型號可靠性試驗(yàn)工作思路

夏麗嬌　中國信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室工程師

泰爾檢測

型號可靠性試驗(yàn)工作思路

夏麗嬌中國信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室工程師

對國內(nèi)目前在型號研制過程中開展可靠性試驗(yàn)的工作情況和面臨的問題進(jìn)行了分析，結(jié)合國外在可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究和工程實(shí)踐方面的新進(jìn)展，給出了3種先進(jìn)的可靠性試驗(yàn)技術(shù)的基本原理和應(yīng)用階段，最后提出了在新型號中開展可靠性試驗(yàn)工作的新思路。

型號；可靠性試驗(yàn)；綜合評價；工作思路

1　引言

溫度試驗(yàn)是電氣安全測試中的一項(xiàng)基本試驗(yàn)，且溫升測試也是應(yīng)用最廣，最容易出現(xiàn)測試誤差的試驗(yàn)，很多產(chǎn)品都會在涉及溫度的測試中出現(xiàn)這樣那樣的問題，其測量的方法和精度會對產(chǎn)品的合格性評定產(chǎn)生決定性的影響。溫升試驗(yàn)通常包括表面溫升和繞組溫升兩個項(xiàng)目。對于電機(jī)、變壓器等有繞組的電器部件，如采用非接觸式的紅外測溫儀法和在變壓器表面布點(diǎn)的熱電偶法，則只能對繞組表面的溫升進(jìn)行測量，并不能獲取整個繞組的溫度實(shí)際變化情況，而且這兩種方法測量誤差較大，對環(huán)境要求極高，因此建議作為繞組溫升測試過程中的輔助驗(yàn)證手段。而采用電阻法測量繞組溫升，是通過測量繞組發(fā)熱時的電阻值變化來進(jìn)行計算，其準(zhǔn)確性高，且能獲取繞組內(nèi)部的溫度實(shí)際變化情況。本文以一次CNAS能力驗(yàn)證比對試驗(yàn)為例，介紹了采用電阻法測量繞組溫升的具體試驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)。

我國型號研制過程中的可靠性試驗(yàn)工作一般是按照GJB450-1988《裝備研制與生產(chǎn)的可靠性通用大綱》和GJB450A-2004《裝備可靠性工作通用要求》的要求開展的。自20世紀(jì)90年代以來，通過可靠性試驗(yàn)工作的開展，極大地提高了我國裝備武器的可靠性，促進(jìn)了部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的提升。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，元器件和產(chǎn)品的設(shè)計水平有了很大提高，軍品和民品設(shè)備型號的可靠性和壽命的要求也越來越高，對設(shè)備型號研制的可靠性試驗(yàn)工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。

2　國外型號研制開展的可靠性試驗(yàn)工作情況

20世紀(jì)90年代以來，美軍在更高的層次上強(qiáng)化了可靠性的基礎(chǔ)性、全局性的戰(zhàn)略地位和作用。在武器裝備型號研制與實(shí)施并行工程過程中，強(qiáng)調(diào)可靠性專業(yè)與傳統(tǒng)專業(yè)的一體化。仿真化：美軍在20世紀(jì)90年代頒發(fā)的防務(wù)采辦條例DoDD5000.1“防務(wù)采辦系統(tǒng)”規(guī)定：試驗(yàn)與評價應(yīng)與建模與仿真活動結(jié)合進(jìn)行，以有助于了解和評估技術(shù)成熟度和互用性，便于與野戰(zhàn)部隊(duì)綜合，并能根據(jù)文件規(guī)定的能力需求和在系統(tǒng)威脅評估中描述的敵方能力來確定系統(tǒng)性能。

在美國防務(wù)采辦改革以來，建模與仿真技術(shù)在可靠性領(lǐng)域的應(yīng)用也越發(fā)廣泛。在制定航空設(shè)備的可靠性要求過程中，建模與仿真是決定滿足用戶需求所必需的可靠性水平和范圍的一種有效的技術(shù)；利用建模與仿真技術(shù)還可以確定費(fèi)用、進(jìn)度與性能的要求，以及可靠性、維修性和保障性在滿足壽命周期費(fèi)用條件下的優(yōu)化組合參數(shù)；在可靠性設(shè)計中，通過建模了解產(chǎn)品中各零部件、組件、設(shè)備和軟件與整個產(chǎn)品的關(guān)系，并通過仿真來驗(yàn)證這種關(guān)系的正確性，分析產(chǎn)品可靠性設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)設(shè)計、提高產(chǎn)品的可靠性。此外，功能可靠性仿真將系統(tǒng)可靠性與性能在統(tǒng)一的環(huán)境和模型下進(jìn)行分析，有效地解決了航空設(shè)備缺少數(shù)據(jù)的問題。

加速化：目前已知的可靠性加速試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康膶⒖煽啃约铀僭囼?yàn)分為加速壽命試驗(yàn)（ALT）、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（RET）、高加速壽命試驗(yàn)（HALT）、高加速應(yīng)力篩選（HASS）和基于故障物理的可靠性加速試驗(yàn)等試驗(yàn)項(xiàng)目，各試驗(yàn)項(xiàng)目根據(jù)各自的目的均有較為明確的工作內(nèi)容和要求。根據(jù)可靠性加速試驗(yàn)的目的及使用用途，可以將現(xiàn)有的可靠性加速試驗(yàn)分為三種類型，一種是通過施加高應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)在相對較短時間內(nèi)確定產(chǎn)品壽命的加速壽命試驗(yàn)（ALT）；第二種是通過施加高應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)短時間內(nèi)找出產(chǎn)品的缺陷，如可靠性強(qiáng)化（RET）和高加速應(yīng)力篩選（HASS）等；第三種是通過步進(jìn)施加越來越高、最終遠(yuǎn)超出規(guī)范規(guī)定的最高應(yīng)力的應(yīng)力，快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，與改進(jìn)缺陷相結(jié)合，并確定產(chǎn)品應(yīng)力極限，如HALT。第二類試驗(yàn)中的RET和HASS均使用遠(yuǎn)高于規(guī)范的規(guī)定的應(yīng)力，屬于目前流行的高加速應(yīng)力試驗(yàn)范圍。而第三類試驗(yàn)的HALT則是在實(shí)現(xiàn)第二類的目的基礎(chǔ)上，進(jìn)而確定產(chǎn)品的應(yīng)力極限，是一種更為有效的高加速應(yīng)力試驗(yàn)。目前，國內(nèi)外均對這兩類可靠性加速試驗(yàn)開展了大量的研究工作。

對于上述3類可靠性加速試驗(yàn)，若從加速試驗(yàn)所應(yīng)用的原理，以及試驗(yàn)結(jié)果是定性還是定量地反映產(chǎn)品所達(dá)到的可靠性水平等方面進(jìn)行分類，可將上述三類加速試驗(yàn)分為兩大類：定性加速試驗(yàn)和定量加速試驗(yàn)。其中，定性加速試驗(yàn)的目的是對產(chǎn)品施加加速應(yīng)力，在對故障模式、原因分析的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)設(shè)計，提高產(chǎn)品的可靠性水平，如可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)；定量加速試驗(yàn)的目的是通過對產(chǎn)品施加加速應(yīng)力，加快產(chǎn)品失效，對產(chǎn)品的可靠性水平進(jìn)行評價，如加速壽命試驗(yàn)和基于故障物理的可靠性加速試驗(yàn)。目前，國內(nèi)外均對這兩類可靠性加速試驗(yàn)開展了大量的研究工作。從而能夠有效地縮短定型階段在實(shí)驗(yàn)室開展可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)時間。

綜合化：現(xiàn)代武器系統(tǒng)日趨復(fù)雜，高可靠長壽命的機(jī)載產(chǎn)品越來越普遍，為了適應(yīng)機(jī)載產(chǎn)品可靠性水平不斷提高的局面，美國于20世紀(jì)90年代以來不斷改革試驗(yàn)與鑒定策略，提出了“綜合試驗(yàn)與評價”的方法。該方法通過在研制初期開展建模仿真、虛擬試驗(yàn)等方式從設(shè)計上保證產(chǎn)品達(dá)到較高的可靠性并得到相關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，在研制過程中開展加速試驗(yàn)來縮短試驗(yàn)時間，并且利用研制過程中的數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進(jìn)行可靠性綜合評估，從而能夠有效地縮短定型階段在實(shí)驗(yàn)室開展可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)時間。

3　可靠性試驗(yàn)新技術(shù)簡介

通過國外可靠性試驗(yàn)技術(shù)的最新發(fā)展可以看出，可靠性試驗(yàn)的新技術(shù)基本上可以歸納為3類，即可靠性仿真試驗(yàn)、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)和可靠性加速試驗(yàn)。

3.1可靠性仿真試驗(yàn)

可靠性仿真試驗(yàn)是采用計算機(jī)建模技術(shù)構(gòu)造產(chǎn)品的電子樣機(jī)，同時利用可靠性仿真技術(shù)分析產(chǎn)品在壽命期內(nèi)所遇到的環(huán)境條件對產(chǎn)品的作用效果，得出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)信息，以期在設(shè)計早期階段消除故障薄弱環(huán)節(jié)，能夠縮短產(chǎn)品的研制周期并提高產(chǎn)品的固有可靠性。同時利用可靠性仿真試驗(yàn)?zāi)軌虻玫疆a(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠?yàn)樵u估產(chǎn)品的可靠性提供支持，從而能夠縮短產(chǎn)品定型階段的實(shí)驗(yàn)室可靠性試驗(yàn)時間。

可靠性仿真試驗(yàn)首先將產(chǎn)品所經(jīng)受的環(huán)境條件（溫度和振動等）分解到產(chǎn)品各個組成部分，同時利用局部載荷/應(yīng)力的響應(yīng)原理和應(yīng)力-損傷原理開展可靠性仿真，得出產(chǎn)品的潛在故障位置，故障模式和故障機(jī)理等信息，這些信息能夠確定產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，分析產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)是否滿足規(guī)定的要求，同時利用基于遺傳算法的可靠性設(shè)計優(yōu)化技術(shù)確定產(chǎn)品的設(shè)計改進(jìn)方案等，從而為產(chǎn)品的設(shè)計改進(jìn)提高依據(jù)；同時這些信息還能夠確定加速試驗(yàn)條件和確定篩選條件等，從而為后續(xù)開展可靠性加速試驗(yàn)及可靠性綜合評價提供支持。

可靠性仿真試驗(yàn)技術(shù)主要應(yīng)用于產(chǎn)品研制初期，隨著研制過程的深入可迭代進(jìn)行。可靠性仿真試驗(yàn)在數(shù)字樣機(jī)設(shè)計完成時即可開展。

3.2可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的理論依據(jù)是故障物理學(xué)（Physics of Failure），把故障或失效當(dāng)作研究的主要對象，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，同時對薄弱環(huán)節(jié)采取糾正措施，使產(chǎn)品達(dá)到一個健壯的水平，從而保證產(chǎn)品在實(shí)際使用中表現(xiàn)出較高的可靠性?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)是一種定性的可靠性加速試驗(yàn)，不能回答產(chǎn)品通過試驗(yàn)后其可靠性MTBF是否滿足規(guī)定的要求，只能定性的說明通過該項(xiàng)試驗(yàn)產(chǎn)品的可靠性有一定水平的提高。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是一種步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，其試驗(yàn)過程是將設(shè)計階段的小樣本的產(chǎn)品暴露在一系列依次提高的某種應(yīng)力（如溫度或振動）臺階上，在每一應(yīng)力臺階完成后，進(jìn)行故障檢測，對發(fā)生的故障采取糾正措施，直至達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計極限。這種試驗(yàn)被用來在一個比較短的時間周期內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行風(fēng)險研究，也用于確定產(chǎn)品在有效壽命期內(nèi)抗隨機(jī)故障的能力。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)主要適用于產(chǎn)品研制階段的中期。可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的對象主要是采用了新設(shè)計、新材料或新工藝的產(chǎn)品，它可廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)電產(chǎn)品。

3.3可靠性加速試驗(yàn)

可靠性加速試驗(yàn)是一種利用可靠性仿真試驗(yàn)技術(shù)的定量可靠性加速試驗(yàn)，該項(xiàng)技術(shù)首先以產(chǎn)品壽命周期的環(huán)境載荷和產(chǎn)品的自身設(shè)計條件作為輸入，系統(tǒng)地分析確定產(chǎn)品潛在故障位置、故障模式、故障機(jī)理等信息，準(zhǔn)確定位薄弱環(huán)節(jié)及其主要影響機(jī)理；其次根據(jù)薄弱環(huán)節(jié)和主要故障機(jī)理確定可靠性加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；最后通過確定的可靠性加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計可靠性加速試驗(yàn)方案，通過開展加速試驗(yàn)定量的描述產(chǎn)品的可靠性水平?？煽啃约铀僭囼?yàn)由于在試驗(yàn)方案設(shè)計過程中采用了計算機(jī)仿真試驗(yàn)的分析數(shù)據(jù)，因此能夠用較少的樣本量來進(jìn)行可靠性加速試驗(yàn)并保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性?？煽啃约铀僭囼?yàn)需要在產(chǎn)品的物理樣機(jī)上進(jìn)行，因此該項(xiàng)試驗(yàn)主要在產(chǎn)品研制階段的后期進(jìn)行。

4　型號中開展可靠性試驗(yàn)工作的新思路

目前國內(nèi)型號在開展可靠性鑒定試驗(yàn)過程中已經(jīng)遇到了試驗(yàn)時間過長、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)過高，以及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果與外場使用結(jié)果有一定差異等問題，為了保證可靠性試驗(yàn)工作能夠在大運(yùn)上順利高效地開展，需要改變目前僅在定型階段對產(chǎn)品進(jìn)行可靠性鑒定試驗(yàn)的方式，而是要將產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證工作延伸到產(chǎn)品研制的整個階段，將可靠性驗(yàn)證和評價工作融入到產(chǎn)品的設(shè)計工作中，實(shí)現(xiàn)可靠性的全過程控制和評價，保證交付使用的產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的可靠性要求。

因此，對于后續(xù)型號研制過程中的可靠性試驗(yàn)工作，應(yīng)根據(jù)國內(nèi)以往型號可靠性驗(yàn)證與評價工作的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國外可靠性驗(yàn)證與評價技術(shù)的發(fā)展趨勢，在試驗(yàn)理念、控制措施、考核方式上重點(diǎn)突出“結(jié)果考核和過程控制并重”、“試驗(yàn)鑒定向綜合評價轉(zhuǎn)變”，即利用可靠性仿真試驗(yàn)、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)、可靠性加速試驗(yàn)、可靠性摸底試驗(yàn)、可靠性鑒定試驗(yàn)和科研試用這四種方法在產(chǎn)品的不同層次和不同階段開展相應(yīng)的試驗(yàn)，最后綜合利用各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行評價和驗(yàn)證，以最佳的費(fèi)效比開展可靠性試驗(yàn)工作。

在型號的整個研制過程中，采用仿真試驗(yàn)—定量加速試驗(yàn)和強(qiáng)化試驗(yàn)—系統(tǒng)綜合的方式開展可靠性綜合評價與驗(yàn)證工作，即在研制的每一階段，對產(chǎn)品研制單位提出工作要求，充分利用各種工作要求產(chǎn)生的信息對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行評價，這種評價結(jié)果將作為產(chǎn)品轉(zhuǎn)階段的依據(jù)。具體評價過程和方法如下：

4.1初樣設(shè)計階段

（1）按照設(shè)計方案建立可靠性模型。

（2）利用環(huán)境載荷預(yù)計系統(tǒng)，對初樣設(shè)計開展基于故障物理的可靠性仿真試驗(yàn)，并結(jié)合應(yīng)力實(shí)測確定系統(tǒng)的潛在關(guān)鍵故障和薄弱環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)提供依據(jù)。該信息也作為各單元開展可靠性加速試驗(yàn)、可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的參考。對于基本具備S型狀態(tài)的初樣產(chǎn)品，也可開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，激發(fā)產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)。

（3）利用改進(jìn)的可靠性預(yù)計結(jié)果、仿真試驗(yàn)結(jié)果和可靠性研制試驗(yàn)信息，并結(jié)合常規(guī)可靠性工作項(xiàng)目的輸出結(jié)果（比如FME（C）A/FTA分析、相似產(chǎn)品的內(nèi)外場可靠性信息等），對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行綜合評估，判定系統(tǒng)是否達(dá)到轉(zhuǎn)段要求。

4.2正樣設(shè)計階段

（1）對正樣設(shè)計開展基于故障物理的可靠性仿真試驗(yàn)，進(jìn)一步確定產(chǎn)品的潛在關(guān)鍵故障和薄弱環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)提供輸入，并評價系統(tǒng)在耐環(huán)境能力和耐久性方面設(shè)計的合理性。該仿真結(jié)果也是各單元開展可靠性加速試驗(yàn)方案的重要輸入之一。

（2）對于開展了可靠性仿真試驗(yàn)的關(guān)鍵重要產(chǎn)品在模塊級或設(shè)備級開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和提高產(chǎn)品的健壯性，為后續(xù)定量可靠性加速試驗(yàn)的開展奠定基礎(chǔ)。

（3）在設(shè)備級產(chǎn)品開展基于故障物理的可靠性加速試驗(yàn)，通過可靠性加速試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步暴露產(chǎn)品的設(shè)計缺陷，為產(chǎn)品改進(jìn)、提高產(chǎn)品的可靠性水平提供支持。

（4）收集科研試運(yùn)行數(shù)據(jù)，對發(fā)生的故障進(jìn)行分析。

（5）基于本階段的可靠性仿真試驗(yàn)結(jié)果、加速試驗(yàn)結(jié)果、試運(yùn)行前可靠性增長摸底試驗(yàn)結(jié)果和科研試運(yùn)行數(shù)據(jù)綜合評價產(chǎn)品的可靠性水平，并判定是否達(dá)到轉(zhuǎn)段要求。若產(chǎn)品的可靠性未達(dá)到轉(zhuǎn)段所規(guī)定的水平，則根據(jù)仿真試驗(yàn)和加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)等確定的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵模塊，對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，直到產(chǎn)品的可靠性滿足轉(zhuǎn)段要求。

4.3設(shè)計定型階段

（1）采用系統(tǒng)模擬試驗(yàn)方式進(jìn)行系統(tǒng)（系統(tǒng)的組成設(shè)備均完成HASS）的設(shè)計定型可靠性鑒定試驗(yàn)，通過該項(xiàng)試驗(yàn)不僅可以給出系統(tǒng)的可靠性結(jié)論；同時，根據(jù)各組成單元在系統(tǒng)試驗(yàn)中的具體表現(xiàn)，結(jié)合前期的可靠性仿真試驗(yàn)、可靠性加速試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，給出各組成單元的可靠性評價結(jié)論。上述結(jié)論是產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計定型的依據(jù)之一。

（2）收集定型試運(yùn)行的可靠性數(shù)據(jù)，完成產(chǎn)品試運(yùn)行可靠性評估。采用現(xiàn)場試運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計的可靠性評估結(jié)果和根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)再次綜合對系統(tǒng)在設(shè)計定型時的可靠性水平進(jìn)行評估，該評估結(jié)果是飛機(jī)進(jìn)行設(shè)計定型的依據(jù)之一。

（3）如經(jīng)過評價，產(chǎn)品的可靠性未達(dá)到設(shè)計定型階段規(guī)定的水平，則根據(jù)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)所暴露的薄弱環(huán)節(jié)對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，直到產(chǎn)品的可靠性滿足設(shè)計定型要求。

4.4小批試用階段

（1）跟蹤產(chǎn)品實(shí)際使用狀況，對試用過程中的可靠性信息進(jìn)行分析，跟蹤試用過程中故障產(chǎn)品的歸零情況，在試用階段結(jié)束時給出產(chǎn)品的可靠性水平評估結(jié)論。

（2）根據(jù)該階段的可靠性評估結(jié)果，對前期可靠性評價和驗(yàn)證結(jié)果的相關(guān)性進(jìn)行分析，對產(chǎn)品可靠性總體水平的達(dá)標(biāo)情況進(jìn)行分析。

5　結(jié)束語

本文對國內(nèi)目前在型號研制過程中開展可靠性試驗(yàn)的工作情況和面臨的問題進(jìn)行了簡要分析，結(jié)合國外在可靠性試驗(yàn)技術(shù)研究和工程實(shí)踐方面的新進(jìn)展，給出了3種先進(jìn)的可靠性試驗(yàn)技術(shù)的基本原理和應(yīng)用階段，最后提出了在新型號中開展可靠性試驗(yàn)工作的新思路。

［1］國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.裝備研制與生產(chǎn)的可靠性通用大綱：GJB450-1988［S］.北京：國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會，1988，3.

［2］中國人民解放軍總裝備部.裝備可靠性工作通用要求：GJB450A-2004［S］.北京：中國人民解放軍總裝備部，2004，3.

［3］.Neill Doertenbach.Highly Accelerated Life Testing-Testing with a Defferent Purpose［C］.2000 Proceedings of IEST. 2001，8.

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