基于非線性順序損傷累加的太陽敏感器壽命預(yù)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供一種太陽敏感器壽命預(yù)計方法，特別是設(shè)及一種基于非線性順序損傷 累加的太陽敏感器壽命預(yù)計方法，屬于產(chǎn)品可靠性預(yù)計領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽敏感器是通過敏感太陽矢量方位來確定矢量在星體坐標中的方位，從而獲得 航天器相對于太陽方位信息的光學姿態(tài)敏感器。其主要包括光學探頭和信號處理電路兩部 分。光學探頭包括光學組件和探測器，利用光電轉(zhuǎn)換功能實時獲取星體相對太陽的姿態(tài)角 度信息。
[0003] 模擬太陽敏感器產(chǎn)生的輸出信號是星體相對太陽矢量方位(太陽角）的連續(xù)函數(shù)； 模擬式太陽敏感器又稱為余弦檢測器，常使用光電池作為其傳感器件，它的輸出信號強度 與太陽光的入射角度有關(guān)，其關(guān)系式為:其中，10-太陽光束與光電池法線方向的夾角。0-光電池的短路電流;模擬式太陽敏感器幾乎全部都是全天候工作的，其視場一般在20-30° 左右，精度在1°左右，它判斷出現(xiàn)太陽信號的闊值W不高于太陽信號的80% (-般為50%) 為口限。運樣的精度對于通信衛(wèi)星還可W，但對于對地觀測的衛(wèi)星來說，精度太低，因此，目 前的通信衛(wèi)星主要依賴運種模擬式的太陽敏感器。
[0004] 太陽敏感器作為衛(wèi)星重要的組成部位，其在發(fā)射階段受到隨機振動的影響比較 大，在軌運行階段，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行期間將承受17500次左右的熱循環(huán)。溫度循環(huán)導致電路板焊點等 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，太陽敏感器電路組件會出現(xiàn)熱疲勞、振動疲勞和電應(yīng)力損傷，而光學探 頭組件則會出現(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，對產(chǎn)品的可靠性或者壽命的預(yù)計有兩種方法。第一種是傳統(tǒng)上的基于統(tǒng)計 數(shù)據(jù)的可靠性預(yù)計方法。典型的手冊有電子產(chǎn)品的GJB/Z299C-2006電子設(shè)備可靠性預(yù)計手 冊、美國軍用標準1比-皿服-217F可靠性預(yù)計方法，機電產(chǎn)品通常采用基于歷史數(shù)據(jù)的相似 產(chǎn)品方法來進行可靠性預(yù)計。針對模擬型太陽敏感器運種光電產(chǎn)品，沒有現(xiàn)成的可靠性預(yù) 計手冊，其故障歷史數(shù)據(jù)也比較缺乏，可靠性或壽命預(yù)計無法參考傳統(tǒng)的方式進行。產(chǎn)品壽 命預(yù)計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，利用故障機理 與物理模型預(yù)測壽命。由于太陽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預(yù)測壽命。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損傷累積的影響，使得壽 命預(yù)計存在較大的計算誤差。同時，目前工程上太陽敏感器的故障機理采用競爭關(guān)系，取故 障時間最小的機理作為系統(tǒng)主機理的方法也是不科學的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對現(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 陽敏感器壽命預(yù)計方法，為設(shè)計改進和定型驗證提供依據(jù)，從而提高太陽敏感器的固有可 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敏感器壽命預(yù)計方法，所述太 陽敏感器包括電路組件和光學探頭組件，所述電路組件包括信號處理電路板，所述光學探 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、確定太陽敏感器的故障機理及選取物理模型；
[0009] 步驟二、對太陽敏感器的電路組件進行單應(yīng)力仿真及損傷計算；
[0010] 步驟=、對太陽敏感器的光學探頭組件進行單應(yīng)力仿真及損傷計算；
[0011] 步驟四、進行發(fā)射階段振動應(yīng)力和在軌階段熱應(yīng)力下的疲勞機理損傷累加；W及
[0012] 步驟五、運用故障機理樹進行系統(tǒng)建模和壽命預(yù)計。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的方法，可優(yōu)選的是，在所述步驟一中，確定的故障機理包括:所述信 號處理電路板的熱疲勞、振動疲勞和電應(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.對太陽敏感器的信號處理電路板進行熱仿真、振動仿真和單應(yīng)力損傷計算；
[0016] b.對太陽敏感器的信號處理電路板進行電應(yīng)力仿真及損傷計算。
[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算娃橡膠的預(yù)計壽命；
[0019] b.由選取的石英玻璃透過率退化模型計算石英玻璃的預(yù)計壽命；
[0020] C.由選取的娃光電池電壓退化曲線模型，根據(jù)電壓闊值計算得到娃光電池的預(yù)計 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為實際振動時間;Nv為單一振動條件下隨機振動至失 效的時間;Nt為單一溫循條件下器件失效時間;M為在先振動再溫循順序加載條件下，器件 至失效的實際循環(huán)時間；
[0024] 累加后得到順序作用的振動和熱應(yīng)力下的疲勞故障機理壽命。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的方法，可優(yōu)選的是，在所述步驟五中，所述故障機理樹中包括參數(shù)聯(lián) 合與單元損傷累加運兩種單元層面的故障機理關(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)合的故障機理的壽命 為：
[002引其中，&為參數(shù)聯(lián)合的故障機理的壽命，Xth為單元的參數(shù)闊值，A X為單位時間的 參數(shù)變化，A Xi為由于第i個參數(shù)聯(lián)合的故障機理在單位時間內(nèi)引起的參數(shù)變化，、為第i個 參數(shù)聯(lián)合的故障機理的比例系數(shù)，ti為第i個參數(shù)聯(lián)合的故障機理單獨作用時的故障時間， 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理的壽命;XNi(t)為第i個單元損傷累加的故障 機理作用于系統(tǒng)的損傷，隨時間發(fā)生變化;XNith為第i個單元損傷累加的故障機理作用時的 損傷闊值；
[0034] 仿真得到太陽敏感器輸出參數(shù)變化W及故障時間分布，對故障時間進行擬合。
[0035] 本發(fā)明提供的太陽敏感器壽命預(yù)計方法具有W下優(yōu)點：
[0036] a.用不同應(yīng)力順序加載非線性累積法彌補了線性累積損傷理論的不足，使得太陽 敏感器振動和熱應(yīng)力疲勞損傷累加更加符合產(chǎn)品實際經(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理對系統(tǒng)壽命的影響和貢獻，打 破了故障機理相互獨立的假設(shè)，所預(yù)計的太陽敏感器壽命更加準確。
【附圖說明】
[0038] 圖1本發(fā)明實施例的太陽敏感器的硬件組成
[0039] 圖2a參數(shù)聯(lián)合的故障機理關(guān)系符號
[0040] 圖化單元損傷累加的故障機理關(guān)系符號
[0041] 圖3信號處理電路板的溫度循環(huán)剖面
[0042] 圖4信號處理電路版的振動譜型
[0043] 圖5信號處理電路板有限元網(wǎng)格模型
[0044] 圖6信號處理電路板輸出信號退化的故障機理樹
【具體實施方式】
[0045] 下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，W如圖1所示的太陽敏 感器為例進行展開。
[0046] 本實施例的基于非線性順序損傷累加的太陽敏感器壽命預(yù)計方法，包括W下步 驟：
[0047] 步驟一:太陽敏感器的故障機理的確定及物理模型的選取。