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(xué)觀測(cè)研究站，海南 571522）

引言

電子設(shè)備類在貯存和運(yùn)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(dòng)的影響，大量研究結(jié)果表明溫濕度和振動(dòng)是影響設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能甚至壽命的重要因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)由這些因素引起的故障占設(shè)備總故障數(shù)的75 %。目前對(duì)于這類產(chǎn)品的考核方式主要有自然環(huán)境試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)兩類，自然環(huán)境試驗(yàn)?zāi)茌^真實(shí)可靠的反映產(chǎn)品所受歷程，但具有試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，而實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)?zāi)軌蚩s短試驗(yàn)和評(píng)價(jià)的周期，但往往只強(qiáng)化單一環(huán)境因素，不能模擬其真實(shí)綜合環(huán)境效應(yīng)，且容易造成“過試驗(yàn)”和“欠試驗(yàn)”，目前所開展的溫濕度加速試驗(yàn)大部分是按照既定的程序和標(biāo)準(zhǔn)如GJB 150.9A進(jìn)行，而在GJB 150.9A中明確規(guī)定“本試驗(yàn)不能重現(xiàn)與自然環(huán)境相關(guān)的所有濕度的影響，也不能重現(xiàn)與低濕度環(huán)境相關(guān)的濕度影響，本試驗(yàn)不能重現(xiàn)復(fù)雜的溫濕度環(huán)境，而是提供一個(gè)通用應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)開展的溫濕度加速試驗(yàn)，不能真實(shí)再現(xiàn)產(chǎn)品自然環(huán)境效應(yīng)，達(dá)不到等效評(píng)價(jià)試驗(yàn)效果，因此如何將產(chǎn)品貯存運(yùn)輸環(huán)境譜轉(zhuǎn)化為具有等效效果的實(shí)驗(yàn)室模擬加速試驗(yàn)譜，對(duì)產(chǎn)品的考核與驗(yàn)證具有越來越重要的意義。我國針對(duì)自然環(huán)境譜與實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)譜開展了相當(dāng)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(zhuǎn)化為加速試驗(yàn)環(huán)境譜的方法，但所開展的研究對(duì)溫濕度如何轉(zhuǎn)化描述較少，加速試驗(yàn)譜正確性缺乏依據(jù)[1-9]。

本文在參照相應(yīng)方法的基礎(chǔ)上，利用電子設(shè)備運(yùn)輸和貯存實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用等環(huán)境當(dāng)量轉(zhuǎn)化方法，提煉出了一套較為完整的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)化方法，并用橡膠樣品對(duì)試驗(yàn)譜進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 溫濕度加速試驗(yàn)譜構(gòu)建方法

分析貯存環(huán)境溫濕度試驗(yàn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)溫濕度的晝?nèi)兆兓?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?zé)崃W(xué)熱傳導(dǎo)傅里葉定律，濕度傳遞主要是以擴(kuò)散方式進(jìn)行，而大多數(shù)擴(kuò)散行為都遵循熱傳導(dǎo)傅里葉定律，因此溫度和濕度模型在結(jié)構(gòu)上相同。本方法是基于實(shí)測(cè)環(huán)境溫濕度試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用等環(huán)境當(dāng)量方法，通過構(gòu)建溫濕度模型，確定應(yīng)力值及上限和試驗(yàn)時(shí)間后，建立加速試驗(yàn)譜。

1.1 試驗(yàn)條件參數(shù)設(shè)計(jì)

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(cè)定方法》，可以對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)獲得相應(yīng)的環(huán)境因素量值。

1.2 構(gòu)建自然環(huán)境“溫度-濕度-時(shí)間”試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

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

構(gòu)建自然環(huán)境“溫度-濕度-時(shí)間”試驗(yàn)弦函數(shù)，由于溫度和濕度可耦合形成連續(xù)的n個(gè)應(yīng)力水平，且有“溫度-時(shí)間”與“濕度-時(shí)間”互為正余弦函數(shù)關(guān)系，自然環(huán)境“溫度-時(shí)間”試驗(yàn)弦函數(shù)如式（1）：

式中：

TZ—各時(shí)刻溫度值；

Tmax—溫度最大值；

Tmin—溫度最小值；

Z—自然時(shí)刻。自然環(huán)境“濕度-時(shí)間”試驗(yàn)弦函數(shù)如式（2）：

式中：

HZ—各時(shí)刻濕度值；

Hmax—濕度最大值；

Hmin—濕度最小值。

1.3 構(gòu)建加速貯存試驗(yàn)函數(shù)

采用經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)的方法構(gòu)造得到“溫度-時(shí)間”和“濕度-時(shí)間”變化曲線，保持波動(dòng)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(gè)試驗(yàn)周期（1年）內(nèi)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(jī)理不變，取整為10 K，設(shè)定加速貯存試驗(yàn)變化幅值（即Tmax-Tmin）亦為：

△T加速=Tmax加速-Tmin加速=10 K

同理，設(shè)定加速貯存試驗(yàn)濕度變化幅值為△H加速=Hmax-Hmin=22 %。

1.4 確定溫濕度試驗(yàn)應(yīng)力中位值及上限

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

綜合以上分析，選取的溫度應(yīng)力上限由實(shí)測(cè)溫度73 ℃，按照溫度的±2 ℃冗余設(shè)計(jì)，可設(shè)定上限75 ℃；濕度依據(jù)試驗(yàn)不直接凝露的原則可設(shè)為上限不超過95 RH%。

1.5 加速試驗(yàn)函數(shù)確定

然后強(qiáng)化加速貯存試驗(yàn)溫度（應(yīng)力）中位值為343 K，則構(gòu)建出的加速貯存試驗(yàn)的“溫度-時(shí)間”函數(shù)式（3）：

式中：

Tj—各時(shí)刻加速試驗(yàn)溫度值；

Tmid—加速試驗(yàn)溫度中位值，為343 K；

j—加速試驗(yàn)時(shí)刻。

同理，強(qiáng)化加速試驗(yàn)濕度（應(yīng)力）中位值為80 %，則構(gòu)建加速貯存試驗(yàn)的濕度-時(shí)間函數(shù)式（4）：

式中：

Hj—各時(shí)刻加速試驗(yàn)濕度值；

Hmid—加速試驗(yàn)濕度中位值。

于是，根據(jù)本實(shí)施例構(gòu)建一個(gè)24（小時(shí)）節(jié)點(diǎn)的日循環(huán)加速貯存試驗(yàn)周期試驗(yàn)參數(shù)（見表1），該參數(shù)對(duì)應(yīng)的加速貯存試驗(yàn)“溫度-時(shí)間”試驗(yàn)曲線見圖1（a），對(duì)應(yīng)的加速貯存試驗(yàn)“濕度-時(shí)間”試驗(yàn)曲線見圖1（b）。

表1 構(gòu)建的日循環(huán)加速貯存試驗(yàn)周期試驗(yàn)參數(shù)

1.6 試驗(yàn)周期

理論試驗(yàn)總時(shí)間t按照循環(huán)次數(shù)設(shè)定，考慮到設(shè)計(jì)余量，結(jié)合自然貯存的存儲(chǔ)年限，根據(jù)“溫度-濕度-時(shí)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(yàn)時(shí)間tj總時(shí)長(zhǎng)。試驗(yàn)時(shí)間可按以下公式估算：

式中：

e—自然常數(shù)；

tZ—自然時(shí)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(yàn)環(huán)境剖面見圖1所示。

圖1 戶外等環(huán)境當(dāng)量加速試驗(yàn)單次循環(huán)剖面示意圖

2 振動(dòng)加速試驗(yàn)譜構(gòu)建方法

2.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法

振動(dòng)頻譜處理方法只是將振動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為用功率譜密度函數(shù)表達(dá)的頻譜數(shù)據(jù)，接下來，還需要對(duì)多個(gè)樣本的振動(dòng)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出能具有一定覆蓋性的包絡(luò)線，將包絡(luò)線按不同頻段劃分后處理為振動(dòng)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(gè)振動(dòng)數(shù)據(jù)樣本的PSD曲線合并歸納成一條PSD曲線。

其次，對(duì)應(yīng)于每個(gè)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(luò)線的疊加圖，以及疊加圖的包絡(luò)線。

最后，參照GJB/Z 126-99《振動(dòng)、沖擊環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)歸納方法》中對(duì)最終得到的PSD包絡(luò)線進(jìn)行頻段劃分，然后采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)頻段內(nèi)PSD平直譜進(jìn)行估計(jì)，得到車輛隨機(jī)振動(dòng)規(guī)范譜Gk。

獲取的振動(dòng)環(huán)境數(shù)據(jù)一般為時(shí)域數(shù)據(jù)，而振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)時(shí)多用頻譜控制，因此，測(cè)量獲得數(shù)據(jù)首先需要進(jìn)行頻譜分析處理，轉(zhuǎn)化成用功率譜函數(shù)描述的振動(dòng)試驗(yàn)條件。

在分析處理振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)較為平穩(wěn)的隨機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)可通過功率譜密度分析進(jìn)行頻譜轉(zhuǎn)化。隨機(jī)振動(dòng)在頻率域用功率譜密度函數(shù)來描述。對(duì)給定時(shí)間長(zhǎng)度為T的平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)記錄x(t)，其功率譜密度（或稱自譜密度）?轉(zhuǎn)換見式（5）：

式中：

設(shè)備在運(yùn)輸過程中會(huì)經(jīng)歷各種不同的路面，不同速度振動(dòng)情況，文中以設(shè)備按40 km/h在鋪面路行駛為例說明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方法。

振動(dòng)信號(hào)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(gè)方向作為一個(gè)域，單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)條件，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)樣本數(shù)大于13時(shí)，采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布假設(shè)估計(jì)，當(dāng)樣本數(shù)不大于13時(shí)，采用無參數(shù)上限統(tǒng)計(jì)估計(jì)（最大值包絡(luò)）用于試驗(yàn)的最高期望環(huán)境譜值。功率譜密度和包絡(luò)情況如圖2，運(yùn)輸振動(dòng)條件見表2。

圖2 鋪面路功率譜密度圖

表2 鋪面路振動(dòng)環(huán)境

2.2 振動(dòng)加速試驗(yàn)譜的轉(zhuǎn)換

2.2.1 加速運(yùn)試驗(yàn)振動(dòng)量級(jí)的確定

加速模擬試驗(yàn)主要激發(fā)設(shè)備的疲勞失效，設(shè)備在經(jīng)過可靠性設(shè)計(jì)后，經(jīng)歷振動(dòng)載荷時(shí)內(nèi)部應(yīng)力響應(yīng)接近疲勞極限，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為107，為保證加速試驗(yàn)過程中的失效機(jī)理不變，其加速因子應(yīng)小于100。根據(jù)試驗(yàn)要求及驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，確定加速因子為10。

典型車載設(shè)備公路運(yùn)輸加速模擬試驗(yàn)，采取隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M。依據(jù)逆冪律模型的失效機(jī)理，當(dāng)部件暴露于穩(wěn)態(tài)動(dòng)載荷x（t）（周期的或隨機(jī)的，其均值為0），均方根為σ（x）之下，其失效所需時(shí)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(jī)械和電氣設(shè)備與工作載荷作用時(shí)間有關(guān)的失效模型，它也適用于環(huán)境載荷，包括動(dòng)態(tài)載荷。如果有兩個(gè)譜型相同但均方根值不同的動(dòng)態(tài)載荷，兩者產(chǎn)生相同的破壞勢(shì)所需的暴露時(shí)間的關(guān)系可由方程（7）得出：

對(duì)按自譜定義的隨機(jī)振動(dòng)，方程（8）變?yōu)椋?/p>

對(duì)電氣電子元件，根據(jù)逆冪律模型，推薦對(duì)所有類型的振動(dòng)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(yàn)的加速因子AF為10，由公式（9）可得：

通過實(shí)測(cè)規(guī)范譜G1(f)可計(jì)算獲得G2(f)。將鋪面路實(shí)測(cè)譜代入公式（9）獲得鋪面路加速試驗(yàn)譜如表3。

表3 鋪面路加速振動(dòng)譜

2.2.2 試驗(yàn)時(shí)間的確定

車輛在行駛過程中，可按照實(shí)際路面行駛里程進(jìn)行比例分配。產(chǎn)品兩年設(shè)計(jì)行駛里程為2 000 km，其中鋪面路占設(shè)計(jì)行駛里程的80 %，即S=1 600 km，車輛鋪面路設(shè)計(jì)行駛時(shí)速為V=40 km/h，則所經(jīng)歷鋪面路振動(dòng)環(huán)境的時(shí)間為t=S/V=40 h，鋪面路振動(dòng)環(huán)境加速模擬試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)間為t1=t/10=4 h。

3 綜合加速試驗(yàn)譜

綜合試驗(yàn)譜是在結(jié)合電子產(chǎn)品在運(yùn)輸和貯存環(huán)境時(shí)所遭受的環(huán)境溫度、濕度和振動(dòng)因素轉(zhuǎn)化而成，試驗(yàn)譜主要包括溫濕度加速階段和振動(dòng)加速階段綜合而成，由于車載設(shè)備在實(shí)際使用過程中溫度、濕度和振動(dòng)等因素同時(shí)作用，沒有嚴(yán)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(shè)計(jì)的試驗(yàn)譜將溫度、濕度和振動(dòng)因素同時(shí)作用于樣品，試驗(yàn)的剖面如圖3所示，本試驗(yàn)周期以72 h為一個(gè)循環(huán)周期，每個(gè)周期結(jié)束后，對(duì)樣品的性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。溫濕度試驗(yàn)譜如表1的日循環(huán)加速貯存試驗(yàn)周期試驗(yàn)參數(shù)，振動(dòng)試驗(yàn)譜如表2，不同路面的振動(dòng)譜。

圖3 試驗(yàn)剖面示意圖

4 結(jié)論

利用電子設(shè)備開展了自然環(huán)境貯存及運(yùn)輸試驗(yàn)后結(jié)果表明，其產(chǎn)生的故障數(shù)量和故障機(jī)理基本相同，根據(jù)設(shè)計(jì)的加速試驗(yàn)譜加速，自然環(huán)境試驗(yàn)后出現(xiàn)故障的時(shí)間與加速試驗(yàn)后出現(xiàn)故障時(shí)間與試驗(yàn)譜的倍率基本相對(duì)應(yīng)，二者試驗(yàn)結(jié)果誤差不超過1 %，能夠滿足樣品的加速試驗(yàn)要求。對(duì)于具有快速考核要求的試驗(yàn)產(chǎn)品，在保證樣品失效機(jī)理不變的條件下采用本試驗(yàn)方法能夠加快試驗(yàn)進(jìn)程，極大地縮短了時(shí)間；設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法具有通用性，可適用于不同地域、不同時(shí)間、不同路況、不同速度和不同車型下的電子設(shè)備貯運(yùn)試驗(yàn)；本文構(gòu)建的加速試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果證明解決了按制定標(biāo)準(zhǔn)開展試驗(yàn)不能真實(shí)反映設(shè)備工況環(huán)境的問題，具有實(shí)用性，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與貯存試驗(yàn)結(jié)果一致。