整機(jī)級(jí)裝備貯存延壽試驗(yàn)技術(shù)*

蓋炳良，滕克難，王浩偉，夏 菲

（1.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001；2.國網(wǎng)遼陽供電信息通信分公司，遼寧 遼陽 111000）

0 引言

裝備貯存延壽意義重大，能恢復(fù)、保持和提升到期導(dǎo)彈技戰(zhàn)性能，節(jié)省國防經(jīng)費(fèi)開支和確保導(dǎo)彈戰(zhàn)備完好率。但同時(shí)，裝備貯存延壽又是一項(xiàng)理論難度大、實(shí)踐性很強(qiáng)的工作，俄、美等軍事強(qiáng)國歷經(jīng)多年發(fā)展形成了具有自身特色的貯存延壽道路［1］。美國貯存延壽技術(shù)手段主要采取自然貯存試驗(yàn)，輔以加速貯存試驗(yàn)，在加速試驗(yàn)應(yīng)用對(duì)象上，主要是元器件材料級(jí)和整機(jī)級(jí)，如美軍加速試驗(yàn)曾應(yīng)用在民兵導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的所有部件，紅斑蛇導(dǎo)彈的元器件、零部件和設(shè)備，以及有關(guān)微機(jī)電產(chǎn)品，導(dǎo)彈推進(jìn)劑等。俄羅斯貯存延壽突出特點(diǎn)就是加速試驗(yàn)技術(shù)處于世界先進(jìn)水平，可以做到整機(jī)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)和全彈級(jí)，見諸報(bào)道的應(yīng)用就是C-300地空導(dǎo)彈。

1 貯存延壽試驗(yàn)技術(shù)

雖然俄、美貯存延壽的技術(shù)應(yīng)用各具特色，但試驗(yàn)技術(shù)是必然手段。普遍采用試驗(yàn)技術(shù)，有其必然性，一是基于導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和貯存的長期性等自身特性，此為立足于研究對(duì)象；二是基于各自國情，軍事需求和技術(shù)發(fā)展，此為受限于技術(shù)水平。以導(dǎo)彈為例，導(dǎo)彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，典型的結(jié)構(gòu)從上至下可分為全彈級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、整機(jī)級(jí)和元器件材料級(jí)。導(dǎo)彈包含了大量的金屬材料、非金屬材料、電子元器件以及含能產(chǎn)品等等，性能退化不盡相同，整體規(guī)律難以把握，給壽命預(yù)測(cè)和延壽工作帶來困難，這就必然導(dǎo)致貯存延壽研究思路化整為零，試驗(yàn)探索，逐步推進(jìn)。導(dǎo)彈又是“長期貯存、一次使用”的典型產(chǎn)品，如美國的民兵3導(dǎo)彈，1970年6月開始服役，美軍計(jì)劃服役到2030年，服役時(shí)間長達(dá)60年，“大力神2”導(dǎo)彈服役期長達(dá)25年［1］。在長期的貯存期內(nèi)，受到振動(dòng)、沖擊、高溫、低溫等各種外部環(huán)境因素影響，如何定量這些復(fù)雜環(huán)境因素對(duì)性能退化甚至失效的影響，必然采取模擬真實(shí)貯存環(huán)境的試驗(yàn)技術(shù)。

因而，國內(nèi)也逐步形成了以試驗(yàn)技術(shù)為核心的裝備貯存延壽方法。目前貯存延壽研究的重要內(nèi)容包含貯存壽命表征參數(shù)體系、失效模式與機(jī)理、貯存延壽試驗(yàn)方法和貯存壽命預(yù)測(cè)方法，四者相互關(guān)聯(lián)、相互驗(yàn)證，相互之間是閉環(huán)的邏輯關(guān)系［2］。其中，貯存延壽試驗(yàn)方法是串聯(lián)其中的關(guān)鍵，它基于失效模式與機(jī)理分析，并以貯存壽命表征參數(shù)體系為觀測(cè)、判別對(duì)象，通過試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)，從而預(yù)測(cè)產(chǎn)品的貯存壽命。從技術(shù)結(jié)構(gòu)功能組成角度來看，可以將貯存延壽試驗(yàn)技術(shù)分為支撐學(xué)科，涉及的基本概念，應(yīng)用對(duì)象，具體的技術(shù)流程以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等部分，如圖1所示。

2 現(xiàn)狀分析

縱觀我國裝備貯存延壽工作，加速貯存試驗(yàn)研究應(yīng)用廣泛，但應(yīng)用對(duì)象主要是元器件材料級(jí)產(chǎn)品，集中在推進(jìn)劑、火工品、密封件等橡膠產(chǎn)品以及電子產(chǎn)品等，掌握了非金屬材料、電子元器件的加速貯存試驗(yàn)方法，也積累了不少延壽工作寶貴經(jīng)驗(yàn)。但由于研究對(duì)象多是元器件材料級(jí)產(chǎn)品，級(jí)別過低，且大都基于單一失效模式分析，容易導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)可信度危機(jī)?？梢赃@么理解，圖1中所示的技術(shù)流程，是對(duì)目前元器件材料級(jí)產(chǎn)品具體應(yīng)用的總結(jié)，是否同樣適用于整機(jī)級(jí)以上產(chǎn)品，需要進(jìn)一步研究梳理和檢驗(yàn)。但是壽命預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建，貯存壽命預(yù)測(cè)，整機(jī)加速試驗(yàn)必然是整機(jī)級(jí)產(chǎn)品貯存延壽試驗(yàn)技術(shù)流程中必不可少的研究內(nèi)容。下面對(duì)以上3部分內(nèi)容進(jìn)行綜述。

2.1 基于競爭失效的貯存壽命預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

鐘群鵬院士從哲學(xué)高度對(duì)失效學(xué)進(jìn)行了辨證認(rèn)識(shí)和科學(xué)剖析［3］，這是對(duì)失效建模方法的理論指導(dǎo)，也反映出失效建模的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程。按照發(fā)展歷程，競爭失效建模是在傳統(tǒng)的失效建模和性能退化建模基礎(chǔ)上發(fā)展應(yīng)用的。

競爭失效按照失效屬性分，分為突發(fā)失效和性能退化失效；按照相關(guān)性，分為相互獨(dú)立的競爭失效和相關(guān)性競爭失效，實(shí)際生活中產(chǎn)品失效往往是以上類型的組合。有別于單一失效模式，競爭失效更符合整機(jī)產(chǎn)品失效實(shí)際。因而一般認(rèn)為，構(gòu)建基于競爭失效的貯存壽命預(yù)測(cè)模型，是將貯存延壽試驗(yàn)從元器件材料級(jí)向整機(jī)級(jí)產(chǎn)品推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。對(duì)于導(dǎo)彈整機(jī)級(jí)等復(fù)雜產(chǎn)品，考慮一種突發(fā)失效和二元退化失效之間的競爭，是比較切合實(shí)際也易于實(shí)際應(yīng)用的。

突發(fā)失效建模方面，王華偉等［4］采用兩個(gè)賦有權(quán)重的Weibull分布組成的混合Weibull模型描述航空發(fā)動(dòng)機(jī)突發(fā)失效。高軍等［5］采用Weibull分布描述系統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)突發(fā)失效的壽命變化規(guī)律，其形狀參數(shù)反映退化失效對(duì)突發(fā)失效的影響，在形狀參數(shù)已知情況下，突發(fā)失效的可靠性評(píng)估就可轉(zhuǎn)化為尺度參數(shù)的計(jì)算。更普遍情況下，通過基于退化量突發(fā)失效的條件概率和突發(fā)失效概率分布的聯(lián)合分布函數(shù)計(jì)算可靠度，相關(guān)求解方法可用Monte-Carlo仿真實(shí)現(xiàn)。孫志旺等［6］采用隨機(jī)沖擊描述突發(fā)失效，隨機(jī)沖擊不僅可以造成累積損失，與退化過程相疊加最終造成退化失效，還可能由于隨機(jī)沖擊直接瞬間造成突發(fā)失效，并假設(shè)每次導(dǎo)致突發(fā)失效的隨機(jī)沖擊量服從Normal分布。趙建印等［7］認(rèn)為突發(fā)失效在某一時(shí)刻出現(xiàn)的概率受該時(shí)刻退化量影響，據(jù)此建立了突發(fā)失效的條件失效分布函數(shù)。張英芝等［8］在研究數(shù)控機(jī)床可靠性時(shí)，將電子器件故障劃分為突發(fā)失效，并且認(rèn)為服從Weibull分布。

性能退化建模目前集中在一元退化建模，描述產(chǎn)品退化失效是一個(gè)退化過程引起的現(xiàn)象。一元退化建模方法多樣，一般可分成基于失效物理過程、基于退化軌跡擬合、基于退化量分布和基于隨機(jī)過程4類［9］，其中前兩類方法都需要估計(jì)出產(chǎn)品的偽壽命進(jìn)而確定偽壽命的分布模型，可統(tǒng)稱為基于偽壽命分布的退化建模方法。

多元退化建模方法的研究相對(duì)較少，Huang和

Askin［10］，Liang 等［11］，晁代宏等［12］，Pan 等［13］進(jìn)行了一些研究工作，但是這些研究假定各退化量之間相互獨(dú)立或用服從多維Normal分布。

考慮到相互獨(dú)立不太符合實(shí)際，以及多維Normal分布忽視了退化的方向性等局限性，目前多元退化建模主要方向是在考慮多個(gè)退化量相關(guān)下，對(duì)退化競爭失效過程建立合理的退化模型［14］。Lehmann［15-16］將突發(fā)失效看作外部沖擊，沖擊強(qiáng)度是退化水平和應(yīng)力的函數(shù)，提出競爭失效DTS（Degradation-Threshold-Shock）模型。Sari［17］在考慮多個(gè)退化量之間相互影響的基礎(chǔ)上利用Copula函數(shù)建立了聯(lián)合分布函數(shù)，分別研究了額定工作應(yīng)力和恒定應(yīng)力加速情形下的多退化過程建模和可靠性評(píng)估。

With the development of the learner autonomy,the students can beencouraged tolearn thematerialsin other fields.

可見，在量化突發(fā)失效和退化失效相關(guān)時(shí)，其中的關(guān)鍵問題是如何將競爭失效產(chǎn)品失效總體分布與各失效模式潛在失效時(shí)間的邊緣分布函數(shù)聯(lián)系起來，方法多樣，如采用聯(lián)合分布方法，條件相關(guān)系數(shù)方法、線性回歸方法和Copula方法等［18］，國內(nèi)的王華偉［4］等，高軍［5］等，陳鐵［19］等，蘇春［20］等，也進(jìn)行了相關(guān)研究。

競爭失效場合加速試驗(yàn)的失效建模方法，Kim［21］，Pascual［22］，Bunea 等［23-24］，Zhao&Elsayed［25］等國外多位學(xué)者都有一些研究。國內(nèi)對(duì)競爭失效加速試驗(yàn)的研究起步比較晚，研究成果相對(duì)較少。茆詩松等［26］對(duì)指數(shù)分布場合下具有競爭失效機(jī)理產(chǎn)品的簡單步進(jìn)應(yīng)力加壽命試驗(yàn)的失效建模進(jìn)行了研究。張志華［27］，王炳興等［28］，高偉等［29］也都做了一些研究。近幾年，譚源源［30］基于裝備整機(jī)各失效模式相互獨(dú)立的假設(shè)基礎(chǔ)上，研究了恒加試驗(yàn)和步進(jìn)試驗(yàn)競爭失效建模方法，張祥坡［31］針對(duì)競爭失效模式獨(dú)立、相關(guān)兩種情況下，基于Copula模型研究了軸承加速試驗(yàn)失效建模方法。

2.2 基于多源信息融合的貯存壽命預(yù)測(cè)

當(dāng)前普遍采用的可靠性信息融合的方法主要有Bayes方法，信息熵方法，模糊積分方法，D-S證據(jù)推理方法等［32］，其中Bayes方法應(yīng)用較為廣泛。

Bayes理論在1763年由Thomas Bayes提出，但直到20世紀(jì)50年代，經(jīng)過Jeffreys，Savage，Bergers.J.O等多位學(xué)者不斷完善才引起重視，1982年Martz和 Walter的專著“Bayesian Reliability Analysis”，系統(tǒng)介紹了Bayes理論在可靠性分析中的應(yīng)用，奠定了Bayes理論在可靠性評(píng)估中的重要地位。Pate-Cornell［33］，Coolen［34］，Bilal［35］等學(xué)者對(duì)專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的收集、整理和合理利用進(jìn)行了相關(guān)研究。Martz［36］提出了經(jīng)驗(yàn)Bayes思想，對(duì)存在一定量的歷史數(shù)據(jù)的情況，能減少過多主觀因素，并將歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合作出統(tǒng)計(jì)推斷。Erto［37］，Arturo［38］等學(xué)者利用常見的先驗(yàn)信息類型，分別對(duì)不同壽命分布類型的可靠性評(píng)估進(jìn)行了研究。

國內(nèi)周源泉等［39-41］在Bayes基礎(chǔ)理論研究方面做了大量工作，韓明［42］，張士峰等［43］，余文波等［44］分別對(duì)位置-尺度參數(shù)模型，含有屏蔽壽命數(shù)據(jù)，無失效數(shù)據(jù)的可靠性評(píng)估進(jìn)行了研究。在融合當(dāng)前退化信息和歷史信息方面，羅陽等［45］，蔡忠義等［46］，王小林等［47］，彭寶華等［48］進(jìn)行了相關(guān)研究。

Bayes理論應(yīng)用中，先驗(yàn)分布的確定是關(guān)鍵。有研究對(duì)實(shí)際應(yīng)用方法的具體確定做了判斷［49］，認(rèn)為在有理由確定原始數(shù)據(jù)服從某一分布時(shí)，宜用自助方法，否則不采用自助方法，這實(shí)際上是放棄了一部分主觀經(jīng)驗(yàn)；當(dāng)我們不能確定原始數(shù)據(jù)服從哪一分布時(shí)，宜采用隨機(jī)加權(quán)法；需要分布密度函數(shù)時(shí)，建議采用共軛先驗(yàn)分布；當(dāng)存在多種形式的先驗(yàn)信息時(shí)，可以采用最大熵先驗(yàn)分布。龍兵等［50］在研究Lomax分布形狀參數(shù)的先驗(yàn)分布分別為共軛先驗(yàn)分布和Jeffreys先驗(yàn)時(shí)，從均值和均方誤差兩方面對(duì)幾個(gè)估計(jì)值比較，結(jié)果表明如果沒有充分的先驗(yàn)信息，無法得到超參數(shù)較為準(zhǔn)確的估計(jì)時(shí)，認(rèn)為應(yīng)優(yōu)先使用Jeffreys先驗(yàn)。

仿真方法的應(yīng)用簡化了Bayes可靠性評(píng)估很多的計(jì)算難題，很多學(xué)者也通過比較研究各類方法，力圖使得結(jié)果精度更高，計(jì)算更簡便。李文麗等［51］對(duì)比研究了偽壽命下和隨機(jī)系數(shù)法得到的可靠度函數(shù)曲線，認(rèn)為隨機(jī)系數(shù)法得到的可靠度函數(shù)具有更高的精度。鄢偉安等［52］基于Linex損失函數(shù)，研究了Weibull壽命分布參數(shù)，可靠度函數(shù)及失效率函數(shù)的一致最小方差無偏估計(jì)、Bayes估計(jì)及經(jīng)驗(yàn)Bayes估計(jì)，并證明了經(jīng)驗(yàn)Bayes估計(jì)的漸進(jìn)最優(yōu)性。

2.3 整機(jī)加速試驗(yàn)

國內(nèi)，整機(jī)加速貯存試驗(yàn)研究應(yīng)用仍處于探索階段，有多位可靠性方面的專家分析了發(fā)展方向和可能的方法，但對(duì)具體模型和方法缺少深入研究。李久祥等［55-56］認(rèn)為整機(jī)失效，首先應(yīng)從薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生，只要確定了整機(jī)薄弱環(huán)節(jié)壽命，就確定了整機(jī)的壽命，并分析了整機(jī)加速貯存試驗(yàn)工作程序。李海波等［57］認(rèn)為整機(jī)或全彈級(jí)加速貯存試驗(yàn)技術(shù)，工程試驗(yàn)評(píng)估和統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估相結(jié)合的貯存可靠性分析方法以及導(dǎo)彈的加速貯存試驗(yàn)技術(shù)與工程應(yīng)用是國內(nèi)未來的研究方向。林震等［58］探索性提出了整機(jī)產(chǎn)品加速貯存試驗(yàn)的3種方法：轉(zhuǎn)化法，性能參數(shù)退化法，利用可靠性增長理論等。

近幾年，國內(nèi)出現(xiàn)了少許研究整機(jī)級(jí)產(chǎn)品加速試驗(yàn)的報(bào)道，應(yīng)用對(duì)象集中在導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)等彈上設(shè)備以及電子整機(jī)產(chǎn)品。李同來等［59］首次提出并完成了某引俄導(dǎo)彈液體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)加速退化試驗(yàn)，以6枚到壽產(chǎn)品為樣本，給出是否能延壽8年的結(jié)論。李祥臣等［60］基于薄弱環(huán)節(jié)失效機(jī)理分析，提出了材料、部組件和整機(jī)層層遞進(jìn)的加速退化試驗(yàn)方案，以及基于物理化學(xué)老化和使用載荷驗(yàn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)加速試驗(yàn)一體化設(shè)計(jì)方法。張生鵬等［61］利用元器件材料級(jí)產(chǎn)品的加速退化經(jīng)驗(yàn)，提出了電子整機(jī)產(chǎn)品的加速退化試驗(yàn)方法，并根據(jù)整機(jī)在自然貯存和加速應(yīng)力兩個(gè)條件下失效概率相等原則計(jì)算加速退化試驗(yàn)時(shí)間。伏洪勇等［62］以最薄弱環(huán)節(jié)選用合適的性能退化加速模型計(jì)算加速因子，分析失效機(jī)理，據(jù)此進(jìn)行電子學(xué)整機(jī)設(shè)備加速退化試驗(yàn)。譚源源［30］研究了整機(jī)加速試驗(yàn)的機(jī)理模型、統(tǒng)計(jì)分析、一致性分析及融合評(píng)估、優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題，對(duì)裝備貯存壽命評(píng)估的整機(jī)加速試驗(yàn)理論和方法進(jìn)行了探索。

綜上，目前國內(nèi)整機(jī)加速試驗(yàn)的理論研究和工程應(yīng)用上都處于探索階段，基本按照分析確定整機(jī)薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行失效模式和機(jī)理分析，按照單一失效模式，簡化為元器件材料級(jí)的加速退化試驗(yàn)的思路進(jìn)行研究的。

3 結(jié)論

綜上所述，在基于競爭失效的貯存壽命預(yù)測(cè)模型構(gòu)建，基于多源信息融合的貯存壽命預(yù)測(cè)和整機(jī)加速試驗(yàn)等方面，研究應(yīng)用對(duì)象廣泛，方法多樣，但專門針對(duì)整機(jī)級(jí)以上裝備進(jìn)行研究的相對(duì)還較少，但其中很多具體思路和方法，仍然具有較高的借鑒意義。

在裝備貯存延壽軍事需求的牽引下，研究貯存延壽試驗(yàn)技術(shù)以更好地服務(wù)于貯存延壽工程實(shí)踐是一個(gè)現(xiàn)實(shí)而又緊迫的課題，已然成為貯存延壽理論研究和工程應(yīng)用中的熱點(diǎn)，也是重難點(diǎn)。從現(xiàn)階段研究情況來看，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行更深入的研究：

1）可以研究考慮加速試驗(yàn)在整機(jī)級(jí)以上產(chǎn)品應(yīng)用中的功能定位，達(dá)到既推動(dòng)理論研究，又利于工程推廣應(yīng)用。一是繼續(xù)沿著元器件材料級(jí)加速貯存試驗(yàn)的思路，對(duì)整機(jī)級(jí)裝備進(jìn)行加速試驗(yàn)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推斷，進(jìn)而預(yù)測(cè)貯存壽命，采取相應(yīng)的延壽措施。二是借鑒俄羅斯整機(jī)產(chǎn)品加速試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)作法。通常只將整機(jī)加速試驗(yàn)作為一種驗(yàn)證性試驗(yàn)。

2）基于競爭失效的貯存壽命預(yù)測(cè)模型構(gòu)建必將是研究整機(jī)級(jí)裝備貯存延壽試驗(yàn)的重要內(nèi)容。整機(jī)級(jí)裝備失效模式多樣，且高可靠長壽命，失效數(shù)據(jù)樣本量有限，可以研究如何更精準(zhǔn)定量確定主要失效模式；描述多失效模式相關(guān)性方法較多，Copula模型對(duì)二元性能退化建模已取得一些成果，如何將其擴(kuò)展到加速試驗(yàn)需要進(jìn)一步探索。

3）貯存壽命預(yù)測(cè)，如何融合來自多階段（整機(jī)級(jí)裝備從立項(xiàng)研制、定型試驗(yàn)、批量生產(chǎn)直至貯存使用），多類型（性能退化，失效時(shí)間數(shù)據(jù)等），多來源（自然貯存，平行貯存和加速試驗(yàn)等）的可靠性信息，進(jìn)而提高預(yù)測(cè)精度，始終是研究的重點(diǎn)。

4）基于競爭失效的整機(jī)加速試驗(yàn)，單應(yīng)力加速試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及統(tǒng)計(jì)分析方法都需要進(jìn)一步研究，在此基礎(chǔ)上，可以探索多應(yīng)力的加速試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析研究。當(dāng)將整機(jī)加速試驗(yàn)作為預(yù)測(cè)壽命值的驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，整機(jī)級(jí)裝備貯存剖面、自然貯存環(huán)境譜編制、主要失效模式的定量確定以及加速應(yīng)力類型的優(yōu)化分析等問題都值得深入探究；編制加速試驗(yàn)譜，需要研究整機(jī)加速因子，而基于短板理論的整機(jī)級(jí)產(chǎn)品貯存壽命最終是由其最短壽命的單一失效模式的元器件決定，這往往影響預(yù)測(cè)精度，是否可以考慮利用整機(jī)的各類元器件或部組件可用的加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以上問題是未來該領(lǐng)域研究的重要方面。

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