史朝龍

（海軍駐北京航天科工集團公司第三研究院軍事代表室，北京 100074）

艦載武器裝備產(chǎn)品溫度-濕度兩應力加速老化試驗方法研究

史朝龍

（海軍駐北京航天科工集團公司第三研究院軍事代表室，北京 100074）

老化是艦載武器裝備上的材料、電子設備發(fā)生失效或性能退化的主要因素。加速老化試驗屬于可靠性試驗范疇，是評價產(chǎn)品壽命和預測產(chǎn)品退化趨勢的主要方式之一。在分析艦載武器服役環(huán)境和出現(xiàn)的老化問題的基礎上，利用Peck加速模型和基于性能退化數(shù)據(jù)的評估方法，提出了一種溫度-濕度兩應力加速老化試驗方法，并給出了應用算例。

老化；加速老化試驗；艦載武器裝備

概述

老化是產(chǎn)品在貯存、運輸和使用過程中，由于使用年限的增長以及受到各種內(nèi)外環(huán)境因素的綜合作用，性能逐漸變壞直至失去使用價值的過程。通常發(fā)生在非金屬材料、電子元器件及機電產(chǎn)品上，表現(xiàn)為材料外觀改變、物理性能和力學性能降低，元器件的電性能降低，以及電子設備的主要性能超差等現(xiàn)象。老化的最終表現(xiàn)是產(chǎn)品的使用性能變差、使用壽命縮短。

老化試驗是通過采集產(chǎn)品的使用數(shù)據(jù)，進行性能分析和壽命評估，可以提供產(chǎn)品比較可靠的使用壽命信息的試驗。按試驗場所不同可以分為自然老化試驗和人工老化試驗；按試驗對象層次不同可以分為材料老化試驗、器件老化試驗和單機老化試驗；按試驗應力大小不同可以分為常規(guī)老化試驗和加速老化試驗。加速老化試驗按應力類型不同又可以分為單應力（一般為溫度）加速老化試驗和兩應力或多應力加速老化試驗。

目前，基于單應力的加速老化試驗應用較普遍。由于產(chǎn)品在實際使用過程中，所處的環(huán)境條件較復雜，溫度、濕度、氧、臭氧、光、振動、化學性侵蝕、砂塵、微生物侵蝕、鹽霧等均不同程度地影響產(chǎn)品的老化性能。對于艦載武器裝備，海洋的“三高”環(huán)境是影響裝備性能的主要外部因素，但是受加速模型的制約，本文主要研究了一種基于溫度-濕度兩應力的加速老化試驗方法。

1 艦載平臺環(huán)境

艦載武器裝備在出廠驗收合格并投入部隊使用后，需要經(jīng)歷各種各樣的使用環(huán)境，其典型的壽命剖面如圖1所示。綜合來看，主要有3種典型的使用環(huán)境：①在儲備庫房中進行長期存放的貯存環(huán)境；②進行空間轉(zhuǎn)移的運輸環(huán)境；③承擔作戰(zhàn)執(zhí)勤的戰(zhàn)備值班環(huán)境。將艦載平臺環(huán)境與貯存環(huán)境和運輸環(huán)境進行比較如表1所示?？梢姡炤d環(huán)境比貯存環(huán)境和運輸環(huán)境更加嚴酷，主要體現(xiàn)在高溫、高濕、高鹽等“三高”環(huán)境和復雜海況、長期的低頻振動等方面。

圖1 艦基導彈的壽命剖面

表1 艦基導彈典型服役環(huán)境因素比較

表2 某型艦載武器裝備故障分類

2 艦載武器裝備的老化問題

由于艦載武器裝備的安裝部位不同、防護水平不同、工作狀態(tài)不同，其受到環(huán)境因素的影響程度也不同。但是，對于安裝在艦面甲板上武器裝備，直接暴露于各種海洋環(huán)境條件下，無疑是環(huán)境條件最惡劣，故障最多發(fā)的。排除人為操作失誤、偶然故障、銹蝕等故障原因，材料和元器件老化是艦載武器裝備主要的故障模式之一。

例如，統(tǒng)計某型艦載武器裝備故障現(xiàn)象及同類故障出現(xiàn)的次數(shù)如表2所示。按設備類型不同故障分為A、B、C、D四類。通過質(zhì)量測試和故障成因分析，這些故障主要原因有三個：人為原因、偶然故障和元器件老化。如C4均為人為裝配出現(xiàn)失誤引起的故障，D3、D4為偶然故障引起的可靠性問題，其余參數(shù)超差類故障一般與元器件的老化有關。隨著使用時間的累積，加上環(huán)境條件和工作條件的影響，單機設備中非金屬材料會老化、電子元器件的性能會下降或漂移，最終可能導致設備整體功能失效或性能降低，影 響武器裝備的使用壽命。

3 基于溫度-濕度兩應力的加速老化試驗方法

按可靠性水平和維保方式的不同，可以將艦載武器裝備上的所有產(chǎn)品分為3類：第1類是長期貯存或戰(zhàn)備值班對其可靠性和壽命影響不大，高可靠、長壽命的產(chǎn)品；第2類是進行定期檢測，當出現(xiàn)偶然故障時可進行維修的產(chǎn)品；第3類是性能參數(shù)有變化趨勢的產(chǎn)品，為滿足武器裝備所需的貯存和戰(zhàn)備值班可靠性可采取定期更換的措施。針對第3類產(chǎn)品，可以開展加速老化試驗，研究其性能退化趨勢和可靠壽命問題。

同一類產(chǎn)品的老化趨勢是基本一致的，可以作出以下假設：同一類產(chǎn)品樣本的老化軌跡相似，可以使用具有相同形式的曲線方程來進行描述；由于產(chǎn)品樣本之間具有隨機波動性，因此不同產(chǎn)品樣本的退化曲線的方程系數(shù)不同。

由上述假設可知，這種隨機波動性使產(chǎn)品的性能退化量到達預先設置的失效閾值所需要的時間（即失效壽命），也具有某種程度的隨機性，因此可以利用某種特定分布來描述這種隨機性。圖2給出了產(chǎn)品退化軌跡與其壽命分布之間的關系圖，圖中Df為失效閾值，t1、t2、……，分別是不同試驗樣本達到失效閾值的時間。由于這些時間不是樣本的實際失效時間，因此稱其為偽失效壽命。

表3 性能退化數(shù)據(jù)

基于性能退化數(shù)據(jù)的評估方法的基本思路是：通過對觀測到的性能退化數(shù)據(jù)進行預處理后，分別擬合各應力水平下老化軌跡曲線。首先定義老化失效閥值，結(jié)合老化軌跡曲線，計算各應力水平下的壽命，然后根據(jù)各應力水平下的壽命分布參數(shù)擬合加速模型中的未知參數(shù)，進而可外推其在正常環(huán)境條件下的壽命，具體評估方法如下：

1）試驗數(shù)據(jù)的收集及預處理。n個產(chǎn)品在步降應力S1，S2，…，Sk加速退化試驗數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表3所示。yij（j=1，2，…，q）為第i個樣本第j次檢測的退化數(shù)據(jù)。對得到的原始數(shù)據(jù)進行處理，包括剔除野點，錯誤數(shù)據(jù)等，從而得到有效的性能退化數(shù)據(jù)。

2）擬合退化軌跡。根據(jù)得到的有效性能退化數(shù)據(jù)，繪出性能退化量隨時間變化的曲線，對于大多數(shù)電子產(chǎn)品，其退化軌跡一般可使用以下幾種線性模型來進行有效的擬合：

圖2 退化軌跡與壽命分布關系示意圖

3）預測偽壽命。假設失效閾值為Df，根據(jù)上一步求得的不同應力下各個樣本的退化軌跡方程，外推出每樣本的達到失效閾值Df的時間Ti，即偽失效壽命時間數(shù)據(jù)。

4）偽失效壽命分布類型及分布參數(shù)。對得出偽失效壽命時間數(shù)據(jù)進行分布假設檢驗，然后根據(jù)其服從的分布類型，估計出每一應力水平下樣本失效壽命時間分布的總體參數(shù)。

假設在應力Sk下的偽失效壽命Tki（i=1，2，…，n）服從指數(shù)分布，則平均壽命參數(shù)的極大似然估計為

D.S.Peck在1986年提出的描述溫度-濕度的加速模型Peck模型，兼顧了溫度和濕度的作用，適于濕熱老化試驗。

式中：H是相對濕度；T是絕對溫度；K是波爾茲曼常數(shù)；E是激活能；a、b、c是常數(shù)；

5）正常應力下的失效壽命評估。通過加速模型，找出失效壽命總體參數(shù)與應力水平之間的關系，外推出樣本在正常應力下的各種可靠性參數(shù)。如將正常應力水平S0代入即可得，于是正常應力條件S0下的可靠度函數(shù)

4 算例

圖3 退化趨勢擬合曲線

以4塊電源板為試驗對象，編號為1#～4#。采用均勻正交設計法取4組不同溫度-濕度值，分別為（80，55）、（90，85）、（100，25）、（110，65）。將4塊電源板在4組環(huán)境條件下各進行400h的試驗，分別測試10次，獲取電壓變化數(shù)據(jù)。描繪出四組應力下產(chǎn)品的退化趨勢如圖3所示，擬合參數(shù)如表4所示。

表4 濕熱老化試驗退化曲線擬合參數(shù)

將擬合直線代入Peck模型

該產(chǎn)品的老化失效分布函數(shù)為

失效概率分布圖見圖4。

圖4 失效概率分布圖

5 總結(jié)

本文在分析艦載武器服役環(huán)境和出現(xiàn)的老化問題的基礎上，利用Peck加速模型和基于性能退化數(shù)據(jù)的評估方法，提出了一種溫度-濕度兩應力加速老化試驗方法，并給出了應用算例，驗證了該方法的可行性。在實際應用中，還需針對具體產(chǎn)品進行FMECA分析，確定關鍵部件和老化指標，并依據(jù)產(chǎn)品實際工作條件確定加速老化試驗時間、試驗應力水平、電應力的施加頻率等。經(jīng)加速老化試驗得到產(chǎn)品飛老化失效模型，可以作為確定產(chǎn)品失效壽命和關鍵部件更換周期的依據(jù)。

［1］張秋菊，劉承禹.電子設備可靠性的加速試驗［J］.測試、試驗與仿真，2011，26（4）： 81-83.

［2］張生鵬，王曉紅，李曉鋼.電子整機加速貯存試驗方案設計［J］.質(zhì)量與可靠性，2011，（2）： 24-26.

［3］韓建立，陳洪光，李建華.導彈橡膠密封件壽命預測方法［J］.海軍航空工程學院學報，2013，28（2）： 172-174.

［4］肖軍，高雪梅，楊慶賀.機載導彈非金屬部件和材料的使用壽命［J］.航空兵器，2004，（2）： 38-40.

［5］陳海建，李波，顧鈞元，等.基于加速壽命試驗的導彈壽命預估方法［J］.四川兵工學報，2010，31（4）： 11-13.

史朝龍（1974，10-），男，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學管理與工程專業(yè)，研究生，工程師，現(xiàn)從事武器系統(tǒng)質(zhì)量管理及相關技術研究工作。

Research on an Accelerated Aging Testing Method Based on the Factors of Temperature and Humidity for Products on Carrier-based Weapons

SHI Chao-long
（Naval Military Representative Office in the Third Research Academy，Beijing 100074）

Aging is a primary factor which can cause failure or degeneration of material and electronic product on carrier-based weapon.Accelerated-aging-testing belongs to a kind of reliability testing，is a primary method to evaluate product life and forecast degeneration trend.On the basis of analyzing using environment and arisen problems of carrier-based Weapons，making use of Peck accelerated model and an evaluation method based on product capability degeneration data，an accelerated aging testing method based on the factors of temperature and humidity is put forward in this paper，and an example is adduced at the same time.

aging；accelerated aging testing；carrier-based weapons

V416.5

A

1004-7204（2015）06-0007-05