高可靠產(chǎn)品加速壽命試驗(yàn)技術(shù)及其相關(guān)研究

葛 莉, 馬志宏

（1. 空軍航空技術(shù)裝備可靠性辦公室，北京 100024； 2 空軍裝備研究院雷達(dá)所，北京 100085）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多高可靠、長(zhǎng)壽命的航空電子產(chǎn)品。由于航空電子產(chǎn)品大多造價(jià)昂貴且批量少，不可能抽取大量試件來(lái)做試驗(yàn)，因此，對(duì)于大多數(shù)高可靠航空產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，如果按照傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，即使進(jìn)行數(shù)年試驗(yàn)，也可能沒(méi)有或只有一、二個(gè)失效，而難于在可行的時(shí)間內(nèi)完成。

目前備受關(guān)注的加速壽命試驗(yàn)，是一種經(jīng)濟(jì)有效的試驗(yàn)方法和技術(shù)，可縮短壽命試驗(yàn)的周期，在短時(shí)間內(nèi)獲得產(chǎn)品的壽命信息[1]，進(jìn)一步加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，從而解決傳統(tǒng)試驗(yàn)既費(fèi)錢又費(fèi)時(shí)的問(wèn)題，縮短裝備的研制周期，節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，使產(chǎn)品獲得高可靠性，因此無(wú)論是從型號(hào)的研制需求，還是從可靠性試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)方面，開展加速壽命試驗(yàn)技術(shù)的研究工作都勢(shì)在必行。

1 加速壽命試驗(yàn)ALT

從20世紀(jì)50年代，國(guó)外就開始對(duì)加速壽命試驗(yàn)（ALT）進(jìn)行研究，80年代初加速壽命試驗(yàn)相關(guān)理念才逐漸進(jìn)入我國(guó)，因此國(guó)內(nèi)普遍對(duì)加速壽命試驗(yàn)技術(shù)研究起步較晚，有關(guān)理論和方法不夠深入，缺乏系統(tǒng)分析和研究。

傳統(tǒng)環(huán)境模擬試驗(yàn)是盡可能地模擬任務(wù)剖面的真實(shí)環(huán)境，采用設(shè)計(jì)裕度來(lái)確保產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。加速壽命試驗(yàn)與環(huán)境模擬試驗(yàn)的思路正好相反，它采用人為施加環(huán)境應(yīng)力的方法，加速激發(fā)產(chǎn)品潛在的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、工藝等缺陷，通過(guò)不斷改進(jìn)產(chǎn)品來(lái)達(dá)到提高可靠性為目的，因此加速壽命試驗(yàn)原理是通過(guò)高應(yīng)力可靠性指標(biāo)外推正常應(yīng)力的可靠性指標(biāo)。

目前國(guó)內(nèi)專家僅在國(guó)外已有加速模型和加速試驗(yàn)方法基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性研究和試驗(yàn)工作，真正用于工程實(shí)踐的較少。常用的加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕俏锢砑铀倌Ｐ?，它是通過(guò)與失效機(jī)理相關(guān)的物理原理推導(dǎo)而成，該類物理模型的數(shù)學(xué)表達(dá)形式已知，模型參數(shù)待定，而加速模型中最典型、應(yīng)用最廣的是反應(yīng)速度論模型。其中比較常用的加速模型目前主要有：

1.1 單應(yīng)力Eyring模型，即產(chǎn)品的壽命特征是絕對(duì)溫度的函數(shù)，見式(1)：

式中，ξ—壽命特征；

K—波爾茲曼常數(shù)；

T—絕對(duì)溫度；

A、B—正常數(shù)。

1.2 逆冪律IPL方程，即壽命特征隨著電應(yīng)力（電壓、電流和功率等）的上升而按負(fù)次冪函數(shù)下降，其適用于機(jī)械產(chǎn)品和電工產(chǎn)品，見式(2)：

式中，V—應(yīng)力；

n—待定系數(shù)；

A—正常數(shù)。

1.3 Arrhenius方程，即壽命特征隨著溫度的上升而按照指數(shù)函數(shù)規(guī)律下降，其主要適用于電子產(chǎn)品，見式(3)：

式中，E—激活能；

K—波爾茲曼常數(shù)；

T—絕對(duì)溫度；

A—正常數(shù)。

由于失效物理加速模型是失效物理分析的結(jié)果，其方程依賴于特定的失效物理/化學(xué)過(guò)程，因此存在一個(gè)適用范圍的問(wèn)題，要具體問(wèn)題具體分析[2]。

2 不同類型加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)施加不同的應(yīng)力水平，可將加速壽命試驗(yàn)（ALT）歸類為恒定應(yīng)力試驗(yàn)（CSALT）、步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)（SSALT）和序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)（PSALT）。

恒定應(yīng)力試驗(yàn)是在定時(shí)或定數(shù)情況下施加不同等級(jí)應(yīng)力依次進(jìn)行壽命試驗(yàn)，分別統(tǒng)計(jì)各組失效情況，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行評(píng)估。步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)是將施加應(yīng)力按從低到高不同應(yīng)力等級(jí)依次進(jìn)行，但各組試驗(yàn)樣品必須達(dá)到定時(shí)或定數(shù)要求，直至試驗(yàn)結(jié)束，進(jìn)行產(chǎn)品壽命評(píng)估。序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)是步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的一個(gè)特例，其施加應(yīng)力水平基本原理相同，只是應(yīng)力大小與試驗(yàn)時(shí)間是一個(gè)線性函數(shù)。

2.1 恒定應(yīng)力試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于k組試驗(yàn)樣品，若選定S1，S2，…，Sk為加速應(yīng)力水平（加載應(yīng)力水平均高于樣品正常應(yīng)力），則在各個(gè)加速應(yīng)力水平下進(jìn)行壽命試驗(yàn)，直到一定的試驗(yàn)時(shí)間（或出現(xiàn)一定的失效數(shù)）時(shí)為止。

對(duì)于恒定應(yīng)力試驗(yàn)，最關(guān)鍵的兩個(gè)因素是確定試驗(yàn)的樣品分組數(shù)k和選取最低應(yīng)力水平S1。若樣品組數(shù)k太大，施加水平量級(jí)太多，試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)費(fèi)用就會(huì)明顯增加；若樣品組數(shù)太小，施加水平量級(jí)也少，導(dǎo)致模型參數(shù)的估計(jì)精度就越小，精確度較差。若最低應(yīng)力水平S1與正常工作應(yīng)力S0相差太小，花費(fèi)的試驗(yàn)時(shí)間就越長(zhǎng)，相差較大，導(dǎo)致模型參數(shù)外推精度較差。

恒定應(yīng)力試驗(yàn)是三種方法中試驗(yàn)理論最成熟、統(tǒng)計(jì)分析精度最高、工程應(yīng)用最多的加速壽命試驗(yàn)。但由于其為了減少壽命外推估計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，最低應(yīng)力水平較接近正常應(yīng)力，因此最低加速應(yīng)力失效時(shí)間較長(zhǎng)，從而增加了試驗(yàn)成本。

最高應(yīng)力水平Sk應(yīng)盡量取大一些，但注意不要改變失效機(jī)理，特別不能超過(guò)產(chǎn)品最大應(yīng)力值。合理確定S1和Sk需要豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，也可通過(guò)試驗(yàn)確定S1和Sk值。確定S1和Sk后，中間應(yīng)力水平S2，…，Sk-1應(yīng)適當(dāng)分散，取值原則如下：

1）一般情況下，S1< S2… < Sk按等間隔取值；

2）在選絕對(duì)溫度T作加速應(yīng)力情況下，加速應(yīng)力水平T1，T2，…，Tk取值見式(4)：

3）在選電壓、壓力等作加速應(yīng)力時(shí)，加速應(yīng)力水平V1，V2，…，Vk取值見式(5)：

式中：m=1、2、…、nj。

若將試驗(yàn)樣品進(jìn)行到全部失效確實(shí)很難甚至不可能，采用定時(shí)或定數(shù)截尾壽命試驗(yàn)可有效確定試驗(yàn)進(jìn)行的時(shí)間和所需資源，使更多的試驗(yàn)樣品失效[5]。但確定合適的試驗(yàn)時(shí)間或失效個(gè)數(shù)是截尾壽命試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵，從而獲得最多的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，提高壽命評(píng)估精度，有效做到節(jié)省時(shí)間，節(jié)約經(jīng)費(fèi)。

2.2 步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)設(shè)計(jì)

步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)將應(yīng)力隨時(shí)間分階段逐步增加到產(chǎn)品上，先從最低的應(yīng)力水平開始，應(yīng)力水平S0< S1< S2…

步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)要求樣品總量很少，但在安排試驗(yàn)時(shí)，樣品數(shù)不能太少，最好不少于12個(gè)，否則數(shù)據(jù)分析結(jié)果精度不高。

步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)在選取水平應(yīng)力時(shí)，各應(yīng)力取值大小間隔應(yīng)遵循一定規(guī)律，如最低應(yīng)力水平S1取值應(yīng)接近正常應(yīng)力S0且不宜太小，避免增加試驗(yàn)成本。當(dāng)一定數(shù)量樣品在水平應(yīng)力Si下出現(xiàn)規(guī)定失效數(shù)或達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間后，應(yīng)將水平應(yīng)力提高至更高一級(jí)應(yīng)力水平Si+1，如此試驗(yàn)，直至最高應(yīng)力水平Sk下也滿足規(guī)定檢測(cè)試驗(yàn)要求，即一定失效數(shù)或規(guī)定試驗(yàn)時(shí)間。

步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)與恒定應(yīng)力試驗(yàn)相比，其加速效率較高，同時(shí)其所需試驗(yàn)樣品數(shù)比恒定應(yīng)力試驗(yàn)較少，從而降低了試驗(yàn)消耗成本。但由于步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)方法較復(fù)雜，同時(shí)統(tǒng)計(jì)分析方法研究不系統(tǒng)、不深入，大大制約了其在工程上的實(shí)踐和應(yīng)用。

2.3 序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)設(shè)計(jì)

序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)其加載水平應(yīng)力隨施加連續(xù)上升，可以認(rèn)為其是水平應(yīng)力保持時(shí)間為零時(shí)的特殊步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，因此二者的理論與方法具有許多相似之處。

序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)中最簡(jiǎn)單是呈線性增長(zhǎng)的水平應(yīng)力，圖1是序進(jìn)線性應(yīng)力試驗(yàn)示意圖，即試驗(yàn)應(yīng)力隨時(shí)間呈直線上升的加載歷程，包括兩種不同速率應(yīng)力水平。序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)其優(yōu)點(diǎn)是加速效率較高，可快速激發(fā)樣品潛在故障，達(dá)到規(guī)定失效數(shù)，有效縮短試驗(yàn)時(shí)間，大大減少試驗(yàn)費(fèi)用。但其缺點(diǎn)是試驗(yàn)技術(shù)和方法復(fù)雜，試驗(yàn)設(shè)備要求較高，需專業(yè)應(yīng)力控制設(shè)備進(jìn)行壽命試驗(yàn)，同時(shí)配有專門監(jiān)控產(chǎn)品失效的試驗(yàn)裝置，需專員人員進(jìn)行操作，其試驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施及分析過(guò)程繁瑣復(fù)雜，存在一定難度。

除恒定應(yīng)力試驗(yàn)、步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)及序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)外，加速壽命試驗(yàn)還包括循環(huán)應(yīng)力試驗(yàn)和隨機(jī)應(yīng)力試驗(yàn)，后兩種應(yīng)力試驗(yàn)主要區(qū)別在于選取的應(yīng)力水平量值隨時(shí)間是有序的還是無(wú)序的，由于其理論復(fù)雜，加速模型不宜數(shù)值化，至今還沒(méi)有得到專家的研究和應(yīng)用。

圖1 序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)剖面（ 表示失效）

3 加速壽命試驗(yàn)（ALT）的優(yōu)化設(shè)計(jì)

加速壽命試驗(yàn)中常用的是恒定應(yīng)力壽命試驗(yàn)，其試驗(yàn)成功與否關(guān)鍵在于是否能夠獲得準(zhǔn)確和足夠的數(shù)據(jù)，因此為了節(jié)省時(shí)間、節(jié)約經(jīng)費(fèi)，使得試驗(yàn)全程具有規(guī)劃性，在進(jìn)行壽命試驗(yàn)之前必須開展細(xì)致周密的計(jì)劃和安排，設(shè)計(jì)一個(gè)最優(yōu)的試驗(yàn)實(shí)施方案，可有效提高模型參數(shù)的估計(jì)精度，精確估計(jì)產(chǎn)品的可靠性數(shù)學(xué)特質(zhì)量，大大提高試驗(yàn)效率。

在Weibull分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布下，對(duì)只有高應(yīng)力水平S2和低應(yīng)力水平S1兩個(gè)加速應(yīng)力水平的簡(jiǎn)單恒定應(yīng)力試驗(yàn)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先由同類產(chǎn)品試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)或產(chǎn)品預(yù)試驗(yàn)來(lái)確定高應(yīng)力水平S2和低應(yīng)力水平S1，假定分配給S2和S1的樣品數(shù)量為n2，n1。最優(yōu)設(shè)計(jì)就是要選擇最優(yōu)的S1和n1，使正常應(yīng)力水平S0下某個(gè)特定參數(shù)估計(jì)量的方差最小。相廣賓等[7]研究了指數(shù)分布情況下具有4個(gè)加速應(yīng)力水平的恒定應(yīng)力試驗(yàn)的最優(yōu)設(shè)計(jì)，而Miller和Nelson等[8]研究了指數(shù)分布下簡(jiǎn)單步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的最優(yōu)設(shè)計(jì)，程依明等[9]在指數(shù)分布下，研究了k個(gè)S1< S2… < Sk加速應(yīng)力水平步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

恒定應(yīng)力試驗(yàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)的成果還較少。1992年Bai等[10]研究了Weibull分布下，當(dāng)作用于受試產(chǎn)品的應(yīng)力隨時(shí)間線性增加時(shí)恒定應(yīng)力試驗(yàn)的最優(yōu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

對(duì)于簡(jiǎn)單步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)試驗(yàn)，采用冪律－威步爾模型對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行區(qū)間估計(jì)，可靠性指標(biāo)精度高。特別在低應(yīng)力時(shí)僅需獲得一個(gè)失效數(shù)據(jù)便可將應(yīng)力升高，這為縮短步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的時(shí)間創(chuàng)造了有利條件，此方法可加快產(chǎn)品失效速度，節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間。

綜上所述，目前涉及最優(yōu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的就是恒定和步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，但由于電子產(chǎn)品、機(jī)電產(chǎn)品和機(jī)械產(chǎn)品其失效機(jī)理和模式差異很大，失效分布中威布爾分布、正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布的研究知之甚少，理論基礎(chǔ)缺乏，尚處于起步階段，還需進(jìn)行大量的理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證等工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

加速環(huán)境試驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性增長(zhǎng)和確定、評(píng)估產(chǎn)品可靠性水平的重要手段。而加速壽命試驗(yàn)適應(yīng)高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品壽命評(píng)估的需求，目前加速壽命試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用范圍涉及軍事、航空、航天、機(jī)械、電子等諸多領(lǐng)域。

ALT加速壽命試驗(yàn)技術(shù)的相關(guān)研究目前在國(guó)內(nèi)外可靠性工程研究中非?；钴S?？哲姂?yīng)結(jié)合型號(hào)可靠性工作的進(jìn)行，深入開展相關(guān)軍用電子產(chǎn)品尤其是高可靠性產(chǎn)品的加速壽命試驗(yàn)方法的研究。隨著研究工作的深入，該試驗(yàn)技術(shù)必將在可靠性工程中獲得更為廣泛的應(yīng)用。

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