CN103258080A - 一种微加速度计的可靠性仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微加速度计的可靠性仿真技术，具体是一种微加速度计的可靠性仿真方法。本发明解决了目前尚无一种基于高加速寿命试验技术的微加速度计可靠性仿真方法的问题。一种微加速度计的可靠性仿真方法，该方法是采用如下步骤实现的：1）利用ANSYS仿真软件建立微加速度计的仿真模型；通过仿真模型确认微加速度计的材料特性；2）在高温应力下对微加速度计进行可靠性仿真；3）在高冲击应力下对微加速度计进行可靠性仿真；4）在高温、高冲击、高速旋转综合应力下对微加速度计进行可靠性仿真。本发明适用于各种微加速度计的可靠性仿真。

Description

一种微加速度计的可靠性仿真方法

技术领域

本发明涉及微加速度计的可靠性仿真技术，具体是一种微加速度计的可靠性仿真方法。

背景技术

作为微电子机械***（MEMS）的一个重要分支，微加速度计在航空、航天、汽车、国防等领域有着广泛的应用。微加速度计的使用环境通常较为严酷，因此为了保证其使用过程中的可靠性，需要在使用前对其进行可靠性仿真。随着微加速度计的***复杂程度越来越高，传统的微加速度计可靠性仿真技术由于自身原理所限，普遍出现仿真时间过长和仿真成本过高的问题。近年来，一种新兴的、被广泛接受的可靠性测试方法——高加速寿命试验（HALT）技术发展迅速。此种技术的原理是：以步进方式对产品施加一系列单应力（如多轴随机振动、温度循环、电应力等）和组合应力，并逐步增加强度直至产品失效，然后对发生的每一个失效都进行根本原因分析，不断进行试验、分析、验证和改进。实践表明，此种技术对暴露产品的潜在缺陷、改进产品的强度和可靠性非常有效。基于此，有必要发明一种基于高加速寿命试验技术的微加速度计可靠性仿真方法。然而目前尚无这样一种方法。

发明内容

本发明为了解决目前尚无一种基于高加速寿命试验技术的微加速度计可靠性仿真方法的问题，提供了一种微加速度计的可靠性仿真方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种微加速度计的可靠性仿真方法，该方法是采用如下步骤实现的：1）利用ANSYS仿真软件建立微加速度计的仿真模型；通过仿真模型确认微加速度计的材料特性；根据微加速度计的材料特性，得出微加速度计的最大许用应力[τ]、允许应变范围、最大屈服强度[σ]；2）在高温应力下对微加速度计进行可靠性仿真，具体步骤如下：2.1）根据微加速度计的使用温度范围，设定仿真的增温起测温度小于使用温度范围的上限值，设定5℃≤温度变化量ΔT≤10℃；2.2）根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的热力学分析模块对微加速度计施加温度载荷；温度载荷由增温起测温度开始进行增加，每增加最大温度变化量ΔTmax设定为一个子步；温度载荷增加至超过使用温度范围的上限值后，再增加两个子步；2.3）加载并求解温度载荷，查看求解结果；根据求解结果中的应力分布云图，得出微加速度计的应力最大值分布点和应力集中区域；查看求解结果中的最后一个子步；假设此时微加速度计所受的最大应力值为τ_t；2.4）若τ_t<[τ]，表明微加速度计的功能正常，则继续对微加速度计增加温度载荷，每增加最大温度变化量ΔTmax设定为一个子步；重复步骤2.3），直到τ_t>[τ]时，表明微加速度计的功能异常；此时查看求解结果中的前一个子步，确定出微加速度计的功能异常时的最小温度载荷；继续对微加速度计增加温度载荷，每增加1℃设定为一个子步；重复步骤2.3），确定出微加速度计的上破坏极限温度；3）在高冲击应力下对微加速度计进行可靠性仿真，具体步骤如下：3.1）根据微加速度计的使用加速度范围，设定仿真的起始冲击加速度小于使用加速度范围的上限值；若微加速度计的使用加速度范围的上限值小于10万g，则设定1万g≤冲击加速度变化量Δa≤5万g；若微加速度计的使用加速度范围的上限值大于10万g，则设定5万g≤冲击加速度变化量Δa≤10万g；对微加速度计的外框施加Z轴方向约束；3.2）根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的静力学仿真模块对微加速度计施加静态冲击加速度载荷；静态冲击加速度载荷由起始冲击加速度开始进行增加；3.3）加载并求解静态冲击加速度载荷，查看求解结果；根据求解结果中的应力和应变分布云图，得出微加速度计的应力最大值分布点、应力集中区域和应变最大值分布点；假设此时微加速度计所受的最大应力值为τ_s；3.4）若τ_s<[τ]，表明微加速度计的功能正常，则继续对微加速度计增加静态冲击加速度载荷；重复步骤3.3），直到τ_s>[τ]时，表明微加速度计的功能异常；假设此时的静态冲击加速度载荷为a1，假设此时微加速度计所受的最大应变值为ε_s；若最大应变值ε_s小于微加速度计的允许应变范围，则继续对微加速度计增加静态冲击加速度载荷；重复步骤3.3），直到最大应变值ε_s大于微加速度计的允许应变范围；假设此时的静态冲击加速度载荷为a2；若a1>a2，则将a2确定为微加速度计所能承受的最大冲击加速度；若a1＜a2，则将a1确定为微加速度计所能承受的最大冲击加速度；3.5）对微加速度计的外框施加X轴方向或Y轴方向约束；重复步骤3.2）-3.4）；若施加Z轴方向约束时微加速度计所能承受的最大冲击加速度大于施加X轴方向或Y轴方向约束时微加速度计所能承受的最大冲击加速度，表明微加速度计故障出现的约束条件取Z轴方向；若施加Z轴方向约束时微加速度计所能承受的最大冲击加速度小于施加X轴方向或Y轴方向约束时微加速度计所能承受的最大冲击加速度，表明微加速度计故障出现的约束条件取X轴方向或Y轴方向；3.6）对微加速度计的外框施加Z轴方向约束；根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的动力学仿真模块对微加速度计施加冲击加速度载荷；冲击加速度载荷由起始冲击加速度开始进行增加，每增加冲击加速度变化量Δa设定为一个子步；冲击加速度载荷增加至超过使用加速度范围的上限值后，再增加两个子步；重复步骤3.3）-3.5）；4）在高温、高冲击、高速旋转综合应力下对微加速度计进行可靠性仿真，具体步骤如下：4.1）重复步骤2.1）；重复步骤3.1）；根据微加速度计的使用环境，设定仿真的起始转数为10000r/min，设定100r/min≤转数变化量ΔR≤500r/min；4.2）根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的热力学分析模块对微加速度计施加温度载荷；温度载荷由增温起测温度开始进行增加；根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的静力学仿真模块对微加速度计施加静态冲击加速度载荷；静态冲击加速度载荷由起始冲击加速度开始进行增加；根据仿真模型，对微加速度计施加转数载荷；转数载荷由起始转数开始进行增加，每增加最大转数变化量ΔRmax设定为一个子步；转数载荷增加至超过使用温度范围的上限值后，再增加两个子步；4.3）加载并求解转数载荷，查看求解结果；根据求解结果中的应力和应变分布云图，得出微加速度计的应力最大值分布点、应力集中区域和应变最大值分布点；假设此时微加速度计所受的最大集中应力值为σ；4.4）若σ<[σ]，表明微加速度计的功能正常，则继续对微加速度计增加转数载荷；重复步骤4.3），直到σ＞[σ]时，表明微加速度计的功能异常；此时查看求解结果中的前一个子步，确定出微加速度计的功能异常时的最小转数载荷，将该最小转数载荷确定为当前温度载荷和当前静态冲击加速度载荷下对应的微加速度计的工作极限转数；4.5）继续对微加速度计增加静态冲击加速度载荷；每增加冲击加速度变化量Δa设定为一个子步；对微加速度计施加转数载荷；转数载荷重新由起始转数开始进行增加，每增加最大转数变化量ΔRmax设定为一个子步；重复步骤4.3）-4.4），确定出当前温度载荷下各静态冲击加速度载荷对应的微加速度计的工作极限转数；4.6）继续对微加速度计增加温度载荷；每增加最大温度变化量ΔTmax设定为一个子步；对微加速度计施加静态冲击加速度载荷；静态冲击加速度载荷重新由起始冲击加速度开始进行增加，每增加冲击加速度变化量Δa设定为一个子步；对微加速度计施加转数载荷；转数载荷重新由起始转数开始进行增加，每增加最大转数变化量ΔRmax设定为一个子步；重复步骤4.3）-4.4），确定出各温度载荷和各静态冲击加速度载荷任意组合下对应的微加速度计的工作极限转数。

本发明所述的一种微加速度计的可靠性仿真方法兼顾高温、高冲击、高速旋转三种应力对微加速度计的影响，并基于高加速寿命试验技术实现了对微加速度计进行可靠性仿真，因而有效克服了传统的微加速度计可靠性仿真技术仿真时间过长和仿真成本过高的问题。

本发明有效解决了目前尚无一种基于高加速寿命试验技术的微加速度计可靠性仿真方法的问题，适用于各种微加速度计的可靠性仿真。

具体实施方式

一种微加速度计的可靠性仿真方法，该方法是采用如下步骤实现的：

1）利用ANSYS仿真软件建立微加速度计的仿真模型；通过仿真模型确认微加速度计的材料特性；根据微加速度计的材料特性，得出微加速度计的最大许用应力[τ]、允许应变范围、最大屈服强度[σ]；

2）在高温应力下对微加速度计进行可靠性仿真，具体步骤如下：

2.1）根据微加速度计的使用温度范围，设定仿真的增温起测温度小于使用温度范围的上限值，设定5℃≤温度变化量ΔT≤10℃；

2.2）根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的热力学分析模块对微加速度计施加温度载荷；温度载荷由增温起测温度开始进行增加，每增加最大温度变化量ΔTmax设定为一个子步；温度载荷增加至超过使用温度范围的上限值后，再增加两个子步；

2.3）加载并求解温度载荷，查看求解结果；根据求解结果中的应力分布云图，得出微加速度计的应力最大值分布点和应力集中区域；查看求解结果中的最后一个子步；假设此时微加速度计所受的最大应力值为τ_t；

2.4）若τ_t<[τ]，表明微加速度计的功能正常，则继续对微加速度计增加温度载荷，每增加最大温度变化量ΔTmax设定为一个子步；重复步骤2.3），直到τ_t>[τ]时，表明微加速度计的功能异常；此时查看求解结果中的前一个子步，确定出微加速度计的功能异常时的最小温度载荷；继续对微加速度计增加温度载荷，每增加1℃设定为一个子步；重复步骤2.3），确定出微加速度计的上破坏极限温度；

3）在高冲击应力下对微加速度计进行可靠性仿真，具体步骤如下：

3.1）根据微加速度计的使用加速度范围，设定仿真的起始冲击加速度小于使用加速度范围的上限值；若微加速度计的使用加速度范围的上限值小于10万g，则设定1万g≤冲击加速度变化量Δa≤5万g；若微加速度计的使用加速度范围的上限值大于10万g，则设定5万g≤冲击加速度变化量Δa≤10万g；对微加速度计的外框施加Z轴方向约束；

3.2）根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的静力学仿真模块对微加速度计施加静态冲击加速度载荷；静态冲击加速度载荷由起始冲击加速度开始进行增加；

3.3）加载并求解静态冲击加速度载荷，查看求解结果；根据求解结果中的应力和应变分布云图，得出微加速度计的应力最大值分布点、应力集中区域和应变最大值分布点；假设此时微加速度计所受的最大应力值为τ_s；

3.4）若τ_s<[τ]，表明微加速度计的功能正常，则继续对微加速度计增加静态冲击加速度载荷；重复步骤3.3），直到τ_s>[τ]时，表明微加速度计的功能异常；假设此时的静态冲击加速度载荷为a1，假设此时微加速度计所受的最大应变值为ε_s；若最大应变值ε_s小于微加速度计的允许应变范围，则继续对微加速度计增加静态冲击加速度载荷；重复步骤3.3），直到最大应变值ε_s大于微加速度计的允许应变范围；假设此时的静态冲击加速度载荷为a2；若a1>a2，则将a2确定为微加速度计所能承受的最大冲击加速度；若a1＜a2，则将a1确定为微加速度计所能承受的最大冲击加速度；

3.5）对微加速度计的外框施加X轴方向或Y轴方向约束；重复步骤3.2）-3.4）；若施加Z轴方向约束时微加速度计所能承受的最大冲击加速度大于施加X轴方向或Y轴方向约束时微加速度计所能承受的最大冲击加速度，表明微加速度计故障出现的约束条件取Z轴方向；若施加Z轴方向约束时微加速度计所能承受的最大冲击加速度小于施加X轴方向或Y轴方向约束时微加速度计所能承受的最大冲击加速度，表明微加速度计故障出现的约束条件取X轴方向或Y轴方向；

3.6）对微加速度计的外框施加Z轴方向约束；根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的动力学仿真模块对微加速度计施加冲击加速度载荷；冲击加速度载荷由起始冲击加速度开始进行增加，每增加冲击加速度变化量Δa设定为一个子步；冲击加速度载荷增加至超过使用加速度范围的上限值后，再增加两个子步；重复步骤3.3）-3.5）；

4）在高温、高冲击、高速旋转综合应力下对微加速度计进行可靠性仿真，具体步骤如下：

4.1）重复步骤2.1）；重复步骤3.1）；根据微加速度计的使用环境，设定仿真的起始转数为10000r/min，设定100r/min≤转数变化量ΔR≤500r/min；

4.2）根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的热力学分析模块对微加速度计施加温度载荷；温度载荷由增温起测温度开始进行增加；根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的静力学仿真模块对微加速度计施加静态冲击加速度载荷；静态冲击加速度载荷由起始冲击加速度开始进行增加；根据仿真模型，对微加速度计施加转数载荷；转数载荷由起始转数开始进行增加，每增加最大转数变化量ΔRmax设定为一个子步；转数载荷增加至超过使用温度范围的上限值后，再增加两个子步；

4.3）加载并求解转数载荷，查看求解结果；根据求解结果中的应力和应变分布云图，得出微加速度计的应力最大值分布点、应力集中区域和应变最大值分布点；假设此时微加速度计所受的最大集中应力值为σ；

4.4）若σ<[σ]，表明微加速度计的功能正常，则继续对微加速度计增加转数载荷；重复步骤4.3），直到σ＞[σ]时，表明微加速度计的功能异常；此时查看求解结果中的前一个子步，确定出微加速度计的功能异常时的最小转数载荷，将该最小转数载荷确定为当前温度载荷和当前静态冲击加速度载荷下对应的微加速度计的工作极限转数；

4.5）继续对微加速度计增加静态冲击加速度载荷；每增加冲击加速度变化量Δa设定为一个子步；对微加速度计施加转数载荷；转数载荷重新由起始转数开始进行增加，每增加最大转数变化量ΔRmax设定为一个子步；重复步骤4.3）-4.4），确定出当前温度载荷下各静态冲击加速度载荷对应的微加速度计的工作极限转数；

4.6）继续对微加速度计增加温度载荷；每增加最大温度变化量ΔTmax设定为一个子步；对微加速度计施加静态冲击加速度载荷；静态冲击加速度载荷重新由起始冲击加速度开始进行增加，每增加冲击加速度变化量Δa设定为一个子步；对微加速度计施加转数载荷；转数载荷重新由起始转数开始进行增加，每增加最大转数变化量ΔRmax设定为一个子步；重复步骤4.3）-4.4），确定出各温度载荷和各静态冲击加速度载荷任意组合下对应的微加速度计的工作极限转数。

Claims (1)

1.一种微加速度计的可靠性仿真方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

1）利用ANSYS仿真软件建立微加速度计的仿真模型；通过仿真模型确认微加速度计的材料特性；根据微加速度计的材料特性，得出微加速度计的最大许用应力[τ]、允许应变范围、最大屈服强度[σ]；

2）在高温应力下对微加速度计进行可靠性仿真，具体步骤如下：

2.1）根据微加速度计的使用温度范围，设定仿真的增温起测温度小于使用温度范围的上限值，设定5℃≤温度变化量ΔT≤10℃；

2.2）根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的热力学分析模块对微加速度计施加温度载荷；温度载荷由增温起测温度开始进行增加，每增加最大温度变化量ΔTmax设定为一个子步；温度载荷增加至超过使用温度范围的上限值后，再增加两个子步；

2.3）加载并求解温度载荷，查看求解结果；根据求解结果中的应力分布云图，得出微加速度计的应力最大值分布点和应力集中区域；查看求解结果中的最后一个子步；假设此时微加速度计所受的最大应力值为τ_t；

2.4）若τ_t<[τ]，表明微加速度计的功能正常，则继续对微加速度计增加温度载荷，每增加最大温度变化量ΔTmax设定为一个子步；重复步骤2.3），直到τ_t>[τ]时，表明微加速度计的功能异常；此时查看求解结果中的前一个子步，确定出微加速度计的功能异常时的最小温度载荷；继续对微加速度计增加温度载荷，每增加1℃设定为一个子步；重复步骤2.3），确定出微加速度计的上破坏极限温度；

3）在高冲击应力下对微加速度计进行可靠性仿真，具体步骤如下：

3.1）根据微加速度计的使用加速度范围，设定仿真的起始冲击加速度小于使用加速度范围的上限值；若微加速度计的使用加速度范围的上限值小于10万g，则设定1万g≤冲击加速度变化量Δa≤5万g；若微加速度计的使用加速度范围的上限值大于10万g，则设定5万g≤冲击加速度变化量Δa≤10万g；对微加速度计的外框施加Z轴方向约束；

3.2）根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的静力学仿真模块对微加速度计施加静态冲击加速度载荷；静态冲击加速度载荷由起始冲击加速度开始进行增加；

3.3）加载并求解静态冲击加速度载荷，查看求解结果；根据求解结果中的应力和应变分布云图，得出微加速度计的应力最大值分布点、应力集中区域和应变最大值分布点；假设此时微加速度计所受的最大应力值为τ_s；

3.4）若τ_s<[τ]，表明微加速度计的功能正常，则继续对微加速度计增加静态冲击加速度载荷；重复步骤3.3），直到τ_s>[τ]时，表明微加速度计的功能异常；假设此时的静态冲击加速度载荷为a1，假设此时微加速度计所受的最大应变值为ε_s；若最大应变值ε_s小于微加速度计的允许应变范围，则继续对微加速度计增加静态冲击加速度载荷；重复步骤3.3），直到最大应变值ε_s大于微加速度计的允许应变范围；假设此时的静态冲击加速度载荷为a2；若a1>a2，则将a2确定为微加速度计所能承受的最大冲击加速度；若a1＜a2，则将a1确定为微加速度计所能承受的最大冲击加速度；

3.5）对微加速度计的外框施加X轴方向或Y轴方向约束；重复步骤3.2）-3.4）；若施加Z轴方向约束时微加速度计所能承受的最大冲击加速度大于施加X轴方向或Y轴方向约束时微加速度计所能承受的最大冲击加速度，表明微加速度计故障出现的约束条件取Z轴方向；若施加Z轴方向约束时微加速度计所能承受的最大冲击加速度小于施加X轴方向或Y轴方向约束时微加速度计所能承受的最大冲击加速度，表明微加速度计故障出现的约束条件取X轴方向或Y轴方向；

3.6）对微加速度计的外框施加Z轴方向约束；根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的动力学仿真模块对微加速度计施加冲击加速度载荷；冲击加速度载荷由起始冲击加速度开始进行增加，每增加冲击加速度变化量Δa设定为一个子步；冲击加速度载荷增加至超过使用加速度范围的上限值后，再增加两个子步；重复步骤3.3）-3.5）；

4）在高温、高冲击、高速旋转综合应力下对微加速度计进行可靠性仿真，具体步骤如下：

4.1）重复步骤2.1）；重复步骤3.1）；根据微加速度计的使用环境，设定仿真的起始转数为10000r/min，设定100r/min≤转数变化量ΔR≤500r/min；

4.2）根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的热力学分析模块对微加速度计施加温度载荷；温度载荷由增温起测温度开始进行增加；根据仿真模型，利用ANSYS仿真软件的静力学仿真模块对微加速度计施加静态冲击加速度载荷；静态冲击加速度载荷由起始冲击加速度开始进行增加；根据仿真模型，对微加速度计施加转数载荷；转数载荷由起始转数开始进行增加，每增加最大转数变化量ΔRmax设定为一个子步；转数载荷增加至超过使用温度范围的上限值后，再增加两个子步；

4.3）加载并求解转数载荷，查看求解结果；根据求解结果中的应力和应变分布云图，得出微加速度计的应力最大值分布点、应力集中区域和应变最大值分布点；假设此时微加速度计所受的最大集中应力值为σ；

4.4）若σ<[σ]，表明微加速度计的功能正常，则继续对微加速度计增加转数载荷；重复步骤4.3），直到σ＞[σ]时，表明微加速度计的功能异常；此时查看求解结果中的前一个子步，确定出微加速度计的功能异常时的最小转数载荷，将该最小转数载荷确定为当前温度载荷和当前静态冲击加速度载荷下对应的微加速度计的工作极限转数；

4.5）继续对微加速度计增加静态冲击加速度载荷；每增加冲击加速度变化量Δa设定为一个子步；对微加速度计施加转数载荷；转数载荷重新由起始转数开始进行增加，每增加最大转数变化量ΔRmax设定为一个子步；重复步骤4.3）-4.4），确定出当前温度载荷下各静态冲击加速度载荷对应的微加速度计的工作极限转数；

4.6）继续对微加速度计增加温度载荷；每增加最大温度变化量ΔTmax设定为一个子步；对微加速度计施加静态冲击加速度载荷；静态冲击加速度载荷重新由起始冲击加速度开始进行增加，每增加冲击加速度变化量Δa设定为一个子步；对微加速度计施加转数载荷；转数载荷重新由起始转数开始进行增加，每增加最大转数变化量ΔRmax设定为一个子步；重复步骤4.3）-4.4），确定出各温度载荷和各静态冲击加速度载荷任意组合下对应的微加速度计的工作极限转数。