加速老化试验优化分析与设计_吴明强

试验与验证技术 计算机测量与控制. 2010. 18( 12) Com178puterMeasurement&Control # 2799 # 中华测控网 chinamca. com 收稿日期: 2010-10-11; 修回日期: 2010- 11-06。 作者简介:吴明强( 1966- ) , 男, 四川省绵阳市人, 研究员, 主要从 事导弹武器装备总体技术方向的研究。 文章编号: 1671-4598( 2010) 12-2799- 03 中图分类号: T P20611 文献标识码: A 加速老化试验优化分析与设计 吴明强1 , 吴超仑2 , 罗 凯2 ( 11 第二炮兵研究院, 北京 100000; 21 北京航天测控技术开发公司, 北京 100041) 摘要: 装备加速老化试验能够提前暴露装备的薄弱环节, 在装备到达服役前给出装备贮存寿命信息, 并可通过更新薄弱环节延长装 备寿命; 加速老化试验成功与否的关键问在于: 指导试验的设计是否合理; 文中介绍了加速应力- 老化模型与加速老化试验类型等原 理, 在原有试验设计流程基础上对每一环节提出科学的判定准则和优化, 并提出运用信息化手段设计管理加速老化试验的, 为 加速老化试验设计及实施提供参考。 关键词: 加速老化试验; 加速应力- 老化模型; 信息化 Optimize the Design of Equipment Accelerated Aging Testing Wu Mingqiang1 , Wu Chaolun2 , Luo Kai2 ( 11Resear ch Institute, Second Ar tiller y Equipment Academy, Beijing 100085, China; 21 Beijing Aerospace M easurement & Contr ol Co rp, Beijing 100083, China) Abstract: Equipment accelerated aging test ing can ex pose the w eak nes ses of a equipment an d give it s storing l ife informat ion b efore it start ing service。So the service l ife of a equipment can be ex tended basing on ren ew ing w eak nes ses . Th e is sue w heth er th e accelerated aging test ing w ill b e success or n ot i s the rat ion ali ty of test ing design w hich leads the wh ole accelerated aging test ing. T his paper simply int roduces th e concept of accelerated m od el and tables a proposal judgment , opt imizes plan to perfect the des ign base on original test ing design and m ak e a meth od to m anage the accelerated aging test ing by u sing inform at ionize- meth ods , w hich w ill be referen ce for the ex perimental ist t o design and im plem ent accelerated aging tes t ing. Key words: accelerated m od el; accelerated agin g test ing; in format ionize. 0 引言 加速老化试验可以在不改变装备失效机理的条件下, 利用 加大的环境应力, 加速装备失效, 进而根据试验结果来预计装 备的贮存期。试验是在合理的工程及统计假设基础上, 利用与 物理失效规律相关的统计模型, 对超出正常应力水平的加速环 境下获得的装备可靠性寿命信息进行转换, 得到装备在额定应 力水平下可靠性特征的可复现的寿命估计的一种方法。 国外装备贮存试验以自然贮存为主, 加速老化试验为辅。 自然贮存试验提供装备比较可靠的贮存寿命信息, 加速老化试 验能提前暴露装备的薄弱环节, 能提前给出装备寿命信息, 在 装备贮存期限到来之前能给出一定置信度的寿命预估。国外加 速贮存试验工作已经开展了几十年, 获得了较好的效益。试验 结束后, 在一定可靠性、安全性、维修性等指标条件下, 对装 备贮存寿命进行综合评估。虽然我国已针对了部分类型设备、 材料建立了国家, 但具体在试验中如何选择试验件、如何 施加环境应力、如何监测试验数据仍然缺少明确、详细的指 导。本文针对加速老化试验的设计流程提出了优化思路。 1 加速老化试验设计的一般流程 加速老化试验的目的是提前获知系统的薄弱环节, 通过修 改设计提高或延长系统寿命, 其设计环节一般流程[ 1]为四部 分: 调研、故障机理及故障模式分析、使用应力及最大应力确 定和加速应力- 寿命模型的确立。加速老化试验设计流程如图 1 所示。 图 1 加速老化试验设计流程图 故障机理是导致发生故障的物理、化学等过程, 故障机理 根据装备种类和使用环境的不同而不同。故障机理分析是确定 装备在变化应力下工作时导致装备发生故障的物理、化学等过 程的一般规律。故障模式是装备故障时的外部现象, 装备的加 速老化试验就是对故障模式的再现。 应力是导致故障模式再现的影响因素的阈值。使用应力为 常规条件下装备的应力范围, 通常处于设计极限上限到设计极 限下限之间; 最大应力为装备可工作情况下的最大应力, 通常 为工作极限上限到工作极限下限之间。应力图如图 2 所示[2]。 加速应力- 寿命模型即为加速老化模型, 加速老化模型是 通过分析物理及化学失效机理 , 加速应力- 寿命模型的确立是 通过分析物理及化学失效机理 , 建立合理的加速应力- 寿命模 型 ) ) ) 加速老化模型, 进而有效地实现外推来确定正常应力下 的装备寿命特征。常见的几种加速模型为[4] : # 2800 # 计算机测量与控制 第 18卷 中华测控网 chinamca. com 图 2 装备应力图 ( 1) 阿伦尼斯 ( Ar rhenius) 模型: 在加速老化试验中用温度作为加速应力是常见的, 因为高 温能使装备 (如电子元器件等) 内部加快化学反应, 促使装备 提前失效。阿伦尼斯加速模型为: N= AeE / KT 阿伦尼斯模型表明, 寿命特征将随着温度上升而按指数 下降。 ( 2) 逆幂率模型: 在加速老化试验中对温度以外的应力 u 作为加速应力时, 装备的某些寿命特征与应力有如下的关系: N= AS - c 上述关系称为逆幂率模型, 它表示装备的某些寿命特征是 应力 u 的负次幂函数。 阿伦尼斯模型与逆幂率模型是最常用的两个加速模型。它 们的线性化形式常可同一写成如下形式: lnN= a + b* 5( S) 加速寿命试验所给的定义为[5] : 在合理的工程及统计假设 基础上, 利用与物理失效规律相关的统计模型对超出正常应力 水平的加速环境下获得的可靠性信息进行转换, 得到试验件在 额定应力水平下可靠性特征的可复现的数值估计的一种方 法[5]。传统的加速老化类型包含: ( 1) 恒定应力加速老化试验; ( 2) 步进应力加速老化试验, 简称步加试验; ( 3) 步降应力加速老化试验; ( 4) 序进应力加速老化试验, 简称序加试验。 2 加速老化试验设计优化 加速老化试验设计优化的目的可分为两个方面, 第一是要 保证试验成功率和缩短试验周期; 第二是减少试验成本。下文 将按照加速老化试验的设计流程来具体分析如何优化。 ( 1) 故障机理及故障模式环节: 针对老化这种故障机理优 化后的设计步骤如下: ¹ 明确导致装备老化的原因。如: 运输、安装使用、贮 存等。 º列举老化原因下的故障模式。如: 外观、颜色光泽、尺 寸等。 如果知道装备材料的化学成分, 就有可能确定其特定的化 学反应和物理特性, 尽管不能了解所有的相关内容, 但是尽量 确定所有可能的故障机理和故障模式将减少在最终预测装备寿 命过程中出现差错的机会。完成这一步工作就为初步设计加速 老化试验打下了良好的基础[ 3]。 ( 2) 使用应力及最大应力确定环节: 根据故障机理及故障 模式环节中确定的条件分类进行应力选择, 根据不同应力类型 确定相应的使用应力和最大应力, 优化后的设计步骤如下: ¹ 列举不同故障模式下的主要老化因素。如: 辐射、温 度、湿度等。 º参考装备厂家给出的技术参数为不同的老化因素确定使 用应力和最大应力。 合理的使用应力和最大应力的确定为加速应力模型的搭建 提供了良好的技术, 避免了在设计不足的情况下无意义的消耗 试验件。 ( 3) 加速应力- 寿命模型确立环节: 为不同的应力选择 相应的加速老化模型, 同时对于试验引入加速系数。加速系 数是可靠性中一个很有用的参数, 它是正常应力水平下某种 寿命与加速应力水平下的相应寿命的比值, 用 SL 表示: SL = L 0 / L = N0/N。加速系数是对两个应力水平而言的, 它反映加 速老化试验中某一加速应力水平效果的量。这个量一般都大 于 1。 加速系数的用途很多, 可以用在装备的可靠性筛选、可靠 性验收、两种装备可靠性质量对比、装备质量改进的鉴 定、整机可靠性设计、寿命转化等。加速老化曲线不同, 其加 速系数的计算公式也不同, 例如: 符合阿伦尼斯模型, 以温度 T 作为加速变量时, N= AeE/ KT , SL = eE/ K ( 1/ T 0- 1/ T) ; 符合逆幂 律模型, 以温度以外的应力 u 为加速变量时, N= A S- c , SL = ( S0/ S) - c。加速应力- 寿命模型的正确搭建是整个试验顺利 进行的前提保障, 步骤为: ¹ 列举试验应力并选择其相应的加速老化模型。 º对于每一应力 , 引入其加速系数, 为最终的装备可靠性 对比及验收做基础。 ( 4) 加速老化试验类型确定环节: 根据装备试验件的使用 环境和贮存环境确定试验类型可缩减试验周期, 提高试验效 率。下面列举判定方法。 对于一般性试验可采用传统的加速老化方法, 具体措施是 将一定数量的样品分为 K 组, 每组在一个加速应力水平下进 行寿命试验, 直到各组均有一定数量的样品发生失效为止。 对于周期较短或精度要求较低的试验可采用步加试验, 在 步加试验中一个样品可能会遭遇若干个加速应力水平的考验。 若在某一应力下样品发生时效则停止试验。与恒定应力相比之 下, 步加试验可使样品失效更快一些, 样品数量相对较少, 但 是精度要小一些。 对于长寿命评估问题, 步降应力加速老化试验尤其适合。 具体措施是对试样施加步降减小的加速应力来进行试验, 进而 分析得到寿命统计特征。 对于简单试验来说, 序加试验最为适合。序加试验与步加 试验基本相同, 不同之处仅在于它们施加的加速应力水平将随 时间连续上升, 最简单的是直线上升。 选择合适的加速老化试验类型是试验成功的关键因素, 在 选择上要综合故障机理、故障模式、最大应力等诸多因素, 选 第 12期 吴明强, 等: 加速老化试验优化分析与设计 # 2801 # 中华测控网 chinamca. com 择试验类型的步骤为: ¹ 统计试验件的故障机理、故障模式、最大应力等信息。 º统计试验件数量、试验周期并核实试验精度要求。 »综合上述因素选择最适应的试验类型。 变应力加速老化试验是一种新兴的加速老化试验类型, 试 验将一定数量的试验件在任意变动的应力荷载下做寿命试验。 可以直接采用实际应力和时间荷载谱试验, 并且可以利用其它 试验的有效数据共同进行参数评估, 因此可以减少试验样本 量, 也可以提高估计精度, 是加速老化试验的方向。 加速老化试验设计的每一步优化在实际试验中将会得到数 倍的效果, 经优化后的加速老化试验设计流程如图 3 所示。 图 3 优化后的加速老化试验设计流程图 3 加速老化试验仿真 传统的加速老化试验在最初的构想上已经比较完善, 但是 随着信息化技术的发展与能源资源的减少, 其潜在的一些缺点 显露了出来, 如设计阶段方案单一、具体参数资料管理松散和 预试验阶段试验件的无效消耗等问题。新的加速老化试验应在 其原有基础上对整体思路进行新技术融合和实施理念的优化, 使试验从设计到实施的整体可操作性和灵活性得到很大的提 升。加速老化仿真试验流程图如图 4 所示。 图 4 加速老化试验流程图 图 4中从建立项目到预试验仿真都通过信息化手段进行管 理, 在实际试验过程中也可通过信息化手段进行监测, 最终将 成果汇总到成果数据库中, 为以后的更深层次的试验设计作参 考。加速老化仿真系统结构图如图 5 所示。 图 5 加速老化仿真系统结构图 总体来说, 加速老化试验仿真系统可以方便地创建加速老 化试验, 并且以甘特图的形势制定试验周期, 在试验方法的设 计上也相对灵活, 试验人员可以通过导入自定义的算法库、材 质库和知识库进行设计, 配置试验步骤, 通过虚拟现实仿真对 设计的试验进行虚拟化预试验 , 用预试验结论完善整体设计方 案, 可以提高试验成功度, 缩减试验周期, 合理安排试验经 费, 系统管理试验成果。 4 结束语 针对于加速老化试验的设计过程, 虽然文中对每一环节都 进行了优化, 但是还需要设计人员根据实际情况多方面参考相 关资料、正确的判断故障机理和故障模式、严谨的制定老化模 型、慎重选择加速老化类型, 这样才能尽可能的提高实验质 量。由于试验的不定因素较多, 过程中存在无可避免的意外 性, 因此不能轻易的认为通过模型优化和算法优化就能够解决 一切问题, 达到预期结果。因此常用的加速老化方法和其结论 只能作为参考, 为了更加有效地设计试验方案和评估装备寿 命, 还需更新试验方法和更多的经验积累。 参考文献: [ 1] Rus sakov Loren S, Whalley Lan A. 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