基于非線性順序損傷累加的太陽(yáng)敏感器壽命預(yù)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供一種太陽(yáng)敏感器壽命預(yù)計(jì)方法，特別是設(shè)及一種基于非線性順序損傷 累加的太陽(yáng)敏感器壽命預(yù)計(jì)方法，屬于產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽(yáng)敏感器是通過敏感太陽(yáng)矢量方位來(lái)確定矢量在星體坐標(biāo)中的方位，從而獲得 航天器相對(duì)于太陽(yáng)方位信息的光學(xué)姿態(tài)敏感器。其主要包括光學(xué)探頭和信號(hào)處理電路兩部 分。光學(xué)探頭包括光學(xué)組件和探測(cè)器，利用光電轉(zhuǎn)換功能實(shí)時(shí)獲取星體相對(duì)太陽(yáng)的姿態(tài)角 度信息。
[0003] 模擬太陽(yáng)敏感器產(chǎn)生的輸出信號(hào)是星體相對(duì)太陽(yáng)矢量方位(太陽(yáng)角）的連續(xù)函數(shù)； 模擬式太陽(yáng)敏感器又稱為余弦檢測(cè)器，常使用光電池作為其傳感器件，它的輸出信號(hào)強(qiáng)度 與太陽(yáng)光的入射角度有關(guān)，其關(guān)系式為:其中，10-太陽(yáng)光束與光電池法線方向的夾角。0-光電池的短路電流;模擬式太陽(yáng)敏感器幾乎全部都是全天候工作的，其視場(chǎng)一般在20-30° 左右，精度在1°左右，它判斷出現(xiàn)太陽(yáng)信號(hào)的闊值W不高于太陽(yáng)信號(hào)的80% (-般為50%) 為口限。運(yùn)樣的精度對(duì)于通信衛(wèi)星還可W，但對(duì)于對(duì)地觀測(cè)的衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，精度太低，因此，目 前的通信衛(wèi)星主要依賴運(yùn)種模擬式的太陽(yáng)敏感器。
[0004] 太陽(yáng)敏感器作為衛(wèi)星重要的組成部位，其在發(fā)射階段受到隨機(jī)振動(dòng)的影響比較 大，在軌運(yùn)行階段，要周期性地經(jīng)歷日照區(qū)和陰影區(qū)，被周期性地加熱和冷卻，使得太陽(yáng)敏 感器往往要經(jīng)受較大幅度的高低溫變化，一般在-160°C~+120°C左右。工作壽命為30年的 航天器在低地球軌道運(yùn)行期間將承受17500次左右的熱循環(huán)。溫度循環(huán)導(dǎo)致電路板焊點(diǎn)等 部位出現(xiàn)熱疲勞失效?？臻g環(huán)境下，存在電離層等離子體、磁層等離子體和極光等離子體等 低能帶電粒子環(huán)境，也存在太陽(yáng)宇宙線、銀河宇宙線和地球福射帶等高能帶電粒子福射環(huán) 境。在空間福照下，太陽(yáng)敏感器電路組件會(huì)出現(xiàn)熱疲勞、振動(dòng)疲勞和電應(yīng)力損傷，而光學(xué)探 頭組件則會(huì)出現(xiàn)玻璃著色效應(yīng)、表面瓣射剝蝕、充放電效應(yīng)和福照誘發(fā)污染效應(yīng)等。
[0005] 目前，對(duì)產(chǎn)品的可靠性或者壽命的預(yù)計(jì)有兩種方法。第一種是傳統(tǒng)上的基于統(tǒng)計(jì) 數(shù)據(jù)的可靠性預(yù)計(jì)方法。典型的手冊(cè)有電子產(chǎn)品的GJB/Z299C-2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手 冊(cè)、美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)1比-皿服-217F可靠性預(yù)計(jì)方法，機(jī)電產(chǎn)品通常采用基于歷史數(shù)據(jù)的相似 產(chǎn)品方法來(lái)進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。針對(duì)模擬型太陽(yáng)敏感器運(yùn)種光電產(chǎn)品，沒有現(xiàn)成的可靠性預(yù) 計(jì)手冊(cè)，其故障歷史數(shù)據(jù)也比較缺乏，可靠性或壽命預(yù)計(jì)無(wú)法參考傳統(tǒng)的方式進(jìn)行。產(chǎn)品壽 命預(yù)計(jì)的另一種方法為故障物理，即通過確定產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)與載荷條件，利用故障機(jī)理 與物理模型預(yù)測(cè)壽命。由于太陽(yáng)敏感器在全壽命周期中所經(jīng)歷的載荷條件的階段性，不同 條件，不同階段所造成的損傷不同，通常采用基于損傷累加的故障物理方法來(lái)預(yù)測(cè)壽命。目 前應(yīng)用較多的線性累積原則沒有考慮載荷歷程和載荷相互作用對(duì)損傷累積的影響，使得壽 命預(yù)計(jì)存在較大的計(jì)算誤差。同時(shí)，目前工程上太陽(yáng)敏感器的故障機(jī)理采用競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，取故 障時(shí)間最小的機(jī)理作為系統(tǒng)主機(jī)理的方法也是不科學(xué)的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于非線性順序損傷累加的太 陽(yáng)敏感器壽命預(yù)計(jì)方法，為設(shè)計(jì)改進(jìn)和定型驗(yàn)證提供依據(jù)，從而提高太陽(yáng)敏感器的固有可 靠性。
[0007] 本發(fā)明提供了一種基于非線性順序損傷累加的太陽(yáng)敏感器壽命預(yù)計(jì)方法，所述太 陽(yáng)敏感器包括電路組件和光學(xué)探頭組件，所述電路組件包括信號(hào)處理電路板，所述光學(xué)探 頭組件包括柱面鏡、娃光電池，娃橡膠粘結(jié)層，其特征在于，所述方法包括如下步驟：
[000引步驟一、確定太陽(yáng)敏感器的故障機(jī)理及選取物理模型；
[0009] 步驟二、對(duì)太陽(yáng)敏感器的電路組件進(jìn)行單應(yīng)力仿真及損傷計(jì)算；
[0010] 步驟=、對(duì)太陽(yáng)敏感器的光學(xué)探頭組件進(jìn)行單應(yīng)力仿真及損傷計(jì)算；
[0011] 步驟四、進(jìn)行發(fā)射階段振動(dòng)應(yīng)力和在軌階段熱應(yīng)力下的疲勞機(jī)理?yè)p傷累加；W及
[0012] 步驟五、運(yùn)用故障機(jī)理樹進(jìn)行系統(tǒng)建模和壽命預(yù)計(jì)。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的方法，可優(yōu)選的是，在所述步驟一中，確定的故障機(jī)理包括:所述信 號(hào)處理電路板的熱疲勞、振動(dòng)疲勞和電應(yīng)力損傷，娃橡膠老化，石英玻璃透過率退化，W及 娃光電池電壓退化。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的方法，可優(yōu)選的是，所述步驟二包括：
[0015] a.對(duì)太陽(yáng)敏感器的信號(hào)處理電路板進(jìn)行熱仿真、振動(dòng)仿真和單應(yīng)力損傷計(jì)算；
[0016] b.對(duì)太陽(yáng)敏感器的信號(hào)處理電路板進(jìn)行電應(yīng)力仿真及損傷計(jì)算。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的方法，可優(yōu)選的是，所述步驟=包括：
[0018] a.由選取的娃橡膠老化失效模型計(jì)算娃橡膠的預(yù)計(jì)壽命；
[0019] b.由選取的石英玻璃透過率退化模型計(jì)算石英玻璃的預(yù)計(jì)壽命；
[0020] C.由選取的娃光電池電壓退化曲線模型，根據(jù)電壓闊值計(jì)算得到娃光電池的預(yù)計(jì) 壽命。
[0021 ]根據(jù)本發(fā)明的方法，可優(yōu)選的是，在所述步驟四中，累加規(guī)律為：
[0023] 其中：CDI是累積損傷指數(shù);m為實(shí)際振動(dòng)時(shí)間;Nv為單一振動(dòng)條件下隨機(jī)振動(dòng)至失 效的時(shí)間;Nt為單一溫循條件下器件失效時(shí)間;M為在先振動(dòng)再溫循順序加載條件下，器件 至失效的實(shí)際循環(huán)時(shí)間；
[0024] 累加后得到順序作用的振動(dòng)和熱應(yīng)力下的疲勞故障機(jī)理壽命。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的方法，可優(yōu)選的是，在所述步驟五中，所述故障機(jī)理樹中包括參數(shù)聯(lián) 合與單元損傷累加運(yùn)兩種單元層面的故障機(jī)理關(guān)系。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的方法，可優(yōu)選的是，在所述步驟五中，參數(shù)聯(lián)合的故障機(jī)理的壽命 為：
[002引其中，&為參數(shù)聯(lián)合的故障機(jī)理的壽命，Xth為單元的參數(shù)闊值，A X為單位時(shí)間的 參數(shù)變化，A Xi為由于第i個(gè)參數(shù)聯(lián)合的故障機(jī)理在單位時(shí)間內(nèi)引起的參數(shù)變化，、為第i個(gè) 參數(shù)聯(lián)合的故障機(jī)理的比例系數(shù)，ti為第i個(gè)參數(shù)聯(lián)合的故障機(jī)理單獨(dú)作用時(shí)的故障時(shí)間， 即壽命；
[0029]系統(tǒng)的故障概率密度函數(shù)F(t)為：
[0031 ]單元損傷累加的故障機(jī)理的壽命為：
[003^ 各2 : 凸{出-呂,{義、-1 (0 =義、""9
[0033] 其中，鉛為單元損傷累加的故障機(jī)理的壽命;XNi(t)為第i個(gè)單元損傷累加的故障 機(jī)理作用于系統(tǒng)的損傷，隨時(shí)間發(fā)生變化;XNith為第i個(gè)單元損傷累加的故障機(jī)理作用時(shí)的 損傷闊值；
[0034] 仿真得到太陽(yáng)敏感器輸出參數(shù)變化W及故障時(shí)間分布，對(duì)故障時(shí)間進(jìn)行擬合。
[0035] 本發(fā)明提供的太陽(yáng)敏感器壽命預(yù)計(jì)方法具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0036] a.用不同應(yīng)力順序加載非線性累積法彌補(bǔ)了線性累積損傷理論的不足，使得太陽(yáng) 敏感器振動(dòng)和熱應(yīng)力疲勞損傷累加更加符合產(chǎn)品實(shí)際經(jīng)歷的載荷狀況。
[0037] b.利用系統(tǒng)建模的方法綜合考慮各種不同故障機(jī)理對(duì)系統(tǒng)壽命的影響和貢獻(xiàn)，打 破了故障機(jī)理相互獨(dú)立的假設(shè)，所預(yù)計(jì)的太陽(yáng)敏感器壽命更加準(zhǔn)確。
【附圖說(shuō)明】
[0038] 圖1本發(fā)明實(shí)施例的太陽(yáng)敏感器的硬件組成
[0039] 圖2a參數(shù)聯(lián)合的故障機(jī)理關(guān)系符號(hào)
[0040] 圖化單元損傷累加的故障機(jī)理關(guān)系符號(hào)
[0041] 圖3信號(hào)處理電路板的溫度循環(huán)剖面
[0042] 圖4信號(hào)處理電路版的振動(dòng)譜型
[0043] 圖5信號(hào)處理電路板有限元網(wǎng)格模型
[0044] 圖6信號(hào)處理電路板輸出信號(hào)退化的故障機(jī)理樹
【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，W如圖1所示的太陽(yáng)敏 感器為例進(jìn)行展開。
[0046] 本實(shí)施例的基于非線性順序損傷累加的太陽(yáng)敏感器壽命預(yù)計(jì)方法，包括W下步 驟：
[0047] 步驟一:太陽(yáng)敏感器的故障機(jī)理的確定及物理模型的選取。