元器件在当前时刻t

式中，L

优选地，步骤S7所述触发失效元器件及故障模式注入方法为：针对开路失效的元器件，在SPICE模型中将该元器件用阻值为1×e

优选地，步骤S8中在第m次循环次数的电路系统失效时间由下式计算得到：

式中，τ

优选地，步骤S9所述给定的循环次数设置为1000次。

优选地，步骤S9所述电路系统在随机冲击载荷下的失效时间MTTF由下式计算得到：

式中，l为所给定的循环次数。

以下将结合选定的某机电产品的电力监控设备电源电路的失效时间确定过程对本发明具体实施步骤做进一步的详细说明：

步骤S1：针对所选定的电力监控设备电源电路开展结构和功能分析，其主要功能是在输入300V直流电时，输出110V的直流电，选定的电力监控设备电源电路原理图如图2所示，根据电路原理图，对电路系统元器件进行编号，并梳理电路系统元器件清单如表1所示。查阅电子元器件手册，确定待分析的各个元器件参数的初始失效率以及冲击载荷阈值，分别如表2和表3所示，并且构建该电路的SPICE仿真模型。

表1选定的电力监控设备电源电路的元器件编号表

表2选定的电力监控设备电源电路的元器件初始失效率

表3选定的电力监控设备电源电路的元器件冲击载荷阈值

步骤S2：电阻类元件发生开路和短路占该类元器件失效率的比值设置为0.8和0.2，电容类元件发生开路和短路占该类元器件失效率的比值设置为0.5和0.5，电感类元件以及二极管发生开路和短路占该类元器件失效率的比值设置为0.7和0.3，晶体管发生开路和短路占该类元器件失效率的比值设置为0.3和0.7，从而给出所有元器件从正常状态转变为开路状态或短路状态的状态转移率，如表4所示。

表4选定的电力监控设备电源电路的元器件状态转移率

步骤S3：计算得到反映各个元器件失效发生难易程度的相对概率，以及发生开路和短路失效模式的相对概率，如表5所示。

表5选定的电力监控设备电源电路的元器件失效相对概率

步骤S4：对电路内部所有元器件不同失效模式对应的相对概率进行排序，如图3所示，并通过生成随机数得到0.18，判断出随机数所属相对概率排序区间位置为C7发生开路。

步骤S5：再次生成(0，1)区间内的随机数0.52，并根据电路系统的状态转移时刻的概率分布F(t)计算触发失效的时间间隔τ，即：

步骤S6：随机冲击载荷遵循非齐次泊松过程，假定冲击到达的频率v为0.1h

表6选定的电力监控设备电源电路的元器件所受冲击载荷均值和标准差

表7选定的电力监控设备电源电路的元器件在1.44767×10

步骤S7：针对触发失效的元器件C7及其开路失效，在SPICE仿真模型中用阻值为1e

步骤S8：计算电路系统输出信号，其信号异常未超过其失效阈值，由此重复步骤S2至步骤S7，并通过计算得到下一个触发失效的元器件为R17，对应的失效模式为短路失效，并且导致系统输出信号超过失效阈值，由此记录该次仿真下的电路系统失效时间为2.5681×10

步骤S9：基于上述操作，重复步骤S1至步骤S8，直至循环1000次，取所记录的电路系统失效时间的均值作为电路系统在随机冲击载荷下的失效时间，即电路系统的失效时间MTTF为2.8635×10

最后应说明的是：以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。