一種綜合加速試驗譜構建方法研究

李迪凡，李澤華，李景育,2，楊萬均，龍仕騰,2，羅來正,2

（1.中國兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039；2.海南萬寧大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，海南 571522）

引言

電子設備類在貯存和運輸過程中，不可避免的受到環(huán)境因素特別是溫濕度和振動的影響，大量研究結果表明溫濕度和振動是影響設備結構、功能甚至壽命的重要因素，據(jù)統(tǒng)計由這些因素引起的故障占設備總故障數(shù)的75 %。目前對于這類產品的考核方式主要有自然環(huán)境試驗和實驗室加速試驗兩類，自然環(huán)境試驗能較真實可靠的反映產品所受歷程，但具有試驗時間長的缺點，而實驗室加速試驗能夠縮短試驗和評價的周期，但往往只強化單一環(huán)境因素，不能模擬其真實綜合環(huán)境效應，且容易造成“過試驗”和“欠試驗”，目前所開展的溫濕度加速試驗大部分是按照既定的程序和標準如GJB 150.9A進行，而在GJB 150.9A中明確規(guī)定“本試驗不能重現(xiàn)與自然環(huán)境相關的所有濕度的影響，也不能重現(xiàn)與低濕度環(huán)境相關的濕度影響，本試驗不能重現(xiàn)復雜的溫濕度環(huán)境，而是提供一個通用應力環(huán)境以暴露裝備可能出現(xiàn)的問題”。可見按照現(xiàn)有標準開展的溫濕度加速試驗，不能真實再現(xiàn)產品自然環(huán)境效應，達不到等效評價試驗效果，因此如何將產品貯存運輸環(huán)境譜轉化為具有等效效果的實驗室模擬加速試驗譜，對產品的考核與驗證具有越來越重要的意義。我國針對自然環(huán)境譜與實驗室加速試驗譜開展了相當多的研究，獲得了依托較為完備如氣象資料編制自然環(huán)境譜的方法等各類環(huán)境譜的編制方法，王艷艷等研究了自然環(huán)境譜轉化為加速試驗環(huán)境譜的方法，但所開展的研究對溫濕度如何轉化描述較少，加速試驗譜正確性缺乏依據(jù)[1-9]。

本文在參照相應方法的基礎上，利用電子設備運輸和貯存實測試驗數(shù)據(jù)為基礎，運用等環(huán)境當量轉化方法，提煉出了一套較為完整的數(shù)據(jù)處理和轉化方法，并用橡膠樣品對試驗譜進行了試驗驗證。

1 溫濕度加速試驗譜構建方法

分析貯存環(huán)境溫濕度試驗數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)溫濕度的晝日變化規(guī)律近似或類似呈正余弦函數(shù)變化，溫度是從物體的高溫部分向低溫部分傳遞，所以溫度建模遵守熱力學熱傳導傅里葉定律，濕度傳遞主要是以擴散方式進行，而大多數(shù)擴散行為都遵循熱傳導傅里葉定律，因此溫度和濕度模型在結構上相同。本方法是基于實測環(huán)境溫濕度試驗數(shù)據(jù)基礎上，利用等環(huán)境當量方法，通過構建溫濕度模型，確定應力值及上限和試驗時間后，建立加速試驗譜。

1.1 試驗條件參數(shù)設計

分析貯存環(huán)境條件溫濕度數(shù)據(jù)，參考GJB 8894 《自然環(huán)境因素測定方法》，可以對溫濕度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計獲得相應的環(huán)境因素量值。

1.2 構建自然環(huán)境“溫度-濕度-時間”試驗模型

歸納自然貯存溫度數(shù)據(jù)，獲取溫度應力剖面，通過分析自然溫度的溫差來設計加速貯存試驗溫度變化的幅度，利用模型進行等效溫度應力下的時間刻度求取利用正弦函數(shù)擬合數(shù)據(jù)。

構建自然環(huán)境“溫度-濕度-時間”試驗弦函數(shù)，由于溫度和濕度可耦合形成連續(xù)的n個應力水平，且有“溫度-時間”與“濕度-時間”互為正余弦函數(shù)關系，自然環(huán)境“溫度-時間”試驗弦函數(shù)如式（1）：

式中：

TZ—各時刻溫度值；

Tmax—溫度最大值；

Tmin—溫度最小值；

Z—自然時刻。自然環(huán)境“濕度-時間”試驗弦函數(shù)如式（2）：

式中：

HZ—各時刻濕度值；

Hmax—濕度最大值；

Hmin—濕度最小值。

1.3 構建加速貯存試驗函數(shù)

采用經(jīng)驗分布函數(shù)的方法構造得到“溫度-時間”和“濕度-時間”變化曲線，保持波動幅度不變，保持形狀參數(shù)不變，通過分析全年的自然貯存環(huán)境譜，先求得其在自然貯存環(huán)境下一個試驗周期（1年）內的日均溫度變化幅值，如：

△T自然=Tmax自然-Tmin自然=10.2 K

為保持機理不變，取整為10 K，設定加速貯存試驗變化幅值（即Tmax-Tmin）亦為：

△T加速=Tmax加速-Tmin加速=10 K

同理，設定加速貯存試驗濕度變化幅值為△H加速=Hmax-Hmin=22 %。

1.4 確定溫濕度試驗應力中位值及上限

借鑒目前國內外電子元器件常用加速試驗溫度經(jīng)驗，最高溫度不超過80 ℃，而實測的停放環(huán)境下設備最高局部溫度為73 ℃。

綜合以上分析，選取的溫度應力上限由實測溫度73 ℃，按照溫度的±2 ℃冗余設計，可設定上限75 ℃；濕度依據(jù)試驗不直接凝露的原則可設為上限不超過95 RH%。

1.5 加速試驗函數(shù)確定

然后強化加速貯存試驗溫度（應力）中位值為343 K，則構建出的加速貯存試驗的“溫度-時間”函數(shù)式（3）：

式中：

Tj—各時刻加速試驗溫度值；

Tmid—加速試驗溫度中位值，為343 K；

j—加速試驗時刻。

同理，強化加速試驗濕度（應力）中位值為80 %，則構建加速貯存試驗的濕度-時間函數(shù)式（4）：

式中：

Hj—各時刻加速試驗濕度值；

Hmid—加速試驗濕度中位值。

于是，根據(jù)本實施例構建一個24（小時）節(jié)點的日循環(huán)加速貯存試驗周期試驗參數(shù)（見表1），該參數(shù)對應的加速貯存試驗“溫度-時間”試驗曲線見圖1（a），對應的加速貯存試驗“濕度-時間”試驗曲線見圖1（b）。

表1 構建的日循環(huán)加速貯存試驗周期試驗參數(shù)

1.6 試驗周期

理論試驗總時間t按照循環(huán)次數(shù)設定，考慮到設計余量，結合自然貯存的存儲年限，根據(jù)“溫度-濕度-時間”函數(shù)式，利用溫度、濕度的耦合規(guī)律函數(shù)模型確定加速貯存試驗時間tj總時長。試驗時間可按以下公式估算：

式中：

e—自然常數(shù)；

tZ—自然時段（tZ＝1*365天*24 h=8 760 h）。

則由此可推算出循環(huán)數(shù)為30，試驗環(huán)境剖面見圖1所示。

圖1 戶外等環(huán)境當量加速試驗單次循環(huán)剖面示意圖

2 振動加速試驗譜構建方法

2.1 實測數(shù)據(jù)處理方法

振動頻譜處理方法只是將振動時域數(shù)據(jù)轉為用功率譜密度函數(shù)表達的頻譜數(shù)據(jù)，接下來，還需要對多個樣本的振動頻譜數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，給出能具有一定覆蓋性的包絡線，將包絡線按不同頻段劃分后處理為振動規(guī)范譜。具體分析處理步驟如下：

首先，將獲取的車輛不同位置、不同路面類型、不同行駛速度的多個振動數(shù)據(jù)樣本的PSD曲線合并歸納成一條PSD曲線。

其次，對應于每個車輛位置的x、y、z軸，繪制所有路面類型所有速度的PSD包絡線的疊加圖，以及疊加圖的包絡線。

最后，參照GJB/Z 126-99《振動、沖擊環(huán)境測量數(shù)據(jù)歸納方法》中對最終得到的PSD包絡線進行頻段劃分，然后采用統(tǒng)計分析方法對頻段內PSD平直譜進行估計，得到車輛隨機振動規(guī)范譜Gk。

獲取的振動環(huán)境數(shù)據(jù)一般為時域數(shù)據(jù)，而振動環(huán)境試驗時多用頻譜控制，因此，測量獲得數(shù)據(jù)首先需要進行頻譜分析處理，轉化成用功率譜函數(shù)描述的振動試驗條件。

在分析處理振動數(shù)據(jù)時，對較為平穩(wěn)的隨機振動數(shù)據(jù)可通過功率譜密度分析進行頻譜轉化。隨機振動在頻率域用功率譜密度函數(shù)來描述。對給定時間長度為T的平穩(wěn)隨機振動記錄x(t)，其功率譜密度（或稱自譜密度）?轉換見式（5）：

式中：

設備在運輸過程中會經(jīng)歷各種不同的路面，不同速度振動情況，文中以設備按40 km/h在鋪面路行駛為例說明實測數(shù)據(jù)轉化方法。

振動信號采樣頻率為2 048 Hz，分析頻率為500 Hz，頻率分辨率為1 Hz。每個方向作為一個域，單獨設計一個條件，根據(jù)相關設計規(guī)范，當樣本數(shù)大于13時，采用對數(shù)正態(tài)分布假設估計，當樣本數(shù)不大于13時，采用無參數(shù)上限統(tǒng)計估計（最大值包絡）用于試驗的最高期望環(huán)境譜值。功率譜密度和包絡情況如圖2，運輸振動條件見表2。

圖2 鋪面路功率譜密度圖

表2 鋪面路振動環(huán)境

2.2 振動加速試驗譜的轉換

2.2.1 加速運試驗振動量級的確定

加速模擬試驗主要激發(fā)設備的疲勞失效，設備在經(jīng)過可靠性設計后，經(jīng)歷振動載荷時內部應力響應接近疲勞極限，應力循環(huán)次數(shù)為107，為保證加速試驗過程中的失效機理不變，其加速因子應小于100。根據(jù)試驗要求及驗證試驗結果，確定加速因子為10。

典型車載設備公路運輸加速模擬試驗，采取隨機振動試驗模擬。依據(jù)逆冪律模型的失效機理，當部件暴露于穩(wěn)態(tài)動載荷x（t）（周期的或隨機的，其均值為0），均方根為σ（x）之下，其失效所需時間tF可近似用“逆冪律”表述如下：

式中：

b和c—取決于部件類型的常數(shù)。

逆冪律通常用來建立機械和電氣設備與工作載荷作用時間有關的失效模型，它也適用于環(huán)境載荷，包括動態(tài)載荷。如果有兩個譜型相同但均方根值不同的動態(tài)載荷，兩者產生相同的破壞勢所需的暴露時間的關系可由方程（7）得出：

對按自譜定義的隨機振動，方程（8）變?yōu)椋?/p>

對電氣電子元件，根據(jù)逆冪律模型，推薦對所有類型的振動使用b=4，除非有數(shù)據(jù)證明使用其它值是合適的。本次加速試驗的加速因子AF為10，由公式（9）可得：

通過實測規(guī)范譜G1(f)可計算獲得G2(f)。將鋪面路實測譜代入公式（9）獲得鋪面路加速試驗譜如表3。

表3 鋪面路加速振動譜

2.2.2 試驗時間的確定

車輛在行駛過程中，可按照實際路面行駛里程進行比例分配。產品兩年設計行駛里程為2 000 km，其中鋪面路占設計行駛里程的80 %，即S=1 600 km，車輛鋪面路設計行駛時速為V=40 km/h，則所經(jīng)歷鋪面路振動環(huán)境的時間為t=S/V=40 h，鋪面路振動環(huán)境加速模擬試驗試驗時間為t1=t/10=4 h。

3 綜合加速試驗譜

綜合試驗譜是在結合電子產品在運輸和貯存環(huán)境時所遭受的環(huán)境溫度、濕度和振動因素轉化而成，試驗譜主要包括溫濕度加速階段和振動加速階段綜合而成，由于車載設備在實際使用過程中溫度、濕度和振動等因素同時作用，沒有嚴格的先后順序，其主要目的是快速暴露樣品問題，定位薄弱環(huán)節(jié)，因此設計的試驗譜將溫度、濕度和振動因素同時作用于樣品，試驗的剖面如圖3所示，本試驗周期以72 h為一個循環(huán)周期，每個周期結束后，對樣品的性能參數(shù)進行檢測。溫濕度試驗譜如表1的日循環(huán)加速貯存試驗周期試驗參數(shù)，振動試驗譜如表2，不同路面的振動譜。

圖3 試驗剖面示意圖

4 結論

利用電子設備開展了自然環(huán)境貯存及運輸試驗后結果表明，其產生的故障數(shù)量和故障機理基本相同，根據(jù)設計的加速試驗譜加速，自然環(huán)境試驗后出現(xiàn)故障的時間與加速試驗后出現(xiàn)故障時間與試驗譜的倍率基本相對應，二者試驗結果誤差不超過1 %，能夠滿足樣品的加速試驗要求。對于具有快速考核要求的試驗產品，在保證樣品失效機理不變的條件下采用本試驗方法能夠加快試驗進程，極大地縮短了時間；設計的試驗方法具有通用性，可適用于不同地域、不同時間、不同路況、不同速度和不同車型下的電子設備貯運試驗；本文構建的加速試驗方法，試驗結果證明解決了按制定標準開展試驗不能真實反映設備工況環(huán)境的問題，具有實用性，試驗驗證結果與貯存試驗結果一致。