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嘉峪检测网 2019-11-26 09:50
内容提要
本文介绍了可靠性强化试验的理论基础强度- 应力准则、不同生产过程的产品强度分布的特点，以及可靠性强化试验的设计方法，重点剖析温度步进应力试验、快速温变循环试验、振动步进应力试验、综合应力试验的剖面、量级、持续时间等设计细节和考量。并针对疲劳损伤失效机理的可靠性强化试验，提出了一种利用强化振动应力代替传统鉴定试验中振动应力进行寿命鉴定的方法。
第1则
-引言-
可靠性强化试验又称高加速寿命试验，是一种基于故障物理的试验技术，它把故障和失效作为主要研究对象，通过施加逐步增大的环境和工作应力，主动激发产品故障，暴露设计和工艺的薄弱环节，通过“激发缺陷—改进缺陷”的循环迭代过程，促使产品环境耐受能力尽可能提升，从而最大限度的达到产品可靠性增长的目的[1-3]。
Gregg K.Hobbs[4]设计了一种金属试件，对疲劳寿命进行了研究，发现当应力强度增加1培时，疲劳寿命降低为1/1 000。对于有缺陷产品，缺陷处的应力集中系数高达2~3倍，疲劳寿命就降低了好几个数量级，可使有缺陷或潜在缺陷元件在强化应力作用下迅速暴露。
S.Smithson[5]研究了温变率对热疲劳特性的影响，5 ℃/min和40 ℃/min温变率下疲劳寿命比为4 400∶1。
美国波音公司[6]故障预防和改进策略大纲中规定：可靠性强化试验用于设备投产前消除设计和制造的薄弱环节，对于新研设备和服役中可靠性低或需大修和重新鉴定的现有设备必须做可靠性强化试验。
国外从事该领域的主要研究机构还有Qual Mark公司、Otis Elevator 公司、Hobbs Engineering 公司、惠普公司等。在理论研究方面比较知名的专家学者还有Joseph Capitano[7]、Wayne Nelson[8]和Mike Silverman[9-10]等, 他们在强化试验效率、试验理论、统计模型和数据分析等方面已进行了大量研究。积极引进和应用可靠性强化试验技术，对确保我国航天器在轨长寿命高可靠稳定运行，使航天任务由“被动保成功”到“主动提升能力”的角色转换同样具有重要意义。
第2则
-可靠性强化试验技术原理-
可靠性强化试验的理论依据是强度-应力干涉理论。图1中的两条曲线表征了经典的设计裕度，即强度-应力准则。
准则假设产品实际应力可用应力分布（如正态分布）来表示，如图1左侧曲线；假设产品强度也可用强度分布（如正态分布）来表示，如图1右侧曲线。产品应力分布和强度分布的重叠区域表征了失效概率。若产品的一致性好，强度分散性被控制在一个较窄的范围内，那么两类分布就不容易重叠，则产品不太可能出现失效。
图2 增加应力以检测批量生产中的薄弱批次并增加裕度
（左）初样产品 （右）批生产产品
参考图2，从应力-强度分布曲线上看，由于质量控制严格等因素，初样产品强度分布的分散性较窄，远离应力分布，所有产品将均能通过试验而不会发生失效。但在批生产阶段，由于质量控制相对放松等因素，产品的强度均值和一致性可能有所降低，故强度和应力分布会出现重叠区域，进而导致失效。这也意味着针对初样产品的常规应力试验不能充分发现批生产产品的潜在薄弱环节。如果试验的应力水平更高（图2中红色应力曲线），则可以充分激发产品潜在薄弱环节，通过有针对性的修复和补强后起到对产品可靠性强化的作用。
第3则
-可靠性强化试验设计-
可靠性强化试验设计主要考虑“循序渐进”的原则，激励强度由低及高地加载，需要合理安排试验应力的加载顺序，并采用步进应力的加载方式。典型可靠性强化试验的实施方法如图3。
图3 可靠性强化试验典型试验方法
下面分别介绍可靠性强化试验各个环节的试验方案及主要考虑：
2.1 温度步进应力试验方案
图4 典型的温度步进剖面
参考图4，温度步进试验一般是先进行低温步进应力试验，然后再进行高温步进应力试验。温度步进应力试验应该环境温度（一般为20～30 ℃）开始；步进增量最大为10 ℃，对于温度敏感产品应根据具体情况选用较小的步进增量；保持时间最少为10 min，以达到产品温度稳定。温度是否稳定可以通过热电偶响应来确定。在这一保持时间以后进行完整的功能测试，也可以在这一阶段全程进行测试。温度步进应力试验持续进行，直到找出样品的工作极限，然后持续到超过工作极限直到破坏极限或试验设备的最大值。超过工作极限后，由于产品不能工作，需要减小温度应力以确定产品是否仍然能有效工作。开始降温或升温时，选取的步长可以较长（如10 ℃），接近极限时可以减小步长（如5 ℃）。温度步进试验可以确定温度工作极限和温度破坏极限，为快速温变循环试验剖面设计提供依据。
2.2 快速温变循环试验方案
图5 典型的快速温变循环剖面
快速温变循环一般应在温度步进试验确定了产品的工作极限和破坏极限后才能进行。参考图5，快速温变循环的高低温极值要依据得到的应力极限来确定（80 %温度工作极限或温度工作极限缩减5~10 ℃），至少循环5次。每一循环在两个极值上停留的时间包括产品温度稳定时间和在温度极值下的浸泡时间，稳定时间一般在10 min以上，而浸泡时间用于两个目的，一是保证材料发生蠕变，二是完成功能测试。
高的温变速率还可以大幅度缩短单个温度循环所需要的时间，一般使用试验设备能提供的最大速率，目前的试验箱使用液氮冷却方法使得温度变化速率能达到60 ℃/min 甚至更高。
2.3 振动步进应力试验方案
图6 典型的振动步进剖面
振动步进试验一般在三个正交振动方向顺次进行。起始振动量级、频率带宽、步长可根据产品及环境特点酌情确定，典型的振动步进剖面见图6。每个振动台阶一般保持不少于10 min，之后进行功能测试和上下电测试，保证每次上下电后功能可以完全恢复。在高振动量级下，在保持时间后应回到弱振量级（例如首个振动台阶量级）进行功能测试和上下电测试，以判断高振动量级下出现的故障是否可恢复。试验应持续到发现被试产品的工作极限和破坏极限，或振动达到设备极限振动量级还没有发现工作极限。
2.4 综合应力试验方案
图7 典型的综合应力步进剖面
参考图7，综合应力采用温度循环和随机振动相结合的应力，在三个正交振动方向顺次进行。温度循环剖面一般使用与快速温度变化循环相同的剖面（温变率可酌情降低），进行5个循环。温度循环的同时，一般以每个循环为单位，步进施加振动量值。根据经验，振动步进的起始值为振动破坏极限的1/5，步长也为振动破坏极限的1/5。温度稳定后每个台阶上保持不少于10 min后进行功能测试和上下电测试。
第4则
-基于可靠性强化试验的寿命鉴定方法-
图8 用于寿命鉴定的典型的试验剖面
基于可靠性强化试验开展寿命鉴定是一个难点和热点，但相关技术仍不成熟。这里提出一种方法，利用强化振动应力代替传统鉴定试验中振动应力，除了振动应力其他应力条件不变（参考图8），通过两种振动应力在单位时间内造成的疲劳损伤关系，将强化振动应力折算为传统鉴定试验中振动应力，在此基础上对GJB 899[11]的评估方案进行修正，从而得到以可靠性强化试验数据为基础的寿命鉴定方法，该方法仅适用于疲劳损伤这一失效机理。
这一方法中如何对两类应力进行折算是难点。可将可靠性强化试验中振动应力选为固定值，取为产品极限振动应力的60 %~80 %。然后利用统计方法（例如雨流法）结合等效累积损伤原理分别计算单位时间内强化振动应力与传统鉴定试验中振动应力造成的疲劳累积损伤，进而得到两者的试验时间折算关系。
对应力折算后如何根据GJB 899提出修正的寿命鉴定方案是重点。具体步骤归纳如下：
具体步骤
1 首先对产品的失效模式进行分析，如果为疲劳损伤机理则可以应用本方法；
2 建立强化振动应力与传统鉴定试验中振动应力的试验时间折算关系；
3 根据使用方风险、生产方风险、置信度，选择GJB 899中序贯试验方案为试验评估的基础方案，根据步骤2）的折算关系对该试验方案进行修订。例如当使用方风险和生产方风险均为0.2、置信度为0.8时，GJB 899中序贯试验方案4的接受-拒收判决标准见表1左半部分， 典型的修订判据标准见表1的右半部分（基于强化振动应力与传统鉴定试验中振动应力的试验时间折算关系典型值：0.018 5/2.325 3 = 0.007 956/1）。
4 根据GJB 899中表A.8查出MTBF的检验下限系数θL，进一步计算MTBF检验下限θ1。例如使用方风险和生产方风险均为0.2、置信度为0.8、鉴别比d为2时，查表得θL为1.739 7，则MTBF检验下限θ1=1.739 7×MTBF要求下限值，例如当MTBF要求下限值为944 h时算得MTBF 检验下限θ1为1 642 h。
5 根据表1结合可靠性强化试验数据对寿命指标进行鉴定，例如当MTBF检验下限θ1为1 642 h，在完成36.6 h（1 642 h×0.022 3）总试验时间（所有产品试验时间总和）后没有发生故障即可认为产品寿命满足MTBF≥944 h的要求。
表1 修订前后的接受-拒收判决标准
总结
本文介绍了可靠性强化试验的技术原理、试验设计方法和一种基于可靠性强化试验的寿命鉴定方法。研究可为深入认识、应用可靠性强化试验技术提供参考，探讨该技术在寿命鉴定方面的拓展应用，有利于保证航天和其他领域产品的高可靠性、长寿命。
参考文献
[1] 蒋培, 陈循, 张春华,等. 可靠性强化试验技术综述[J]. 强度与环境, 2003, 30(1):58-64.
[2] 孙海峰, 胡海峰, 翟邵蕾,等. 可靠性强化试验技术在航天产品研制中的应用[J]. 航天控制, 2017(5):92-97.
[3] 王学孔, 张钟文, 钟云龙. 可靠性强化试验技术在机电产品中的应用研究[J]. 电子产品可靠性与环境试验, 2016, 34(5):51-56.
[4] Gregg K Hobbs. Highly Accelerated StressScreens ASS. Proceedings ES, 1992.
[5] Stephen A Smithson. Effectiveness and Economics ardsticls for ESS Decisions. Proceedings ES, 1990.
[6] 陈奇妙.美国可靠性强化试验技术发展点评[J].国外质量与可靠性,1998,76:44~47.
[7] Capitano J L. R&M 2000 and Environmental Stress Screening[J]. IEEE Transactions on Reliability, 2009, R-36(3):346-350.
[8] Nelson W. Accelerated Testing: Statistical Models, Test Plans, and Data Analysis[M]. 2008.
[9] Silverman M, Johnson J R. FMEA on FMEA[C]// Reliability and Maintainability Symposium. IEEE, 2013:1-5.
[10] Silverman M. How to design a better reliability test program[C]// Reliability and Maintainability Symposium. IEEE, 2010:1-6.
[11] 中华人民共和国军用标准. 可靠性鉴定和验收试验. GJB 899A-2009, 2009.
关于本文
作者：黄首清，何韦，臧建伯，王浩，刘守文
单位：北京卫星环境工程研究所，航天机电产品环境可靠性试验技术北京市重点实验室
作者简介：黄首清，男，博士，工程师，从事可靠性与寿命试验和仿真等研究。
项目基金：北京市自然科学基金-轨道交通联合基金（编号：L161010）
来源：黄首清环境技术
