本文以某雷达T/R组件为对象，开展基于热仿真的可靠性建模分析与可靠性设计改进，案例来源于某领域真实产品，部分内容省略。

1、 影响因素分析

T/R组件在工作过程中受到各种温度及温度变化的影响，且温度极值（最高值或最低值）以及温度变化都会引起其输出性能指标降低或失效。在外部温度载荷一定的情况下，T/R组件采用翅片散热方式强迫风冷，影响T/R组件温度的随机变量主要有散热参数（材料、几何尺寸、翅高、翅片间距、翅厚以及翅片个数等）、风速、材料参数（导热系数、密度、比热等）、热交换系数、环境温度以及器件尺寸参数和位置参数等。

2、 建立可靠性模型

在工程上T/R组件内部的发热器件有着严格的规定，认为其温度超过了一定的许用范围就是失效，由于器件材料、尺寸、外界环境温度、边界条件等存在着随机性，导致了温度分布也存在着随机性。因此，失效判据可表示为

Tmax >[T]

式中，[T]为器件的许用温度，可根据工程上的要求来确定。Tmax为器件的最高工作温度，可通过T/R组件的热仿真分析得到，本项目采用Flotherm热仿真软件对T/R组件及其关键热源器件进行热仿真，获取稳态下的温度场。仿真的环境温度设为55ºC，仿真风道内风速为5m/s，在Flotherm中建立的仿真模型如图1。

图1 S波段T/R组件热仿真模型

热仿真结果如图2所示。

图2 S波段T/R组件热仿真温度场

如果以初始的设计方案进行热仿真，在环境温度为55ºC时T/R组件温度场分布如图所示。可以看出，尽管T/R组件温度场的最高温度趋于稳态时满足要求，但热源器件处仍处于高温区域，导致整个T/R组件的热性能下降，应进一步进行其可靠性分析。

以组件或者器件的许用温度作为热失效的判据。因此可建立可靠性模型

Z= [T] - Tmax     

3、 工作温度的试验设计和响应面拟合

进行可靠度计算时直接调用热仿真模型进行计算一方面计算量较大，另一方面由于数值计算误差会影响可靠性分析的应用。因此，利用91质量网开发的可靠性仿真专业软件 MEREL，选用拉丁超立方设计方法多次调用热仿真模型计算，然后拟合温度与随机参数的响应面模型，基于该响应面模型计算可靠度。其中拉丁超立方设计的试验次数选择400次，响应面模型选择包含交叉项的2阶多项式，如图3所示。

 图3  T/R组件拟合的三维响应面模型

4、 可靠性分析计算

基于拟合的响应面模型和功能函数，利用MEREL专业软件提供的一次可靠度法进行可靠度计算，可靠性分析结果如下：

稳态可靠度=0.935257，可靠性灵敏度如图4所示。可以看出，影响最高温度的主要参数为外部环境温度、热源器件材料热导率、热交换系数、热源器件的位置布局等，这与试验设计相关性分析的结果是一致的。还可以看出，降低外部环境温度、提高材料的热导率以及提高热交换系数等可以提高T/R组件关键热源器件的可靠度。其它输入变量对其可靠性的影响相对较小。

图4  T/R组件可靠度灵敏度

从热仿真的温度场可以看出，稳态情况下出现最高温度为76.5ºC，正常的工作环境温度（55ºC）情况下还是经常出现关键热源器件（许用温度为75ºC）由于过热而烧毁的情况。

5、设计改进措施

结合上述的可靠度灵敏度分析结果，基于其随机影响因素的重要性以及可以比较容易改善其散热效果的角度，对S波段T/R组件散热方式进行调整，以改善其散热效果，将翅片式散热器改为热管式散热器（如图5所示），使关键热源器件的热导率由原来的385增加到1000，即通过改变其热导性来改善散热效果，进而提高其可靠性，改进后的T/R组件布局图略。

 图5  热管式散热器外形图

改进T/R组件的最高温度值由改进前的77.54ºC降为73.37ºC，降在了关键热源器件许用温度范围之内。改进后的可靠度灵敏度如图6所示：

 图6  S波段T/R组件改进后的可靠度灵敏度

可以看出，可靠度有了显著提高，由原来的0.935257提高到0.999982，且在实际的使用过程中，改进后的T/R组件没有再出现被烧毁的情况。

同时，热管在风冷散热器上的应用，由于热管的热超导性和均温性，其在电子散热上的应用已经非常普遍，选择适合S波段T/R组件的散热热管产品应需要合理规划、热仿真以及可靠性仿真，才能解决实际问题。