文建國 郭桂友

（1.海軍航空工程學(xué)院 煙臺 264001）（2.海軍裝備部裝備采購中心 北京 100071）

1 引言

導(dǎo)彈具有“長期貯存，一次使用”的特點，因此準確評判其實際使用壽命并及時開展延壽工作，是保持其戰(zhàn)備完好性，充分發(fā)揮其作戰(zhàn)性能的必然要求［1～3］。電子產(chǎn)品作為導(dǎo)彈的重要組成部件，其壽命長短直接影響導(dǎo)彈的貯存使用壽命。目前國內(nèi)對其壽命的評估，所依據(jù)的為生產(chǎn)廠方提供的標準環(huán)境條件下的貯存壽命或貯存可靠度指標，缺乏合理性和客觀性。隨著加速壽命試驗在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用［4］，提供了一條評估彈用電子產(chǎn)品貯存壽命的有效途徑。與自然貯存使用環(huán)境下壽命試驗相比，加速壽命試驗的優(yōu)點有：試驗時間短、試驗條件可控、便于實現(xiàn)等。因此，該試驗方法在美國、俄羅斯等技術(shù)先進國家的導(dǎo)彈武器產(chǎn)品貯存延壽上起到了十分重要的作用［5］。

2 加速壽命試驗

2.1 加速壽命試驗的概念

加速壽命試驗是指，在超過正常使用環(huán)境條件的應(yīng)力水平下對樣品進行的壽命試驗。即在不改變產(chǎn)品的故障產(chǎn)生機制又不增加新的故障機制的前提下，提高試驗應(yīng)力，加速產(chǎn)品的故障進程，縮短試驗時間；然后再根據(jù)試驗結(jié)果，估計出正常應(yīng)力下的產(chǎn)品壽命的一種試驗方法。根據(jù)試驗應(yīng)力的加載方式，可將加速壽命試驗分為三種類型，即恒定應(yīng)力加速壽命試驗、步進應(yīng)力加速壽命試驗和序進應(yīng)力加速壽命試驗［6］。

2.2 加速壽命試驗的基本前提

2.2.1 失效機理的一致性

失效機理的一致性是指在不同的應(yīng)力水平下產(chǎn)品的失效機理保持不變。通常，失效機理的一致性是通過試驗設(shè)計保證的，即要求加速壽命試驗中的最高應(yīng)力等級不能高于產(chǎn)品的破壞極限。

2.2.2 失效過程的規(guī)律性

失效過程的規(guī)律性是指產(chǎn)品壽命與應(yīng)力之間存在一個確切的函數(shù)關(guān)系式，即加速模型。

2.2.3 失效分布的同一性

失效分布的同一性指在不同的應(yīng)力水平下產(chǎn)品的壽命服從同一分布，這是壽命數(shù)據(jù)處理的基本前提。

2.3 加速壽命試驗的模型

針對不同類型的應(yīng)力設(shè)計的加速壽命試驗，通過加速壽命試驗所得到的受試部件的壽命數(shù)據(jù)，可建立部件壽命特征與環(huán)境應(yīng)力的關(guān)系模型，它反映了不同應(yīng)力對部件壽命的影響，根據(jù)這種關(guān)系建立的模型就是加速壽命模型。加速壽命模型是受測部件的壽命特征與環(huán)境應(yīng)力的關(guān)系模型，反映了不同應(yīng)力對部件壽命的影響，是進行試驗設(shè)計、數(shù)據(jù)處理的判據(jù)。

2.3.1 Arrhenius模型［7］

當(dāng)環(huán)境應(yīng)力為溫度時，一般認為壽命特征與應(yīng)力之間的關(guān)系符合Arrhenius模型：

式中：L為其特征某種壽命；A是與裝備特性、幾何形狀和試驗方法有關(guān)的常數(shù)；E為激活能，與材料設(shè)備有關(guān)；K為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。

2.3.2 逆率模型［8］

當(dāng)環(huán)境應(yīng)力為非熱應(yīng)力時，比如受電、載荷、腐蝕介質(zhì)影響，其特征壽命與應(yīng)力之間符合下式：

式中：L為其特征某種壽命；A是與裝備特性、幾何形狀和試驗方法有關(guān)的常數(shù)；S為環(huán)境應(yīng)力；n為特征常數(shù)。

2.3.3 溫濕度模型［9］

當(dāng)環(huán)境應(yīng)力為溫度、濕度共同作用時，一般認為壽命特征與應(yīng)力之間的關(guān)系符合：

式中：L為其特征某種壽命；A是與裝備特性、幾何形狀和試驗方法有關(guān)的常數(shù)；E為激活能，與材料設(shè)備有關(guān)；K為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；H 為濕度應(yīng)力；B為常數(shù)。

2.3.4 復(fù)合應(yīng)力模型［10］

當(dāng)有多個環(huán)境應(yīng)力時，可建立復(fù)合應(yīng)力模型：

式中：L為其特征某種壽命；ai為未知參數(shù)；xi為第i個環(huán)境應(yīng)力；a0為常數(shù)。

3 加速壽命試驗方案設(shè)計

3.1 加速壽命試驗設(shè)計原則

表1 失效模式以及應(yīng)力激發(fā)效果

根據(jù)彈上電子產(chǎn)品服役環(huán)境應(yīng)力分析可知，其在整個服役周期內(nèi)要受到諸多環(huán)境因素的影響，其中主要為溫度、濕度和振動。而且在不同的貯存環(huán)境下，環(huán)境應(yīng)力的影響程度不同，比如在貯存環(huán)境下，影響貯存壽命的主要因素為溫度。有時候環(huán)境應(yīng)力的影響不是單一因素，而是多因素共同作用的結(jié)果。要合理設(shè)計試驗方案，在開始加速壽命試驗之前，必須考慮電子產(chǎn)品的主要失效模式和失效機理，根據(jù)失效模式來確定試驗中使用的應(yīng)力類型。對于彈上電子產(chǎn)品來說，失效模式大體可以分為表1中所列的幾種。對于這些常見失效模式，選擇不同形式來加速試驗產(chǎn)品的老化和失效。主要應(yīng)力類型包括：溫度、溫度循環(huán)、濕度和隨機振動。根據(jù)不同的環(huán)境條件和失效模式，選用不同的應(yīng)力組合對于加速激發(fā)產(chǎn)品老化和故障具有不同的效果。表1列出了彈用電子產(chǎn)品主要的失效模式，以及四種不同應(yīng)力類型對特定失效模式的激發(fā)效果。（這里設(shè)定“√”表示激發(fā)效果較好，“—”代表激發(fā)效果一般，“×”代表激發(fā)效果不太好。）

3.2 彈上電子產(chǎn)品加速壽命試驗方案

彈上電子產(chǎn)品的服役環(huán)境可主要分為三種典型的環(huán)境：在有暖庫房中長期存放的貯存環(huán)境、進行陣地轉(zhuǎn)移的運輸環(huán)境和承擔(dān)戰(zhàn)備任務(wù)的值班環(huán)境，現(xiàn)將這幾種環(huán)境下的環(huán)境應(yīng)力進行分析。

3.2.1 貯存環(huán)境

貯存環(huán)境是指導(dǎo)彈在貯存過程中所處的環(huán)境，是貯存過程中影響導(dǎo)彈電子產(chǎn)品諸因素的總和。由于導(dǎo)彈一般都貯存在充有氮氣的包裝箱內(nèi)，而且在包裝箱內(nèi)還存放著干燥劑，且定時更換以減除水分的影響，可認為濕度恒定。因此在貯存期間，對彈上電子產(chǎn)品壽命產(chǎn)生影響的環(huán)境因素主要是溫度?？紤]溫度應(yīng)力對導(dǎo)彈電子產(chǎn)品的影響，加速壽命試驗設(shè)計方案如下：

可取彈用典型的電子元器件，將該元器件分為4組，每組20個，分別對其施加70℃、80℃、90℃、100℃的溫度應(yīng)力，定期用測試設(shè)備對其進行性能測試。所測得任何一項測試不合格即認為該電子產(chǎn)品失效，并按順序記錄失效時間、數(shù)量和失效形式。假定存壽命與溫度應(yīng)力之間關(guān)系服從Arrhenius模型，這樣可根據(jù)不同溫度下的失效數(shù)據(jù)，計算出該類型元器件的自然貯存壽命。

3.2.2 運輸環(huán)境

導(dǎo)彈在從出廠到部隊、從貯存地點到技術(shù)陣地、從技術(shù)陣地到使用平臺等轉(zhuǎn)移過程中，不可避免地要受到運輸環(huán)境的影響。運輸環(huán)境是指在運輸過程中對產(chǎn)品產(chǎn)生直接或間接影響的諸因素的總和。運輸工具（空運、陸運與水運）、裝卸固定情況、運輸線路狀況（空運的氣候狀況、陸運的道路狀況與水運的水文狀況）、運輸速度等的不同，對運輸狀態(tài)下的彈上電子產(chǎn)品所產(chǎn)生的影響也不同。運輸環(huán)境對彈上電子產(chǎn)品的影響，主要取決于運輸過程中的誘發(fā)因素，有振動、沖擊等。因為彈用電子元器件經(jīng)歷的運輸時間相對其整個壽命周期來說很短，運輸時依靠包裝箱的保護，溫、濕度變化較小，對其影響相對較小，故在此過程中只考慮振動應(yīng)力對彈用電子元器件壽命的影響，試驗設(shè)計方案如下：

將彈用電子元器件分為4組，每組20個，保持溫度為25℃不變，分別施加功率譜密度為0.02g2／Hz、0.04g2／Hz、0.06g2／Hz、0.08g2／Hz的隨機振動應(yīng)力，其振動如圖1所示，并定期用測試設(shè)備對其進行測試，當(dāng)任何一項測試不合格即認為自動駕駛儀失效，并按順序記錄失效時間，數(shù)量和失效形式。運輸壽命與振動應(yīng)力之間關(guān)系服從逆率模型。

3.2.3 戰(zhàn)備值班環(huán)境

圖1 振動試驗功率譜密度示意圖

戰(zhàn)備值班環(huán)境是指導(dǎo)彈在執(zhí)行戰(zhàn)備任務(wù)時在發(fā)射平臺上所處的環(huán)境，是各種自然因素和誘發(fā)因素的總和。以機載導(dǎo)彈為例，在導(dǎo)彈掛機飛行時，通常都以裸彈狀態(tài)置于飛機掛點上，環(huán)境具有高溫的特點。飛機飛行過程中，由于要作許多機動動作、并受到氣流影響，這樣導(dǎo)彈上的電子產(chǎn)品還要受到振動載荷的作用。因此在加速試驗中考慮溫度、振動應(yīng)力變化對其壽命的影響，試驗設(shè)計方案如下：

取彈用典型的電子元器件，將其分為16組，每組20個，保持濕度為75%不變，施加的16個組合應(yīng)力水平見表2，定期用測試設(shè)備對其進行單元測試，當(dāng)任何一項測試不合格即認為其失效，并按順序記錄失效時間、數(shù)量和失效形式。假定其壽命與應(yīng)力之間關(guān)系服從復(fù)合應(yīng)力模型。

表2 溫度振動組合應(yīng)力水平

4 應(yīng)用舉例

為了驗證所設(shè)計的試驗方案的可行性和合理性，現(xiàn)在取彈用三極管電子產(chǎn)品按照以上試驗方案進行加速壽命試驗，在實際試驗過程中當(dāng)樣品失效比例達到15%時，此時平均失效時間為該樣品的失效時間。所得貯存環(huán)境、運輸環(huán)境和戰(zhàn)備值班環(huán)境的試驗結(jié)果如表3～5所示。

表3 貯存環(huán)境加速壽命試驗結(jié)果

根據(jù)表3中試驗數(shù)據(jù)和式（1）可進行數(shù)據(jù)擬合，所得方程如式（5）所示，擬合曲線如圖2所示，相關(guān)系數(shù)為0.998：

表4 運輸環(huán)境加速壽命試驗結(jié)果

根據(jù)表4中試驗數(shù)據(jù)和式（2）可進行數(shù)據(jù)擬合，所得方程如式（6）所示，擬合曲線如圖3所示，相關(guān)系數(shù)為0.996。

表5 戰(zhàn)備值班環(huán)境加速壽命試驗結(jié)果

根據(jù)表5中試驗數(shù)據(jù)和式（4）可進行數(shù)據(jù)擬合，所得方程如式（7）所示，相關(guān)系數(shù)為0.986。

圖2 貯存環(huán)境加速壽命數(shù)據(jù)擬合曲線

圖3 運輸環(huán)境加速壽命數(shù)據(jù)擬合曲線

利用貯存環(huán)境、運輸環(huán)境和戰(zhàn)備值班環(huán)境的試驗結(jié)果所擬合的公式，再根據(jù)導(dǎo)彈的貯存使用環(huán)境載荷譜，可以計算出導(dǎo)彈上三極管電子產(chǎn)品的貯存使用壽命。

5 結(jié)語

對導(dǎo)彈電子產(chǎn)品的壽命進行準確評估是預(yù)估導(dǎo)彈貯存壽命的重要工作之一，具有重要的軍事意義和經(jīng)濟價值。通過合理設(shè)計電子產(chǎn)品的加速壽命試驗方案，可以得到模擬環(huán)境下其壽命和實際貯存使用壽命之間的折算關(guān)系。該試驗工作，可以準確評估導(dǎo)彈的技術(shù)狀態(tài)以及為到壽導(dǎo)彈開展延壽工作提供依據(jù)。

［1］邢耀國，熊華，李高春.固體火箭發(fā)動機健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2008，23（6）：601－605.

［2］王玉峰，李高春，王曉偉.固體火箭發(fā)動機海洋環(huán)境下的貯存及壽命預(yù)估［J］.火炸藥學(xué)報，2008，31（6）：87－90.

［3］陳海建，徐廷學(xué)，李波，等.導(dǎo)彈加速壽命試驗方法研究［J］.裝備環(huán)境工程，2010，7（5）：115－118.

［4］鄧南明，閆銳兵.一種基于加速壽命試驗的水雷壽命預(yù)估方法［J］.水雷戰(zhàn)與艦船防護，2012，20（2）：36－38.

［5］樊強.高加速壽命試驗和高加速應(yīng)力篩選試驗技術(shù)綜述［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2011，29（4）：58－62.

［6］張志華.加速壽命試驗及其統(tǒng)計分析［M］.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2002：11－53.

［7］李樹楨，李曉陽，姜同敏.基于溫度循環(huán)的ALT技術(shù)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用［J］.裝備環(huán)境工程，2009，6（6）：73－77.

［8］陳兵，李星.加速壽命試驗技術(shù)在國內(nèi)外的工程應(yīng)用研究［J］.強度與環(huán)境，2010，37（6）：31－38.

［9］賈占強，蔡金燕，梁玉英，等.基于綜合環(huán)境加速壽命試驗的電子裝備故障預(yù)測研究［J］.電子學(xué)報，2009，36（6）：1277－1282.

［10］何國偉，戴慈莊.可靠性試驗技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1995：l09－112.

［11］趙春宇，馬倫，呂艷軍，等.基于狀態(tài)維修過程中的故障預(yù)測問題分析［J］.計算機與數(shù)字工程，2012，40（1）.

［12］李永杰，胡堅，汪厚祥.艦艇裝備維修信息數(shù)據(jù)倉庫的建立與數(shù)據(jù)挖掘［J］.計算機與數(shù)字工程，2010，38（10）.