1、第 1 页 共 37 页弹载测试系统的可靠性设计摘要本文针对高 g 值冲击下导弹加速度的测试问题，对弹载测试系统的可靠性进行分析。做出了可靠性设计。首先，学习了了可靠性理论，了解了几种典型的可靠性模型。分别用基本可靠性分析法和故障树分析法对弹载测试系统进行了分析。推导出了系统可靠性的计算公式。 其次，利用 Hopkinson 杆实验装置对电池进行了 100000以上的加速度冲击筛选，对电池的抗高 g 值冲击性能进行了研究。讨论了电池在高过载冲击环境下的失效机理，找出了高冲击测试中电池的防护措施。最后，针对弹载加速度存储测试仪器的高 g 值工作环境，研究了弹载测试电路模块的抗高冲击设计方法，包括
2、非线性缓冲理论的研究、缓冲材料的选择、缓冲器件的设计等.研究了不同密度、不同孔径的泡沫铝，缓冲吸能特性，采用泡沫铝对电路模块进行缓冲保护。关键词：弹载测试系统， 可靠性 ，高冲击， 缓冲保护第 2 页 共 37 页The reliability design of missile test system abstractIn this thesis，the following aspect of researches are performed about the acceleration on-board memory test in high g shock The study of th
3、e ammunition electronic instrument (test instrument) reliability analysis；First, put forward the theory of reliability, several typical models of reliability. Using basic reliability and fault tree analysis for the missile test system is analyzed. The reliability of the system is deduced calculation
4、 formula. Second, the battery was impacted of more than 1 00000g acceleration with Hopkinson bar，the battery of antiimpact properties of high g values were studiedDiscussion of the battery at higher than the impact of the environment is contained under the failure mechanism. And，proposed a high impa
5、ct storage battery test protective measuresThe last, for the high g shock environment of on-board memory acceleration test equipmentThe paper have put forward anti-high shock design measures about circuit modulus，including the super non-linear shock mitigation mechanism researches，the mitigation mat
6、erial selection，and buffers design The study of different density, the bubble diameter aluminum, buffer energy-absorption ability, using foam aluminum of circuit module bufferingKeyword: missile test system，Reliability ，High impact，Buffering第 3 页 共 37 页1.绪论11 本课题研究工作的目的及意义随着科学技术的发展，先进技术在武器装备上的广泛应用，各
7、种武器系统的复杂程度日益提高，武器测试可靠性的军事价值和经济价值越来越被人们所认识，使得可靠性工程这门涉及面十分广泛的综合性学科，得到了迅速的发展。现代战争中，出现了各种高强度、不同形式的防护目标，如机场跑道、机库、航母和高级指挥要地等，为了攻击这些高价值目标，一些“智能型 的钻地弹药相继出现。为了在弹体达到对目标的最大毁伤效果时引爆，要求弹载测试系统既具有识别不同目标的能力，又能抵抗穿过各种软硬不同形式的防护层时产生的多次高冲击。另外，电子引信和弹载电源，能否在不同着角下，抗多次高过载是一个关键。因此，要使引信在高冲击下适时作用，就必须现场测试侵彻过程的加速度信号。另外，战斗部在承受高 g
8、值加速度过载时，炸药可能因自身的惯性力而自炸，从而影响毁伤效果，这也要求在弹体研制阶段对弹体进行侵彻过载测试。在动能弹侵彻实验中，侵彻过程的加速度时间曲线是一个重要的被测参数。在弹体对硬目标侵彻中，弹上的电子装置将承受几万甚至十万个 g 以上的加速度，这可能导致电子装置的失效，造成不可挽回的损失。采用弹载测试系统测取弹体侵彻硬目标过程中的高 g 值加速度时，由于诸多原因 (电路模块、电池损坏，传感器、电源导线断裂等)使弹载测试系统的可靠性下降，甚至使测试数据丢失。为了尽量减小损失，最大限度地降低现场试验的风险，提高数据的捕获率，在实弹现场射击之前，利用高 g 值冲击加速度实验模拟装置对测试系统
9、的电路模块、测试装置进行高 g 值冲击考核，使可能存在的问题尽早暴露，并采取措施加以解决，从而提高弹载测试系统的可靠性和恶劣环境中的存活性。因此，有必要对测试系统的可靠性进行研究。12 当前国内、外研究动态可靠性是研究产品质量指标随时间变化规律的一门综合性学科，其涉及面十分广泛，如数学、物理、管理学、心理学、各种工程技术等，仅数学基础理论就包括概率论与数理统计、随机过程、运筹学、模糊数学、生存分析、测度论等。第 4 页 共 37 页可靠性研究的任务是:寻找合理的产品结构、合理的可靠性分配、预测产品的技术状态、故障诊断，以及如何在恶劣的使用条件下保证产品的工作能力。可靠性理论与技术从四十年代出现
10、到现在，经历了萌芽、创建、发展和成熟几个阶段，成为系统工程理论的重要分支。在它的发展历程中，自始至终与武器装备发展紧密相连。1.2.1 国外研究状况20 世纪 40 年代，由于各种复杂电子设备的相继出现，电子设备的可靠性问题严重地影响着装备的效能，出于军事装备效能研究的目的，美国首先在 1943 年成了电子管研究委员会专门研究电子管的可靠性问题。主要讨论采用新材料及工具、发展质量控制及检验统计技术来提高电子管可靠性的途径问题。50 年代，为解决军用电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题，美国国防部于 1952 年成立了由军方、工业部门和学术界组成的电子设备可靠性咨询组，并开始有计划地从装备的设计、
11、试验、生产和使用等全面地实施了一个可靠性发展计划，并于 1957 发表了军事电子设备可靠性的研究报告，从此奠定了可靠性研究发展的基，标志着可靠性己成为一门独立的学科。60 年代，在各种军事装备的设计研制程中，可靠性理论不断成熟，特别是有关电子设备可靠性分析与设计、可靠性分配与预计、故障模式及影响分析、故障树分析、冗余设计、可靠性试验与鉴定、可靠性评估等理论和方法有了全面的发展。英、法、日及前苏联等工业发达国家都相继开展了可靠性的研究工作。70 年代后，可靠性研究更加系统化，不仅在可靠性设计与计算方面有进一步发展，同时在可靠性政策、标准、手册的制定等面也取得了进展。进入 80 年代以来，可靠性研
12、究向着更深、更广的方向发展。技术上，深入开展了机械可靠性、软件可靠性以及光电器件可靠性和微电子器可靠性的研究，全面推广了计算机辅助设计技术在可靠性领域的应用。同时积极采用模块化、综合化、容错设计、光导纤维和超高速集成电路等新技术来全面提高现代武器系统的可靠性。国外可靠性技术研究成果对导弹武器的发展产生了巨大的推动作用。不仅极大地提高了导弹的战术技术性能和作战效能，而且拓宽了导弹的作战用途。二战末期，德国的 V1 导弹设计者皮鲁契加和鲁塞尔等人利用概率论的知识，提出了 V-1 飞弹的可靠性串联模型，成了最初的可靠性理论著作。此后，美国人的可第 5 页 共 37 页靠性技术始终处于领先地位，而且具
13、有代表性，特别是在航天、航空领域取得了长足的发展。1.2.2 国内研究状况我军兵种武器装备的可靠性工作，由于多种因素的影响和制约，相对来说起步较晚，发展也比较迟缓，上个世纪七十年代以一前基本上是空白。进入上世纪80 年代以后，武器装备的可靠性问题，作为一个具有明确内涵的新概念，才在我国逐步被认识、接受、并普及开来。特别是我国武器装备研制和使用维修实践中出现的许多重大质量问题，更进一步加深了对可靠性维修性保障性重要作用的认识，促进了可靠性、维修性、保障性工作的发展。陆续编译出版了一批可靠性维修性保障性文献资料，制定了一批急需的可靠性维修性保障性军用标准、手册，颁布了若干有关可靠性、维修性、保障性
14、工作的指令性文件，如 GJB368装备维修性通用规范 、GJB450 装备研制与生产的可靠性通用大纲 、GJBI371装备保障性分析以及国防科工委关于加强可靠性维修性工作的若干规定 、 关于进一步加强武器装备可靠性维修性工作的通知等。在型号研制工作中也正在逐步贯彻落实可靠性、维修性、保障性要求。但从总的情况来看，兵种武器装备的可靠性工作还存在不少问题。特别是近年来研制发展的兵种武器装备的技术性能都有比较明显的提高，但由于有些装备在研制过程中没有明确的可靠性、维修性、保障性要求。有些装备虽提出了可靠性、维修性、保障性要求，但在研制过程中没有约束机制和保证措施，可靠性要求并没有在工程研制中真正落实
15、，致使许多装备的可靠性维修性保障性水平不高，甚至有的还有下降的趋势。从兵种武器装备的质量状况，以及对部分兵种武器装备的试验与统计分析，可以明显看出，我国自行研制的武器装备与外军同类武器装备相比，在可靠性、维修性和保障性方面存在较大的差距。可靠性维修性保障性水平上不去己成为制约当前兵种武器装备发展的一个突出的薄弱环节。不改变这种状态，其它性能水平再高，在总体作战效能上也很难与外军同类装备相抗衡。1.3 本文主要研究内容对系统的可靠性进行了综述。学习了可靠性的基本概念，给出了一般系统的故障曲线表达式来表示系统的可靠性，分析了典型系统的可靠型模型，了解容错系统在提高系统可靠性的作用。第 6 页 共
16、37 页简要介绍了弹载测试系统的工作原理，了解弹载测试系统的应用环境。并用基本可靠性和故障树分析法对弹载测试系统进行了分析。推导出了系统可靠性的计算公式。采用Hopkinson杆作为高g值加载手段，对用于弹载测试系统的两种型号的电池进行了100000g以上的加速度冲击筛选，对电池的抗高g值冲击性能进行了实验研究。通过实验得到了电池在高过载环境下的过载曲线，对测试结果进行了分析，讨论了电池在高过载冲击环境下的失效机理，并提出了高g冲击下弹载测试中电池的防护措施。第 7 页 共 37 页2.可靠性综述2.1 可靠性基本概念2.1.1 可靠性定义传统的可靠性定义是指产品在规定的条件下和规定的时间内，
17、完成规定功能的能力。这里的产品可以泛指任何产品、设备和元器件。传统的定义在实际应用中有一定的局限性，因为它只反映了任务成功的能力。现代的可靠性定义可以分为任务可靠性和基本可靠性。任务可靠性的定义为: 产品在规定的任务剖面内完成规定任务的能力。它反映了产品在执行任务时成功的概率，它只统计危及任务成功的致命故障。基本可靠性的定义为:产品在规定条件下，无故障的持续时间或概率。它包括了全寿命单位的全部故障，它能反映产品维修人力和后勤保障等要求。2.1.2 可靠性的特征量可靠度的定义为产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，通常以 表示。考虑到它是时间的函数，又可表示为 。可靠度 或 的R
18、 tRtR取值范围是 1)(0tR式（2.1）若“产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能”的这一事件的概率以P表示，则可靠度的概率分布可以表示为如下 tPtR式（2.2）式中:R(t)可靠度函数；故障前的工作时间；t规定的时间。与可靠度相对应的有不可靠度，表示产品在规定的条件下和规定的时间内不能完成规定功能的概率，因此又称为失效概率，记为 失效概率 也是时间的函F第 8 页 共 37 页数，又可称为失效概率函数或不可靠度函数，并记为F(t)。失效和故障在某种程度上是一个意思。失效，对于可修复的产品通常称为故障，其定义为产品丧失规定的功能。失效概率函数表达式如下 式（2.3）tPtF由于故
19、障与不故障这两个事件时是对立的，显然式（2.5）tRt1F(t)为非减函数，取值范围是 0tF式（2.6）对时间t取导数，得到故障密度函数 ，即fdtRtdtf式（2.7）故障密度函数又可称为失效密度函数。故障密度函数的物理意义:在任何时刻t ，产品总数目中单位时间内发生故障的概率。由式（2.6）可得： dtftFt0式（2.8）将(2.7)代入(2.4)中，可得：式（2.9） dtftfttRtt 011故障率定义为工作到某时刻t时尚未失效(故障)的产品，在t时刻以后的下一个单位时间内发生失效(故障)的概率。故障率又可称为失效率。故障率的观测值即为在某时刻t以后的下一个单位时间内失效的产品数
20、与工作到该时刻尚未失效的产品数之比。故障率 是的时间的函数，故又称为失效率函数，也可称为风险函数。t是系统、机器、设备等产品一直到某一时刻t为止尚未发生故障的可靠度，在下一单位时间内可能发生故障的条件概率。换句话说， 表示在某段时R t间t内圆满地工作的百分率 在下一个瞬间将以何种比率失效或故障。因此，故tR障率的表达式为：第 9 页 共 37 页式（2.10）tRftdtRdFt 或 式（2.11）ln由式(2.9)可知， 为瞬时故障率，亦可称为 条件下的 。t ttf2.2 典型系统可靠性模型为了表示系统与单元功能间的逻辑关系，可以建立功能逻辑框图，用方框表示单元功能，每一个方框表示一个单
21、元，方框之间用短线连接起来，表示单元功能与系统功能的关系，这就是系统功能逻辑框图。建立系统逻辑框图时绝不能从结构上判定系统类型，而应从功能上研究系统类型。2.2.1 串联系统可靠性模型若系统由n个单元组成，当且仅当n个单元全部正常工作时，系统才正常工作，这时称系统是可靠性串联系统，其可靠性框图如图2.1所示。1 223 4n图2.1 串联系统逻辑框图在各单元失效统计独立的条件下，系统可靠性可表示为: niitRt1式（2.12）其中n为串连单元个数，单元可靠性 是t的函数。由于 1，因此，串tR联系统的组成单元越多，系统可靠性越低。2.2.2 并联系统可靠性模型在由n个单元构成的系统中，若至少
22、一个单元正常系统即正常，或必须n个单元都失效系统才失效，则这样的系统就叫n单元并联系统。并联系统的可靠性框图如图2.2所示。第 10 页 共 37 页123n图2.2并联系统逻辑框图设单元相互独立，则有式（2.13）ni is tRtR1并联系统是最简单的冗余系统。从完成系统功能来说，仅有一个单元也能完成，所以采用多单元并联是为了提高系统可靠性，采取耗用资源代价来换取系统可靠性一定程度的提高。2.3 容错系统容错系统常用于航空航天、通信等安全重要领域，以避免由于某一部件的失效造成重大事故。目前所有的容错技术几乎都是利用冗余技术来实现的。冗余有多种不同的类型，如硬件冗余、软件冗余、时间冗余、信息冗余等。根据冗余资源的不同，分为硬件冗余方式、软件冗余方式、时间冗余方式和信息冗余方式等。2.3.1 硬件冗余硬件冗余是利用冗余的元件或部件去屏蔽已发生故障对系统的影响，硬件冗余的级别很多，大至系统冗余，小至元件冗余，都是靠增加硬件资源来换取高可靠性，但随着半导体器件尺寸的不断变小和价格的不断下降，硬件冗余开销也在不断下降，这使得硬件冗余仍然是实现容错技术的一种重要方法。硬件容错按其工作方式可分为静态冗余、动态冗余和混合冗余三种。2.3.2 容错处理技术容错技术分为故障检测、故障屏蔽和动态冗余三类，容错技术考虑了故障的
