可靠性強化試驗理論分析及其在引信中的應(yīng)用

劉加凱，齊杏林，賀連梁，李寧

（1.軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003；2.駐724廠軍代室，遼寧 沈陽 110000）

1 引言

1988年美國的G.K.Hobbs博士提出了高加速壽命試驗（HALT）和高加速應(yīng)力篩選（HASS）。前者用于產(chǎn)品的設(shè)計階段，目的是快速暴露產(chǎn)品的設(shè)計缺陷，以便及時改進設(shè)計，提高產(chǎn)品的固有可靠性；后者用于產(chǎn)品的生產(chǎn)階段，目的是快速暴露產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的各種制造缺陷，為用戶提供高可靠性的產(chǎn)品。1994年，波音公司在產(chǎn)品設(shè)計階段應(yīng)用HALT時，將其命名為可靠性強化試驗（RET），明確了HALT與產(chǎn)品壽命試驗中加速壽命試驗（ALT）的區(qū)別。

可靠性強化試驗通常采用人為施加的強化應(yīng)力環(huán)境進行試驗，快速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷使其以故障形式表現(xiàn)出來，通過故障模式分析、故障機理分析和改進措施消除缺陷，從而提高產(chǎn)品的可靠性?？煽啃詮娀囼灢⒉粡娬{(diào)試驗環(huán)境的真實性，而是在保證失效機理不變的情況下，強調(diào)試驗的激發(fā)效率，實現(xiàn)研制過程中可靠性水平的快速增長[1-2]。

強化試驗機理是可靠性強化試驗的理論基礎(chǔ)，對可靠性強化試驗技術(shù)的深入研究及應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義[3]。關(guān)于引信的可靠性強化試驗，根據(jù)相關(guān)的文獻，國外已經(jīng)展開研究，本文在分析可靠性強化試驗機理的基礎(chǔ)上對引信可靠性強化試驗的應(yīng)用進行探討。

2 理論分析

2.1 理論依據(jù)

故障物理學(xué)是可靠性強化試驗的理論依據(jù)，它把故障或失效當作研究的主要對象，通過發(fā)現(xiàn)、研究和根治故障來達到提高可靠性的目的。

所謂故障物理學(xué)，就是指一種評估缺陷和應(yīng)力對產(chǎn)品可靠性的影響，并通過正常設(shè)計、裝配和支持性方法來評估故障和減少故障的一種分析方法。進行故障物理分析的關(guān)鍵是要弄清產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的載荷和應(yīng)力，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、潛在缺陷和故障機理。該方法通過應(yīng)用加速試驗激發(fā)出缺陷，進行故障定位和機理分析及設(shè)計更改，通過這種反復(fù)迭代過程，從而實現(xiàn)在設(shè)計過程中將可靠性納入產(chǎn)品；同時通過提高制造能力來促進高質(zhì)量生產(chǎn)，在制造過程中將可靠性納入產(chǎn)品。

故障物理學(xué)是一種實際而科學(xué)的可靠性分析方法，應(yīng)用這種方法可通過對產(chǎn)品實際可靠性的評估而鼓勵創(chuàng)新設(shè)計，在軍用和民用產(chǎn)品上都可使用。傳統(tǒng)的可靠性評估技術(shù)往往會由于缺少足夠的故障數(shù)據(jù)，不利于新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，從而就會對產(chǎn)品可靠性提高過程產(chǎn)生阻礙作用[4]。

2.2 理論基礎(chǔ)

利用可靠性強化試驗的根本目的是通過強化設(shè)計，快速獲得高可靠性產(chǎn)品，降低研制生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品盡早進入市場和提高市場競爭能力。鏈條理論和強度干擾理論是可靠性強化試驗的理論基礎(chǔ)。

2.2.1 鏈條理論

所謂鏈條理論是指一根鏈條的強壯度取決于構(gòu)成鏈條的各鏈條環(huán)節(jié)中最薄弱的一環(huán)，即鏈條中最薄弱的環(huán)的壽命就是整個鏈條的壽命。同樣，一個電子系統(tǒng)強壯程度與其最薄弱的分系統(tǒng)或部件相同，即系統(tǒng)中最薄弱的部分一旦出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)就會隨之出現(xiàn)故障并失去功能，因此最薄弱部分的壽命就是整個系統(tǒng)的壽命。

現(xiàn)代產(chǎn)品市場競爭非常激烈，產(chǎn)品制造商都力圖找出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)并加以排除，提高設(shè)計裕度，確保其在壽命期內(nèi)不出現(xiàn)或少出現(xiàn)故障?？煽啃詮娀囼炚菍崿F(xiàn)這一目標的有力工具。

2.2.2 強度干擾理論

眾所周知，任何產(chǎn)品在貯存和使用過程中，均會遇到各種應(yīng)力。這些應(yīng)力可能是由使用中遇到的溫度、振動、低氣壓、力學(xué)和生化環(huán)境等因素引起的，也可能是由電壓、電流、力等使用負載引起的，而且應(yīng)力的大小在產(chǎn)品壽命期各個階段往往隨具體狀態(tài)的不同而發(fā)生變化。經(jīng)統(tǒng)計，產(chǎn)品在壽命期內(nèi)遇到的應(yīng)力呈高斯分布，如圖1中左邊曲線B所示。另一方面，任何產(chǎn)品群體中的各個產(chǎn)品或產(chǎn)品的各部分耐環(huán)境應(yīng)力的分布也呈高斯狀，如圖1中右邊曲線A所示[5]。

圖1 產(chǎn)品耐應(yīng)力強度與使用應(yīng)力強度關(guān)系

當這兩個分布相重疊時，重疊部分表示的就是耐環(huán)境應(yīng)力能力較低的部位正好處于使用中遇到的最高應(yīng)力的作用下，從而使該部位在應(yīng)力作用下產(chǎn)生故障。傳統(tǒng)的產(chǎn)品耐應(yīng)力設(shè)計往往以規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力為依據(jù)，而規(guī)范中的應(yīng)力一般是根據(jù)實際使用中遇到的極端應(yīng)力來確定的。按照這種設(shè)計思路得到的產(chǎn)品，往往不能保證每個產(chǎn)品或產(chǎn)品的每一部位對環(huán)境應(yīng)力的耐受能力均與設(shè)計要求相一致，而是如上所說的呈正態(tài)分布，只是其平均值與設(shè)計要求值相近。即使設(shè)計人員已經(jīng)預(yù)留了一定的設(shè)計欲度，也只是增加產(chǎn)品耐環(huán)境能力達到和超過設(shè)計要求的比例，而產(chǎn)品耐應(yīng)力分布圖的左邊尾部總會與使用中遇到的應(yīng)力分布圖的右邊尾部相交，進而不可避免地在使用中出現(xiàn)故障。

另一方面，隨著產(chǎn)品使用或貯存時間的增加，外界應(yīng)力作用或產(chǎn)品使用不當?shù)仍颍ɡ缋匣┒伎赡苁巩a(chǎn)品變得更為脆弱，從而使圖1中的曲線A左移成為曲線A’，增加了與曲線B重疊區(qū)的面積，即增加了產(chǎn)品產(chǎn)生故障的概率；當在使用中施加的載荷或遇到的應(yīng)力超過規(guī)范規(guī)定值時，會使圖1中曲線B右移成為曲線B’，同樣會增加與曲線A重疊區(qū)的面積，即增加產(chǎn)品產(chǎn)生疲勞損傷和出現(xiàn)故障的概率。

當上述情況用于試驗時，則使用應(yīng)力強度變?yōu)樵囼炛惺┘拥膽?yīng)力和負載強度（圖2中曲線C代替了圖中1的曲線B）。眾所周知，無論采用什么樣的技術(shù)，都不可能使產(chǎn)品各部分受到的試驗施加應(yīng)力完全一樣，因此產(chǎn)品各部分受到的外部應(yīng)力也呈正態(tài)分布。一旦這兩個分布曲線相重疊，產(chǎn)品中的缺陷便會被激發(fā)并發(fā)展成故障，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品耐應(yīng)力強度與試驗應(yīng)力強度關(guān)系

在可靠性強化試驗中，應(yīng)用步進應(yīng)力方法使試驗施加應(yīng)力曲線C不斷右移；同時，由于對應(yīng)力激發(fā)出的缺陷采取了糾正措施而使產(chǎn)品的耐應(yīng)力強度增加，其曲線A也不斷右移，產(chǎn)品變得越發(fā)強壯。由于試驗最終施加的應(yīng)力超過規(guī)范規(guī)定或使用中遇到的應(yīng)力，即圖2中Cn曲線遠高于圖1中的曲線B，而且已針對此高應(yīng)力下激發(fā)出的缺陷采取了有效的設(shè)計改進措施，因而產(chǎn)品耐應(yīng)力強度分布曲線大大右移，使圖1中的曲線A變?yōu)閳D2中的曲線An，遠離圖2中原來曲線A位置，如圖3所示。

圖3 強化設(shè)計后產(chǎn)品耐應(yīng)力強度與使用應(yīng)力強度關(guān)系

從圖中可以看出，應(yīng)用可靠性強化試驗進行強化設(shè)計的結(jié)果是，由于使用應(yīng)力曲線B不變化，而原來的曲線A右移變?yōu)榍€An，使得B和An兩個曲線之間的距離大大增加，即產(chǎn)品最弱部分的耐應(yīng)力強度遠遠超過實際使用中可能遇到的最大應(yīng)力強度，不再出現(xiàn)圖1中兩曲線重疊現(xiàn)象，從而即便在使用中出現(xiàn)意外的應(yīng)力，產(chǎn)品仍能保證不出故障，得到高可靠性產(chǎn)品[6]。

2.3 三類強化模型

可靠性強化試驗實際上是利用產(chǎn)品中的缺陷部位比正常部位應(yīng)力易以集中的特點，在機械應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下，應(yīng)力在缺陷部位迅速積累而使其出現(xiàn)疲勞損傷或遭到破壞，進而找出產(chǎn)品中的缺陷。以下對可靠性強化試驗的三類模型進行分析。

2.3.1 Arrhenius模型

在強化試驗過程中常出現(xiàn)幾種現(xiàn)象，如機械疲勞損傷、磨損、化學(xué)反應(yīng)、電子遷移。這些現(xiàn)象的發(fā)生過程可以通過不同的數(shù)學(xué)模型來表示，其中化學(xué)反應(yīng)和遷移效應(yīng)從發(fā)生到結(jié)束都是根據(jù)Arrhe nius模型或是其近似。Arrhenius方程為[7]：

式（1）中：R——反應(yīng)速度；

A——經(jīng)驗常數(shù)；

Ea——活化能（eV）；

K——波耳茲曼常數(shù)（8.617 E-5 eV/K）；

T——絕對溫度（K）。

從上式可知，當試驗產(chǎn)品確定后，其反應(yīng)速度與溫度成正比。

由式（1）可推出強化試驗的加速因子，其表達式為：

式（2）中：AF——加速因子；

Tstress——強化試驗中所施加的溫度（K）；

Tuse——其它環(huán)境中的溫度（K）。

根據(jù)公式（2），假設(shè)活化能Ea為1.0 eV，強化試驗中所施加的溫度為120℃（393 K），而GJB 150《軍用設(shè)備環(huán)境試驗》中關(guān)于高溫試驗所施加的溫度為70℃（343 K）。

將各數(shù)值帶入式（2），得到當可靠性強化試驗的溫度為120℃時較GJB 150中所施加溫度（70℃）的加速因子為AF≈74。因此，強化試驗中在120℃保溫39 min，則相當于在70℃時保溫48 h，滿足GJB 150所要求的保溫48 h的要求。

Arrhenius模型在電子產(chǎn)品的加速可靠性試驗中，特別是加速貯存可靠性試驗中得到了比較廣泛的應(yīng)用[8]。

2.3.2 Miner標準模型

機械應(yīng)力引起的機械疲勞損傷可以通過多種數(shù)學(xué)模型表示，最簡單的是Miner標準模型，它指出了疲勞損傷是可以累加且不可以恢復(fù)的，累加是以一種簡單的線性累加，也就是說，不同應(yīng)力造成的損傷程度可以累加在一起，當達到1的時候，那么就達到產(chǎn)品的疲勞壽命，故障也就出現(xiàn)了。Miner標準模型如式（3）所示：

式（3）中：D——敏納累積疲勞損傷函數(shù)；

N——應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；

S——單應(yīng)力面積施加的應(yīng)力；

β——材料特性（一般取8～12）。

在可靠性強化試驗中，假設(shè)β為10，當振動量級RMS增加一倍，那么疲勞損傷累積的速度就要加快1024倍，這就意味著試驗的時間（循環(huán)次數(shù)）可以縮短1024倍。這種加速模型在機械引起的疲勞損傷和其它類型故障模式都通用。需要注意的是每個循環(huán)施加的應(yīng)力對疲勞損傷是累加而不可逆的。

另外，零部件在使用過程中出現(xiàn)非老化性損傷通常是由于本身存在的缺陷而導(dǎo)致其應(yīng)力增加所致。事實證明，對于有缺陷的產(chǎn)品，缺陷處應(yīng)力集中系數(shù)高達2～3倍，疲勞壽命就相應(yīng)地降低了多個數(shù)量級，這樣就使有缺陷元件和無缺陷元件在相同的強化應(yīng)力作用下疲勞壽命拉大了檔次，使有缺陷元件迅速暴露的同時無缺陷元件的損傷甚小。根據(jù)文獻[9]，在波音飛機公司實驗室中，可靠性強化試驗發(fā)現(xiàn)的故障和市場記錄下來的故障是相對應(yīng)的，且高應(yīng)力下所造成的疲勞損傷實際上和低應(yīng)力多循環(huán)所造成的損傷是一樣的。

2.3.3 溫變率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

溫度循環(huán)屬熱疲勞性質(zhì)，Smithson的研究表明，溫度變化率與激發(fā)缺陷所需的溫度循環(huán)次數(shù)具有如下的關(guān)系[5]：

式（4）中：Y——溫度變化率；

X——溫度循環(huán)次數(shù)。

表1列舉了不同溫變率與循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系。由表1可以看出，溫變率5℃/min下進行400個68 min/次的溫度循環(huán)與溫變率40℃/min進行1個8 min/次循環(huán)的效果是一樣的，而兩者所花的時間比達到4400：1。因此在溫度循環(huán)試驗中，溫變率越高，產(chǎn)品疲勞和破壞越快，試驗時間越短[10]。

表1 不同溫變率與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

3 可靠性強化試驗在引信中的應(yīng)用

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，引信系統(tǒng)由傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)過渡到復(fù)雜的機電或電子系統(tǒng)，各類新型機電引信、無線電近炸引信、電容近炸引信和電子時間引信不斷涌現(xiàn)，各種新型電引信的研究方興未艾，引信的結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，所采用的零部件數(shù)量也越來越多，必然會帶來總體可靠性下降的問題。為了在武器裝備中搶占先機，要求高性能高可靠性的引信盡快裝備部隊，如何改善和提高電引信的可靠性，縮短引信的研制周期，以及降低全壽命周期的費用已經(jīng)成為引信研究領(lǐng)域中一個不容忽視的問題[11]。

傳統(tǒng)的環(huán)境模擬可靠性試驗的特點是，盡可能地模擬真實環(huán)境，而且是典型的真實環(huán)境，再加上設(shè)計裕度確保引信的可靠性，因此環(huán)境模擬的真實程度和設(shè)計裕度的大小就成為兩個關(guān)鍵的因素。要提高引信儲存可靠性就必須對引信儲存環(huán)境進行更真實的模擬，提高設(shè)計裕度，這樣一來試驗難度增大、周期拖長、成本增加。雖然GJB 573A-98中關(guān)于氣候試驗采用了加速環(huán)境試驗，但試驗時間還是偏長，如溫度與濕度試驗需要將裸露的引信在溫度和濕度環(huán)境條件下放置28天等。另外，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)水平的提高，加快了材料、元器件和工藝質(zhì)量的改進速度，使引信的可靠性水平有了較大的提高，其潛在的缺陷隱藏極深，難以用環(huán)境模擬試驗激發(fā)。即使通過了可靠性鑒定試驗，潛在的缺陷仍然殘存不少，隨時都可能在使用時暴露并引發(fā)故障。因此，傳統(tǒng)的可靠性試驗越來越難以適應(yīng)高速發(fā)展的引信技術(shù)的需要。

通過對可靠性強化試驗進行理論分析，在產(chǎn)品的研制過程中應(yīng)用強化應(yīng)力來激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，能夠大大提高產(chǎn)品的可靠性，縮短產(chǎn)品的研制周期并節(jié)省成本?？煽啃詮娀囼炘谝叛兄七^程中的應(yīng)用恰恰克服了傳統(tǒng)可靠性試驗的缺陷。

初步分析表明，可靠性強化試驗在引信的研制過程中的應(yīng)用具有如下意義：

1）可以為引信的設(shè)計者和制造者改進引信設(shè)計和工藝的薄弱環(huán)節(jié)提供準確的信息，快速提高引信儲存可靠性，大大縮短引信裝備部隊的周期；

2）可以使引信可靠性驗證試驗的故障減少，甚至可以取消部分可靠性驗證試驗；

3）可以降低引信全壽命周期的費用。

關(guān)于引信的可靠性強化試驗，國外已經(jīng)開展了相關(guān)的研究工作，由于保密原因，這方面的資料較少。但從相關(guān)的文獻中可知，美國在響尾蛇導(dǎo)彈的無線電引信研制階段應(yīng)用了可靠性強化試驗技術(shù)，使該引信產(chǎn)品獲得了高可靠性。在2003年第47屆美國引信年會上，Michael P.Connolly等對可靠性強化試驗技術(shù)能否取代部分引信環(huán)境模擬試驗進行了探討[12]。

4 結(jié)束語

本文對可靠性強化試驗的理論依據(jù)、理論基礎(chǔ)以及三類強化模型進行了分析，揭示了可靠性強化試驗的試驗機理。通過對引信現(xiàn)有可靠性試驗的特點進行分析，體現(xiàn)了可靠性強化試驗在引信研制過程中應(yīng)用的優(yōu)越性，即大大提高產(chǎn)品的固有可靠性，縮短產(chǎn)品研制時間并降低成本?？煽啃詮娀囼炘谝叛兄七^程中的應(yīng)用具有重要意義，是引信可靠性試驗的重要發(fā)展方向。

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