艦載武器裝備產(chǎn)品溫度-濕度兩應(yīng)力加速老化試驗(yàn)方法研究

史朝龍

（海軍駐北京航天科工集團(tuán)公司第三研究院軍事代表室，北京 100074）

艦載武器裝備產(chǎn)品溫度-濕度兩應(yīng)力加速老化試驗(yàn)方法研究

史朝龍

（海軍駐北京航天科工集團(tuán)公司第三研究院軍事代表室，北京 100074）

老化是艦載武器裝備上的材料、電子設(shè)備發(fā)生失效或性能退化的主要因素。加速老化試驗(yàn)屬于可靠性試驗(yàn)范疇，是評(píng)價(jià)產(chǎn)品壽命和預(yù)測(cè)產(chǎn)品退化趨勢(shì)的主要方式之一。在分析艦載武器服役環(huán)境和出現(xiàn)的老化問(wèn)題的基礎(chǔ)上，利用Peck加速模型和基于性能退化數(shù)據(jù)的評(píng)估方法，提出了一種溫度-濕度兩應(yīng)力加速老化試驗(yàn)方法，并給出了應(yīng)用算例。

老化；加速老化試驗(yàn)；艦載武器裝備

概述

老化是產(chǎn)品在貯存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中，由于使用年限的增長(zhǎng)以及受到各種內(nèi)外環(huán)境因素的綜合作用，性能逐漸變壞直至失去使用價(jià)值的過(guò)程。通常發(fā)生在非金屬材料、電子元器件及機(jī)電產(chǎn)品上，表現(xiàn)為材料外觀改變、物理性能和力學(xué)性能降低，元器件的電性能降低，以及電子設(shè)備的主要性能超差等現(xiàn)象。老化的最終表現(xiàn)是產(chǎn)品的使用性能變差、使用壽命縮短。

老化試驗(yàn)是通過(guò)采集產(chǎn)品的使用數(shù)據(jù)，進(jìn)行性能分析和壽命評(píng)估，可以提供產(chǎn)品比較可靠的使用壽命信息的試驗(yàn)。按試驗(yàn)場(chǎng)所不同可以分為自然老化試驗(yàn)和人工老化試驗(yàn)；按試驗(yàn)對(duì)象層次不同可以分為材料老化試驗(yàn)、器件老化試驗(yàn)和單機(jī)老化試驗(yàn)；按試驗(yàn)應(yīng)力大小不同可以分為常規(guī)老化試驗(yàn)和加速老化試驗(yàn)。加速老化試驗(yàn)按應(yīng)力類型不同又可以分為單應(yīng)力（一般為溫度）加速老化試驗(yàn)和兩應(yīng)力或多應(yīng)力加速老化試驗(yàn)。

目前，基于單應(yīng)力的加速老化試驗(yàn)應(yīng)用較普遍。由于產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中，所處的環(huán)境條件較復(fù)雜，溫度、濕度、氧、臭氧、光、振動(dòng)、化學(xué)性侵蝕、砂塵、微生物侵蝕、鹽霧等均不同程度地影響產(chǎn)品的老化性能。對(duì)于艦載武器裝備，海洋的“三高”環(huán)境是影響裝備性能的主要外部因素，但是受加速模型的制約，本文主要研究了一種基于溫度-濕度兩應(yīng)力的加速老化試驗(yàn)方法。

1 艦載平臺(tái)環(huán)境

艦載武器裝備在出廠驗(yàn)收合格并投入部隊(duì)使用后，需要經(jīng)歷各種各樣的使用環(huán)境，其典型的壽命剖面如圖1所示。綜合來(lái)看，主要有3種典型的使用環(huán)境：①在儲(chǔ)備庫(kù)房中進(jìn)行長(zhǎng)期存放的貯存環(huán)境；②進(jìn)行空間轉(zhuǎn)移的運(yùn)輸環(huán)境；③承擔(dān)作戰(zhàn)執(zhí)勤的戰(zhàn)備值班環(huán)境。將艦載平臺(tái)環(huán)境與貯存環(huán)境和運(yùn)輸環(huán)境進(jìn)行比較如表1所示?？梢?，艦載環(huán)境比貯存環(huán)境和運(yùn)輸環(huán)境更加嚴(yán)酷，主要體現(xiàn)在高溫、高濕、高鹽等“三高”環(huán)境和復(fù)雜海況、長(zhǎng)期的低頻振動(dòng)等方面。

圖1 艦基導(dǎo)彈的壽命剖面

表1 艦基導(dǎo)彈典型服役環(huán)境因素比較

表2 某型艦載武器裝備故障分類

2 艦載武器裝備的老化問(wèn)題

由于艦載武器裝備的安裝部位不同、防護(hù)水平不同、工作狀態(tài)不同，其受到環(huán)境因素的影響程度也不同。但是，對(duì)于安裝在艦面甲板上武器裝備，直接暴露于各種海洋環(huán)境條件下，無(wú)疑是環(huán)境條件最惡劣，故障最多發(fā)的。排除人為操作失誤、偶然故障、銹蝕等故障原因，材料和元器件老化是艦載武器裝備主要的故障模式之一。

例如，統(tǒng)計(jì)某型艦載武器裝備故障現(xiàn)象及同類故障出現(xiàn)的次數(shù)如表2所示。按設(shè)備類型不同故障分為A、B、C、D四類。通過(guò)質(zhì)量測(cè)試和故障成因分析，這些故障主要原因有三個(gè)：人為原因、偶然故障和元器件老化。如C4均為人為裝配出現(xiàn)失誤引起的故障，D3、D4為偶然故障引起的可靠性問(wèn)題，其余參數(shù)超差類故障一般與元器件的老化有關(guān)。隨著使用時(shí)間的累積，加上環(huán)境條件和工作條件的影響，單機(jī)設(shè)備中非金屬材料會(huì)老化、電子元器件的性能會(huì)下降或漂移，最終可能導(dǎo)致設(shè)備整體功能失效或性能降低，影 響武器裝備的使用壽命。

3 基于溫度-濕度兩應(yīng)力的加速老化試驗(yàn)方法

按可靠性水平和維保方式的不同，可以將艦載武器裝備上的所有產(chǎn)品分為3類：第1類是長(zhǎng)期貯存或戰(zhàn)備值班對(duì)其可靠性和壽命影響不大，高可靠、長(zhǎng)壽命的產(chǎn)品；第2類是進(jìn)行定期檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)偶然故障時(shí)可進(jìn)行維修的產(chǎn)品；第3類是性能參數(shù)有變化趨勢(shì)的產(chǎn)品，為滿足武器裝備所需的貯存和戰(zhàn)備值班可靠性可采取定期更換的措施。針對(duì)第3類產(chǎn)品，可以開展加速老化試驗(yàn)，研究其性能退化趨勢(shì)和可靠壽命問(wèn)題。

同一類產(chǎn)品的老化趨勢(shì)是基本一致的，可以作出以下假設(shè)：同一類產(chǎn)品樣本的老化軌跡相似，可以使用具有相同形式的曲線方程來(lái)進(jìn)行描述；由于產(chǎn)品樣本之間具有隨機(jī)波動(dòng)性，因此不同產(chǎn)品樣本的退化曲線的方程系數(shù)不同。

由上述假設(shè)可知，這種隨機(jī)波動(dòng)性使產(chǎn)品的性能退化量到達(dá)預(yù)先設(shè)置的失效閾值所需要的時(shí)間（即失效壽命），也具有某種程度的隨機(jī)性，因此可以利用某種特定分布來(lái)描述這種隨機(jī)性。圖2給出了產(chǎn)品退化軌跡與其壽命分布之間的關(guān)系圖，圖中Df為失效閾值，t1、t2、……，分別是不同試驗(yàn)樣本達(dá)到失效閾值的時(shí)間。由于這些時(shí)間不是樣本的實(shí)際失效時(shí)間，因此稱其為偽失效壽命。

表3 性能退化數(shù)據(jù)

基于性能退化數(shù)據(jù)的評(píng)估方法的基本思路是：通過(guò)對(duì)觀測(cè)到的性能退化數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，分別擬合各應(yīng)力水平下老化軌跡曲線。首先定義老化失效閥值，結(jié)合老化軌跡曲線，計(jì)算各應(yīng)力水平下的壽命，然后根據(jù)各應(yīng)力水平下的壽命分布參數(shù)擬合加速模型中的未知參數(shù)，進(jìn)而可外推其在正常環(huán)境條件下的壽命，具體評(píng)估方法如下：

1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集及預(yù)處理。n個(gè)產(chǎn)品在步降應(yīng)力S1，S2，…，Sk加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表3所示。yij（j=1，2，…，q）為第i個(gè)樣本第j次檢測(cè)的退化數(shù)據(jù)。對(duì)得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括剔除野點(diǎn)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等，從而得到有效的性能退化數(shù)據(jù)。

2）擬合退化軌跡。根據(jù)得到的有效性能退化數(shù)據(jù)，繪出性能退化量隨時(shí)間變化的曲線，對(duì)于大多數(shù)電子產(chǎn)品，其退化軌跡一般可使用以下幾種線性模型來(lái)進(jìn)行有效的擬合：

圖2 退化軌跡與壽命分布關(guān)系示意圖

3）預(yù)測(cè)偽壽命。假設(shè)失效閾值為Df，根據(jù)上一步求得的不同應(yīng)力下各個(gè)樣本的退化軌跡方程，外推出每樣本的達(dá)到失效閾值Df的時(shí)間Ti，即偽失效壽命時(shí)間數(shù)據(jù)。

4）偽失效壽命分布類型及分布參數(shù)。對(duì)得出偽失效壽命時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分布假設(shè)檢驗(yàn)，然后根據(jù)其服從的分布類型，估計(jì)出每一應(yīng)力水平下樣本失效壽命時(shí)間分布的總體參數(shù)。

假設(shè)在應(yīng)力Sk下的偽失效壽命Tki（i=1，2，…，n）服從指數(shù)分布，則平均壽命參數(shù)的極大似然估計(jì)為

D.S.Peck在1986年提出的描述溫度-濕度的加速模型Peck模型，兼顧了溫度和濕度的作用，適于濕熱老化試驗(yàn)。

式中：H是相對(duì)濕度；T是絕對(duì)溫度；K是波爾茲曼常數(shù)；E是激活能；a、b、c是常數(shù)；

5）正常應(yīng)力下的失效壽命評(píng)估。通過(guò)加速模型，找出失效壽命總體參數(shù)與應(yīng)力水平之間的關(guān)系，外推出樣本在正常應(yīng)力下的各種可靠性參數(shù)。如將正常應(yīng)力水平S0代入即可得，于是正常應(yīng)力條件S0下的可靠度函數(shù)

4 算例

圖3 退化趨勢(shì)擬合曲線

以4塊電源板為試驗(yàn)對(duì)象，編號(hào)為1#～4#。采用均勻正交設(shè)計(jì)法取4組不同溫度-濕度值，分別為（80，55）、（90，85）、（100，25）、（110，65）。將4塊電源板在4組環(huán)境條件下各進(jìn)行400h的試驗(yàn)，分別測(cè)試10次，獲取電壓變化數(shù)據(jù)。描繪出四組應(yīng)力下產(chǎn)品的退化趨勢(shì)如圖3所示，擬合參數(shù)如表4所示。

表4 濕熱老化試驗(yàn)退化曲線擬合參數(shù)

將擬合直線代入Peck模型

該產(chǎn)品的老化失效分布函數(shù)為

失效概率分布圖見圖4。

圖4 失效概率分布圖

5 總結(jié)

本文在分析艦載武器服役環(huán)境和出現(xiàn)的老化問(wèn)題的基礎(chǔ)上，利用Peck加速模型和基于性能退化數(shù)據(jù)的評(píng)估方法，提出了一種溫度-濕度兩應(yīng)力加速老化試驗(yàn)方法，并給出了應(yīng)用算例，驗(yàn)證了該方法的可行性。在實(shí)際應(yīng)用中，還需針對(duì)具體產(chǎn)品進(jìn)行FMECA分析，確定關(guān)鍵部件和老化指標(biāo)，并依據(jù)產(chǎn)品實(shí)際工作條件確定加速老化試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)應(yīng)力水平、電應(yīng)力的施加頻率等。經(jīng)加速老化試驗(yàn)得到產(chǎn)品飛老化失效模型，可以作為確定產(chǎn)品失效壽命和關(guān)鍵部件更換周期的依據(jù)。

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史朝龍（1974，10-），男，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)管理與工程專業(yè)，研究生，工程師，現(xiàn)從事武器系統(tǒng)質(zhì)量管理及相關(guān)技術(shù)研究工作。

Research on an Accelerated Aging Testing Method Based on the Factors of Temperature and Humidity for Products on Carrier-based Weapons

SHI Chao-long
（Naval Military Representative Office in the Third Research Academy，Beijing 100074）

Aging is a primary factor which can cause failure or degeneration of material and electronic product on carrier-based weapon.Accelerated-aging-testing belongs to a kind of reliability testing，is a primary method to evaluate product life and forecast degeneration trend.On the basis of analyzing using environment and arisen problems of carrier-based Weapons，making use of Peck accelerated model and an evaluation method based on product capability degeneration data，an accelerated aging testing method based on the factors of temperature and humidity is put forward in this paper，and an example is adduced at the same time.

aging；accelerated aging testing；carrier-based weapons

V416.5

A

1004-7204（2015）06-0007-05