基于使用過程的艦載機機載導(dǎo)彈電氣整機加速壽命試驗方法研究

楊志宏 狄鵬 范曄 陳津虎

摘 要： 隨著使用要求的提升，艦載機機載導(dǎo)彈面臨著在岸基貯存與上艦值班任務(wù)交叉融合下長期使用的要求。本文以艦載機機載導(dǎo)彈電氣整機設(shè)備為研究對象，分析了艦載機機載導(dǎo)彈使用過程中的環(huán)境特點，構(gòu)建了整機在綜合應(yīng)力下的加速模型，設(shè)計了基于使用過程的加速壽命試驗剖面，提出了相應(yīng)的加速壽命試驗方法。以某慣導(dǎo)模塊整機為例，加速驗證了該整機的使用過程，并成功激發(fā)了該整機的性能退化，驗證了所提方法的有效性。

關(guān)鍵詞：艦載機；機載導(dǎo)彈；電氣整機；加速壽命試驗；加速模型

中圖分類號： TJ760.6；V216.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5048（2022）05-0083-05

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0075

0 引? 言

與其他機載導(dǎo)彈相比，艦載機機載導(dǎo)彈面臨著岸基貯存、上艦值班交替使用的情況，全壽命周期的過程履歷更加復(fù)雜。目前常用的壽命驗證方法是自然貯存試驗或加速貯存試驗，加速貯存試驗相對自然貯存試驗?zāi)軌蛟谳^短時間內(nèi)給出裝備壽命評估結(jié)論，逐步成為壽命評估的重要途徑之一［1-5］。但傳統(tǒng)的加速貯存試驗一般僅針對失效模式單一的元器件、部件，且只考慮單一的溫度應(yīng)力［6-12］，對于包含多種失效模式的復(fù)雜整機設(shè)備、復(fù)雜任務(wù)過程多應(yīng)力綜合工況的使用壽命剖面，目前開展的研究不多［13］，尚沒有能夠有效評估驗證長期實戰(zhàn)使用壽命指標(biāo)的加速試驗方法。

面對艦載機機載導(dǎo)彈裝備在復(fù)雜服役過程中的使用壽命評估驗證的需求，本文以艦載機機載導(dǎo)彈電氣整機為研究對象，開展基于使用過程的加速壽命試驗技術(shù)研究，從艦載機機載導(dǎo)彈裝備的使用環(huán)境分析著手，研究導(dǎo)彈電氣整機設(shè)備在復(fù)雜過程應(yīng)力下的加速模型和加速試驗剖面設(shè)計方法，為艦載機機載導(dǎo)彈實際使用條件下的使用壽命評估與驗證提供新思路、新方法。

1 艦載機機載導(dǎo)彈使用過程環(huán)境分析

艦載機機載導(dǎo)彈的使用過程主要可分為岸基貯存階段與上艦值班階段。

岸基貯存階段，導(dǎo)彈存放于技術(shù)陣地庫房中且?guī)в邪b箱，貯存條件較好，受濕度的影響較小，主要受溫度的長時間影響而發(fā)生老化。此外，導(dǎo)彈還會經(jīng)歷一定的運輸環(huán)境。

上艦值班階段，一般可歸結(jié)為艦船駐泊狀態(tài)與艦船巡航狀態(tài)。艦船駐泊期間，導(dǎo)彈處于包裝箱中貯存狀態(tài)，主要受溫濕度環(huán)境的影響，由波浪等引起艦船振動量級較小，可忽略不計。艦船巡航期間，導(dǎo)彈主要處于艦上貯存狀態(tài)與掛機狀態(tài)。艦上貯存狀態(tài)下，導(dǎo)彈處于包裝箱中，主要受艦船上的溫濕度環(huán)境影響，艦船振動的影響相比掛機飛行振動的影響可忽略不計。掛機狀態(tài)下，導(dǎo)彈主要受溫濕度、掛機飛行振動、著艦沖擊等環(huán)境影響。故導(dǎo)彈在艦船巡航期間，主要承受溫濕度、掛機飛行振動、著艦沖擊等環(huán)境的影響。

綜上，艦載機機載導(dǎo)彈在岸基貯存階段中主要受溫度影響， 在上艦值班階段中主要受溫濕度、 掛飛振動應(yīng)力影響，在加速壽命試驗中主要對高溫應(yīng)力、掛飛振動應(yīng)力進(jìn)行加速，對低溫、濕度、通電檢測等應(yīng)力進(jìn)行模擬。

針對一種失效模式，各應(yīng)力間的關(guān)系可能為相互獨立、促進(jìn)或抑制。應(yīng)力間相互獨立時，耦合項φ（AZij）=1，在第一種應(yīng)力對基本失效率加速后，后一應(yīng)力對前一應(yīng)力加速后的失效率進(jìn)行加速，以此類推得到各應(yīng)力的加速因子間為相乘關(guān)系；應(yīng)力間相互促進(jìn)時，耦合項φ（AZij）>1；應(yīng)力間相互抑制時，耦合項φ（AZij）<1。φ（AZij）的求解可通過多種應(yīng)力水平加速試驗數(shù)據(jù)分析獲得。失效機理的研究表明，溫度循環(huán)與振動間存在相互關(guān)聯(lián)情況，高溫應(yīng)力與振動間關(guān)聯(lián)性不明顯，結(jié)合艦載機機載導(dǎo)彈使用過程中的實際情況，高溫應(yīng)力和振動應(yīng)力之間可認(rèn)為相互獨立，無相互耦合關(guān)系，即認(rèn)為φ（AZij）=1。

2.2 基于使用過程的加速壽命試驗剖面設(shè)計

在艦載機機載導(dǎo)彈使用過程環(huán)境分析及整機加速模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計艦載機機載導(dǎo)彈電氣整機的加速壽命試驗剖面。在加速試驗剖面中，主要考慮針對岸基貯存階段進(jìn)行高溫加速、運輸振動模擬、低溫環(huán)境模擬、通電檢測模擬等，針對上艦值班階段進(jìn)行高溫加速、掛飛振動加速、低溫環(huán)境模擬、濕度環(huán)境模擬、通電檢測模擬等。

2.2.1 加速壽命試驗剖面設(shè)計要素確定

分別確定岸基貯存階段、艦船駐泊階段與艦船巡航階段的試驗剖面設(shè)計要素。

（1） 岸基貯存階段：岸基貯存環(huán)境溫度T01及貯存時間t01、岸基貯存高溫加速應(yīng)力量級TS1及試驗時間tTS1、運輸振動量級V01及試驗時間tV01、低溫應(yīng)力量級TL1及試驗時間tTL1、通電測試節(jié)點。

（2） 艦船駐泊階段：艦船駐泊環(huán)境溫度T02及駐泊時間t02、艦船駐泊高溫加速應(yīng)力量級TS2及試驗時間tTS2、低溫應(yīng)力量級TL2及試驗時間tTL2、濕度應(yīng)力量級RH2、通電測試節(jié)點。

（3） 艦船巡航階段：艦船巡航環(huán)境溫度T03及巡航時間t03、艦船巡航高溫加速應(yīng)力量級TS3及試驗時間tTS3、掛飛振動應(yīng)力量級V03及振動時間tV03、掛飛振動加速應(yīng)力量級VS3及試驗時間tVS3、低溫應(yīng)力量級TL3及試驗時間tTL3、濕度應(yīng)力量級RH3、著艦沖擊量級S3及沖擊次數(shù)n3、通電測試節(jié)點。

以上設(shè)計要素中加速應(yīng)力量級的選取，包括高溫加速應(yīng)力與掛飛振動加速應(yīng)力，應(yīng)確保不改變產(chǎn)品的失效機理。

加速前的環(huán)境應(yīng)力量級及其作用時間的確定，包括岸基貯存環(huán)境溫度及時間、艦船駐泊環(huán)境溫度及時間、艦船巡航環(huán)境溫度及時間等。優(yōu)先采用環(huán)境實測值進(jìn)行確定，若無實測值可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)要求、相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)等進(jìn)行確定。

確定了加速應(yīng)力量級、加速前的應(yīng)力量級及作用時間后，即可根據(jù)相應(yīng)的加速模型，計算相應(yīng)的加速因子，從而得出加速應(yīng)力量級的試驗時間tTS1，tTS2，tTS3，tVS3等。

模擬應(yīng)力量級及試驗時間的選取，包括運輸振動量級及試驗時間、低溫應(yīng)力量級及試驗時間、濕度應(yīng)力量級、著艦沖擊量級及沖擊次數(shù)等。優(yōu)先采用環(huán)境實測值進(jìn)行確定，若無實測值可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)要求、相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)等進(jìn)行確定。模擬應(yīng)力量級及試驗時間難以確定時，如庫房空調(diào)故障時可能遇到的低溫環(huán)境，其應(yīng)力量級及試驗時間可適當(dāng)進(jìn)行加嚴(yán)。濕度應(yīng)力量級可根據(jù)實測數(shù)據(jù)，從嚴(yán)取大值。此外，在艦船巡航階段，導(dǎo)彈可能處于艦上貯存狀態(tài)或掛機狀態(tài)，兩種狀態(tài)下濕度環(huán)境不同，則從嚴(yán)取其中較大者作為艦船巡航階段的濕度應(yīng)力量級RH3。

通電測試模擬根據(jù)產(chǎn)品在岸基貯存、上艦值班期間規(guī)定的通電檢測節(jié)點，在加速試驗剖面中等效的時間點進(jìn)行模擬。

2.2.2 加速壽命試驗剖面綜合設(shè)計

確定了各階段加速壽命試驗剖面設(shè)計要素后，對艦載機機載導(dǎo)彈電氣整機加速壽命試驗剖面進(jìn)行綜合設(shè)計。從加速壽命試驗剖面中劃分出3類小循環(huán)：（1）岸基貯存循環(huán)；（2）艦船駐泊循環(huán)；（3）艦船巡航循環(huán)。

各小循環(huán)的周期以產(chǎn)品通電檢測周期為一個循環(huán)進(jìn)行設(shè)計，每個小循環(huán)中包含各自壽命階段的試驗應(yīng)力要素。每個小循環(huán)中先施加低溫模擬應(yīng)力，再進(jìn)行高溫應(yīng)力加速，期間對濕度環(huán)境進(jìn)行模擬，掛飛振動應(yīng)力按單次掛飛任務(wù)時間間隔施加，著艦沖擊在每次掛飛振動后施加，最后進(jìn)行通電檢測模擬。

在整機加速壽命試驗剖面的施加順序上，考慮艦載機機載導(dǎo)彈的實際使用過程，一般先進(jìn)行產(chǎn)品的運輸振動，再進(jìn)行岸基貯存，然后根據(jù)具體任務(wù)情況交替進(jìn)行艦船駐泊、艦船巡航及岸基貯存小循環(huán)?；谑褂眠^程的加速壽命試驗剖面示意圖如圖2所示。

3 案例分析

以某型導(dǎo)彈慣導(dǎo)模塊整機為對象，設(shè)計開展基于使用過程的加速壽命試驗。該慣導(dǎo)模塊整機主要包括慣性器件、電源組件、電路板三個組成部分。

對于岸基貯存階段，根據(jù)導(dǎo)彈岸基貯存環(huán)境條件，岸基貯存環(huán)境溫度T01統(tǒng)一取為20 ℃，岸基貯存壽命為t01，高溫加速應(yīng)力TS1選取為70 ℃，根據(jù)慣導(dǎo)模塊整機的激活能0.626 eV，計算得到慣導(dǎo)模塊整機在70 ℃下的加速因子為37.13，則岸基貯存高溫加速試驗時間tTS1= t01/37.13。對于岸基貯存階段可能遇到的低溫模擬，根據(jù)產(chǎn)品要求及相關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)加嚴(yán)考核，確定為低溫-40 ℃持續(xù)24 h。此外，岸基貯存階段考核前，先按照產(chǎn)品的運輸里程要求進(jìn)行相應(yīng)的運輸振動試驗。

對于艦船駐泊階段，采用高溫加速的方式。艦船駐泊環(huán)境溫度T02統(tǒng)一取為20 ℃，艦船駐泊時間為t02，高溫加速應(yīng)力TS2選取為70 ℃，根據(jù)慣導(dǎo)模塊整機的激活能0.626 eV，計算得到慣導(dǎo)模塊整機在70 ℃下的加速因子為37.13，則艦船駐泊高溫加速試驗時間tTS2= t02/37.13。濕度模擬條件取為90%。對于艦船駐泊階段可能遇到的低溫環(huán)境模擬，由于無相關(guān)實測值及技術(shù)要求，根據(jù)GJB1060.2《艦船環(huán)境條件要求-氣候環(huán)境》中提供的1%風(fēng)險率的海面低溫極值，取模擬的極端低溫為-34 ℃，持續(xù)時間定為24 h。

對于艦船巡航階段，采用高溫與振動綜合加速的方式。根據(jù)艦船巡航期間環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，環(huán)境溫度的平均值約為20 ℃，故將艦船巡航環(huán)境溫度T03取為20 ℃，艦船巡航時間為t03，高溫加速應(yīng)力TS3選取為70 ℃。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)已知慣性器件的激活能為0.6 eV，電源組件

為0.48 eV，電路板為0.53 eV，則慣性器件的高溫加速因子為31.95，電源組件為16，電路板為21.3。對掛飛振動應(yīng)力進(jìn)行加速，加速后振動應(yīng)力的功率譜密度為原來的2倍，折算系數(shù)根據(jù)GJB150A取為4，則掛飛振動加速因子為16。該慣導(dǎo)模塊整機的相關(guān)失效模式分析如表1所示，表中λij（i=1， 2， 3；j=1， 2）為實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計值。

根據(jù)該慣導(dǎo)模塊中各個部件的高溫加速因子、振動加速因子及失效率信息，通過式（8）計算各個失效模式在加速應(yīng)力下的失效率：失效模式Y(jié)1的失效率λA1=λ11×31.95×16；失效模式Y(jié)2的失效率λA2=λ12×31.95；失效模式Y(jié)3的失效率λA3=λ21×16×16；失效模式Y(jié)4的失效率λA4=λ22×16；失效模式Y(jié)5的失效率λA5=λ31×16；失效模式Y(jié)6的失效率λA6=λ32×21.3×16。根據(jù)實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由式（8）可得慣導(dǎo)模塊整機的加速因子為254，則高溫與振動綜合應(yīng)力加速試驗時間tTS3= t03/254。

對于艦船巡航階段可能遇到的低溫環(huán)境與濕度環(huán)境模擬方式，與艦船駐泊階段相同，著艦沖擊應(yīng)力根據(jù)實際條件確定。

根據(jù)前文確定的加速壽命試驗剖面，對該慣導(dǎo)模塊整機共進(jìn)行了2個循環(huán)的岸基貯存、2個循環(huán)的艦船駐泊和2個循環(huán)的艦船巡航試驗。試驗期間在規(guī)定的測試節(jié)點對該慣導(dǎo)模塊整機進(jìn)行通電測試，測試結(jié)果如圖3所示。圖中，橫坐標(biāo)各序號分別為試驗前、運輸振動后、庫房貯存第1個循環(huán)后、庫房貯存第2個循環(huán)后、艦船駐泊第1個循環(huán)后、艦船駐泊第2個循環(huán)后、艦船巡航第1個循環(huán)后、艦船巡航第2個循環(huán)后的測試序號。

由測試結(jié)果可見，該慣導(dǎo)模塊整機的速度增量隨機漂移量及角速度增量隨機漂移量，均呈現(xiàn)逐漸增大的退化趨勢，由此可證明該加速壽命試驗方法有效激發(fā)了慣導(dǎo)模塊整機的性能退化，與產(chǎn)品實際的性能退化趨勢相符合，說明該方法可有效地加速模擬艦載機機載導(dǎo)彈的使用過程。

4 總? 結(jié)

本文開展了基于使用過程的艦載機機載導(dǎo)彈電氣整機加速壽命試驗方法研究，主要工作及結(jié)論如下：

（1） 通過電氣整機多失效模式分析，以電氣整機各組成部分在綜合加速應(yīng)力下的失效率、加速因子等信息為基礎(chǔ)，利用各失效模式間的耦合關(guān)系，構(gòu)建了整機在溫度、振動綜合應(yīng)力下的加速模型；

（2） 根據(jù)艦載機機載導(dǎo)彈的實際使用過程，設(shè)計了由岸基貯存循環(huán)、艦船駐泊循環(huán)與艦船巡航循環(huán)組成的加速壽命試驗剖面。該試驗剖面可依據(jù)艦載機機載導(dǎo)彈的實際使用過程需求進(jìn)行靈活調(diào)整，以更加符合各種不同類型、不同任務(wù)需求的艦載機機載導(dǎo)彈的使用過程。

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Research on Accelerated Life Test Method for Electrical Assembly

Device of Carrier-Borne Aircraft Missile Based on? Use Process

Yang Zhihong1， 2， Di Peng1*， Fan Ye3， Chen Jinhu3

（1. Department of Management Engineering and Equipment Economics，Naval University of Engineering， Wuhan 430033，China；

2. Naval Equipment Department，Beijing 100841，China；

3. Beijing Institute of Structure and Environment Engineering，Beijing 100076，China）

Abstract： With the rise of use requirements， carrier-borne aircraft missile is facing the problem of long-term use under the blend of storage on land and on-board duty tasks. Taking the electrical assembly device of carrier-borne aircraft missile as the research object， the environmental characteristics of electrical assembly device of carrier-borne aircraft missile in the use process is analyzed， the accelerated model of assembly device under combined stress is established， the section of accelerated life test based on use process is designed， and the corresponding method of accelerated life test is proposed. Taking an inertial navigation module as an example， the use process is accelerated and verified， and the performance degradation of the equipment is successfully stimulated， which verifies the effectiveness of the proposed method.

Key words： carrier-borne aircraft；airborne missile；electrical assembly device；accelerated life test；accelerated model

收稿日期：2022-04-16

基金項目：國防科技創(chuàng)新特區(qū)項目（19-H863-05-ZD-013-001-02）；

裝備預(yù)研共用技術(shù)項目（50902020202）

作者簡介：楊志宏（1980-），男，湖南益陽人，碩士研究生。

通信作者：狄鵬（1979-），男，山東淄博人，碩士生導(dǎo)師。