葛 莉, 馬志宏

（1. 空軍航空技術(shù)裝備可靠性辦公室，北京 100024； 2 空軍裝備研究院雷達所，北京 100085）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多高可靠、長壽命的航空電子產(chǎn)品。由于航空電子產(chǎn)品大多造價昂貴且批量少，不可能抽取大量試件來做試驗，因此，對于大多數(shù)高可靠航空產(chǎn)品來說，如果按照傳統(tǒng)的壽命試驗技術(shù)進行評估，即使進行數(shù)年試驗，也可能沒有或只有一、二個失效，而難于在可行的時間內(nèi)完成。

目前備受關(guān)注的加速壽命試驗，是一種經(jīng)濟有效的試驗方法和技術(shù)，可縮短壽命試驗的周期，在短時間內(nèi)獲得產(chǎn)品的壽命信息[1]，進一步加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，從而解決傳統(tǒng)試驗既費錢又費時的問題，縮短裝備的研制周期，節(jié)省試驗費用，使產(chǎn)品獲得高可靠性，因此無論是從型號的研制需求，還是從可靠性試驗技術(shù)的發(fā)展趨勢方面，開展加速壽命試驗技術(shù)的研究工作都勢在必行。

1 加速壽命試驗ALT

從20世紀(jì)50年代，國外就開始對加速壽命試驗（ALT）進行研究，80年代初加速壽命試驗相關(guān)理念才逐漸進入我國，因此國內(nèi)普遍對加速壽命試驗技術(shù)研究起步較晚，有關(guān)理論和方法不夠深入，缺乏系統(tǒng)分析和研究。

傳統(tǒng)環(huán)境模擬試驗是盡可能地模擬任務(wù)剖面的真實環(huán)境，采用設(shè)計裕度來確保產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。加速壽命試驗與環(huán)境模擬試驗的思路正好相反，它采用人為施加環(huán)境應(yīng)力的方法，加速激發(fā)產(chǎn)品潛在的設(shè)計、結(jié)構(gòu)、工藝等缺陷，通過不斷改進產(chǎn)品來達到提高可靠性為目的，因此加速壽命試驗原理是通過高應(yīng)力可靠性指標(biāo)外推正常應(yīng)力的可靠性指標(biāo)。

目前國內(nèi)專家僅在國外已有加速模型和加速試驗方法基礎(chǔ)上進行了一些基礎(chǔ)性研究和試驗工作，真正用于工程實踐的較少。常用的加速壽命試驗?zāi)Ｐ椭饕俏锢砑铀倌Ｐ停峭ㄟ^與失效機理相關(guān)的物理原理推導(dǎo)而成，該類物理模型的數(shù)學(xué)表達形式已知，模型參數(shù)待定，而加速模型中最典型、應(yīng)用最廣的是反應(yīng)速度論模型。其中比較常用的加速模型目前主要有：

1.1 單應(yīng)力Eyring模型，即產(chǎn)品的壽命特征是絕對溫度的函數(shù)，見式(1)：

式中，ξ—壽命特征；

K—波爾茲曼常數(shù)；

T—絕對溫度；

A、B—正常數(shù)。

1.2 逆冪律IPL方程，即壽命特征隨著電應(yīng)力（電壓、電流和功率等）的上升而按負次冪函數(shù)下降，其適用于機械產(chǎn)品和電工產(chǎn)品，見式(2)：

式中，V—應(yīng)力；

n—待定系數(shù)；

A—正常數(shù)。

1.3 Arrhenius方程，即壽命特征隨著溫度的上升而按照指數(shù)函數(shù)規(guī)律下降，其主要適用于電子產(chǎn)品，見式(3)：

式中，E—激活能；

K—波爾茲曼常數(shù)；

T—絕對溫度；

A—正常數(shù)。

由于失效物理加速模型是失效物理分析的結(jié)果，其方程依賴于特定的失效物理/化學(xué)過程，因此存在一個適用范圍的問題，要具體問題具體分析[2]。

2 不同類型加速壽命試驗設(shè)計

依據(jù)施加不同的應(yīng)力水平，可將加速壽命試驗（ALT）歸類為恒定應(yīng)力試驗（CSALT）、步進應(yīng)力試驗（SSALT）和序進應(yīng)力試驗（PSALT）。

恒定應(yīng)力試驗是在定時或定數(shù)情況下施加不同等級應(yīng)力依次進行壽命試驗，分別統(tǒng)計各組失效情況，采用數(shù)理統(tǒng)計法進行評估。步進應(yīng)力試驗是將施加應(yīng)力按從低到高不同應(yīng)力等級依次進行，但各組試驗樣品必須達到定時或定數(shù)要求，直至試驗結(jié)束，進行產(chǎn)品壽命評估。序進應(yīng)力試驗是步進應(yīng)力試驗的一個特例，其施加應(yīng)力水平基本原理相同，只是應(yīng)力大小與試驗時間是一個線性函數(shù)。

2.1 恒定應(yīng)力試驗設(shè)計

基于k組試驗樣品，若選定S1，S2，…，Sk為加速應(yīng)力水平（加載應(yīng)力水平均高于樣品正常應(yīng)力），則在各個加速應(yīng)力水平下進行壽命試驗，直到一定的試驗時間（或出現(xiàn)一定的失效數(shù)）時為止。

對于恒定應(yīng)力試驗，最關(guān)鍵的兩個因素是確定試驗的樣品分組數(shù)k和選取最低應(yīng)力水平S1。若樣品組數(shù)k太大，施加水平量級太多，試驗時間和試驗費用就會明顯增加；若樣品組數(shù)太小，施加水平量級也少，導(dǎo)致模型參數(shù)的估計精度就越小，精確度較差。若最低應(yīng)力水平S1與正常工作應(yīng)力S0相差太小，花費的試驗時間就越長，相差較大，導(dǎo)致模型參數(shù)外推精度較差。

恒定應(yīng)力試驗是三種方法中試驗理論最成熟、統(tǒng)計分析精度最高、工程應(yīng)用最多的加速壽命試驗。但由于其為了減少壽命外推估計的風(fēng)險，最低應(yīng)力水平較接近正常應(yīng)力，因此最低加速應(yīng)力失效時間較長，從而增加了試驗成本。

最高應(yīng)力水平Sk應(yīng)盡量取大一些，但注意不要改變失效機理，特別不能超過產(chǎn)品最大應(yīng)力值。合理確定S1和Sk需要豐富的工程經(jīng)驗和專業(yè)知識，也可通過試驗確定S1和Sk值。確定S1和Sk后，中間應(yīng)力水平S2，…，Sk-1應(yīng)適當(dāng)分散，取值原則如下：

1）一般情況下，S1< S2… < Sk按等間隔取值；

2）在選絕對溫度T作加速應(yīng)力情況下，加速應(yīng)力水平T1，T2，…，Tk取值見式(4)：

3）在選電壓、壓力等作加速應(yīng)力時，加速應(yīng)力水平V1，V2，…，Vk取值見式(5)：

式中：m=1、2、…、nj。

若將試驗樣品進行到全部失效確實很難甚至不可能，采用定時或定數(shù)截尾壽命試驗可有效確定試驗進行的時間和所需資源，使更多的試驗樣品失效[5]。但確定合適的試驗時間或失效個數(shù)是截尾壽命試驗成功與否的關(guān)鍵，從而獲得最多的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，提高壽命評估精度，有效做到節(jié)省時間，節(jié)約經(jīng)費。

2.2 步進應(yīng)力試驗設(shè)計

步進應(yīng)力試驗將應(yīng)力隨時間分階段逐步增加到產(chǎn)品上，先從最低的應(yīng)力水平開始，應(yīng)力水平S0< S1< S2…

步進應(yīng)力試驗要求樣品總量很少，但在安排試驗時，樣品數(shù)不能太少，最好不少于12個，否則數(shù)據(jù)分析結(jié)果精度不高。

步進應(yīng)力試驗在選取水平應(yīng)力時，各應(yīng)力取值大小間隔應(yīng)遵循一定規(guī)律，如最低應(yīng)力水平S1取值應(yīng)接近正常應(yīng)力S0且不宜太小，避免增加試驗成本。當(dāng)一定數(shù)量樣品在水平應(yīng)力Si下出現(xiàn)規(guī)定失效數(shù)或達到規(guī)定試驗時間后，應(yīng)將水平應(yīng)力提高至更高一級應(yīng)力水平Si+1，如此試驗，直至最高應(yīng)力水平Sk下也滿足規(guī)定檢測試驗要求，即一定失效數(shù)或規(guī)定試驗時間。

步進應(yīng)力試驗與恒定應(yīng)力試驗相比，其加速效率較高，同時其所需試驗樣品數(shù)比恒定應(yīng)力試驗較少，從而降低了試驗消耗成本。但由于步進應(yīng)力試驗方法較復(fù)雜，同時統(tǒng)計分析方法研究不系統(tǒng)、不深入，大大制約了其在工程上的實踐和應(yīng)用。

2.3 序進應(yīng)力試驗設(shè)計

序進應(yīng)力試驗其加載水平應(yīng)力隨施加連續(xù)上升，可以認為其是水平應(yīng)力保持時間為零時的特殊步進應(yīng)力試驗，因此二者的理論與方法具有許多相似之處。

序進應(yīng)力試驗中最簡單是呈線性增長的水平應(yīng)力，圖1是序進線性應(yīng)力試驗示意圖，即試驗應(yīng)力隨時間呈直線上升的加載歷程，包括兩種不同速率應(yīng)力水平。序進應(yīng)力試驗其優(yōu)點是加速效率較高，可快速激發(fā)樣品潛在故障，達到規(guī)定失效數(shù)，有效縮短試驗時間，大大減少試驗費用。但其缺點是試驗技術(shù)和方法復(fù)雜，試驗設(shè)備要求較高，需專業(yè)應(yīng)力控制設(shè)備進行壽命試驗，同時配有專門監(jiān)控產(chǎn)品失效的試驗裝置，需專員人員進行操作，其試驗設(shè)計、實施及分析過程繁瑣復(fù)雜，存在一定難度。

除恒定應(yīng)力試驗、步進應(yīng)力試驗及序進應(yīng)力試驗外，加速壽命試驗還包括循環(huán)應(yīng)力試驗和隨機應(yīng)力試驗，后兩種應(yīng)力試驗主要區(qū)別在于選取的應(yīng)力水平量值隨時間是有序的還是無序的，由于其理論復(fù)雜，加速模型不宜數(shù)值化，至今還沒有得到專家的研究和應(yīng)用。

圖1 序進應(yīng)力試驗剖面（ 表示失效）

3 加速壽命試驗（ALT）的優(yōu)化設(shè)計

加速壽命試驗中常用的是恒定應(yīng)力壽命試驗，其試驗成功與否關(guān)鍵在于是否能夠獲得準(zhǔn)確和足夠的數(shù)據(jù)，因此為了節(jié)省時間、節(jié)約經(jīng)費，使得試驗全程具有規(guī)劃性，在進行壽命試驗之前必須開展細致周密的計劃和安排，設(shè)計一個最優(yōu)的試驗實施方案，可有效提高模型參數(shù)的估計精度，精確估計產(chǎn)品的可靠性數(shù)學(xué)特質(zhì)量，大大提高試驗效率。

在Weibull分布和對數(shù)正態(tài)分布下，對只有高應(yīng)力水平S2和低應(yīng)力水平S1兩個加速應(yīng)力水平的簡單恒定應(yīng)力試驗進行最優(yōu)設(shè)計時，首先由同類產(chǎn)品試驗的經(jīng)驗或產(chǎn)品預(yù)試驗來確定高應(yīng)力水平S2和低應(yīng)力水平S1，假定分配給S2和S1的樣品數(shù)量為n2，n1。最優(yōu)設(shè)計就是要選擇最優(yōu)的S1和n1，使正常應(yīng)力水平S0下某個特定參數(shù)估計量的方差最小。相廣賓等[7]研究了指數(shù)分布情況下具有4個加速應(yīng)力水平的恒定應(yīng)力試驗的最優(yōu)設(shè)計，而Miller和Nelson等[8]研究了指數(shù)分布下簡單步進應(yīng)力試驗的最優(yōu)設(shè)計，程依明等[9]在指數(shù)分布下，研究了k個S1< S2… < Sk加速應(yīng)力水平步進應(yīng)力試驗的最優(yōu)設(shè)計。

恒定應(yīng)力試驗最優(yōu)設(shè)計的成果還較少。1992年Bai等[10]研究了Weibull分布下，當(dāng)作用于受試產(chǎn)品的應(yīng)力隨時間線性增加時恒定應(yīng)力試驗的最優(yōu)設(shè)計問題。

對于簡單步進應(yīng)力試驗試驗，采用冪律－威步爾模型對特征參數(shù)進行區(qū)間估計，可靠性指標(biāo)精度高。特別在低應(yīng)力時僅需獲得一個失效數(shù)據(jù)便可將應(yīng)力升高，這為縮短步進應(yīng)力試驗的時間創(chuàng)造了有利條件，此方法可加快產(chǎn)品失效速度，節(jié)省試驗時間。

綜上所述，目前涉及最優(yōu)設(shè)計問題的就是恒定和步進應(yīng)力試驗，但由于電子產(chǎn)品、機電產(chǎn)品和機械產(chǎn)品其失效機理和模式差異很大，失效分布中威布爾分布、正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布的研究知之甚少，理論基礎(chǔ)缺乏，尚處于起步階段，還需進行大量的理論研究和試驗驗證等工作。

4 結(jié)束語

加速環(huán)境試驗是實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性增長和確定、評估產(chǎn)品可靠性水平的重要手段。而加速壽命試驗適應(yīng)高可靠長壽命產(chǎn)品壽命評估的需求，目前加速壽命試驗技術(shù)應(yīng)用范圍涉及軍事、航空、航天、機械、電子等諸多領(lǐng)域。

ALT加速壽命試驗技術(shù)的相關(guān)研究目前在國內(nèi)外可靠性工程研究中非?；钴S?？哲姂?yīng)結(jié)合型號可靠性工作的進行，深入開展相關(guān)軍用電子產(chǎn)品尤其是高可靠性產(chǎn)品的加速壽命試驗方法的研究。隨著研究工作的深入，該試驗技術(shù)必將在可靠性工程中獲得更為廣泛的應(yīng)用。

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