CN102520279A - 空间电子设备加速寿命试验中温度加速基准应力确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种空间电子设备加速寿命试验中温度加速基准应力确定方法，属于电子产品技术领域。首先针对工作环境温度的周期性变化，将环境温度进行等步阶分割，再分别计算每个台阶温度下的对应时间段的可靠度；然后计算一个周期和整个寿命末期的可靠度，最后给出改进的可靠度指数计算公式；当选择工作环境温度作为加速应力即通过提高工作环境温度进行空间电子设备的加速寿命试验时，应采用改进的可靠度指数计算公式，在可靠性不变的前提下将周期性变化工作环境温度等效变换为恒定型工作环境温度，从而确定基准应力。本发明解决了通过提高工作环境温度进行空间电子设备的加速寿命试验时，如何准确确定温度加速基准应力这一技术问题。

Description

空间电子设备加速寿命试验中温度加速基准应力确定方法

技术领域

本发明用于航天器的空间电子设备在变化工作环境温度下加速寿命试验中温度加速基准应力的确定，属于电子产品技术领域。

背景技术

可靠性预计是为了估计产品在给定工作条件下的可靠性而进行的工作，其主要目的之一是为可靠性增长试验、鉴定试验及费用核算等方面的研究提供依据。从此目的可以看出，提供产品准确的可靠性预计结果显得至关重要。对电子产品而言，可靠性预计通常是计算产品的可靠度。

作为电子产品，空间电子设备采用应力分析法进行可靠性预计，其工作期间的应力值应当恒定才能按照可靠度指数公式计算，实际情况更多是：空间电子设备工作期间的电应力值是恒定，环境应力值在变化，随着航天器姿态、轨道位置的周期性变化，空间电子设备经受的环境应力亦呈现周期性的变化，尤以对空间电子设备在轨可靠性产生重要影响的工作环境温度的周期性变化为显著特点。在空间电子设备采用应力分析法进行可靠性预计时，目前国内外航天领域的通行方法是：电应力由于恒定而取其实际值，工作环境温度由于变化而取其最大值，亦即将工作环境温度取其最大值并视为恒温。很显然，这样得到的可靠性预计结果不准确，很保守，尤其当工作环境温度的变化范围很大时，采用此法的缺陷更是显而易见。因此，需要寻求更为科学的可靠性预计方法并基此获得更为准确的可靠性预计结果。空间电子设备的可靠性要求都很高，有的品种要求其可靠度达到R≥0.999，按照可靠度的指数函数分布规律，要达到如此高的可靠度，工作失效率将很低，因而其预期寿命将极长。对于这样的高可靠空间电子设备，如果采用在正常的工作条件下，通过寿命试验的方法来评估其可靠性，往往需要耗费很长的时间，付出昂贵的经费和很高的人员投入，是很不现实的，长期寿命试验方法已经不能适应迅速发展的空间电子设备研制的需要。因此，通过加速寿命试验，可以在相对短的时间内评估其可靠性。

由于工作环境温度是影响空间电子设备寿命以及可靠性的一个重要因素，因而通常选择工作环境温度作为加速应力亦即通过提高工作环境温度进行空间电子设备的加速寿命试验，此时必须先确定空间电子设备正常工作条件下的工作环境温度应力水平，且此工作环境温度应力应为恒定应力或等效为恒定应力，亦称基准应力。

目前的方法是将变化工作环境温度的最大值作为基准应力。很显然，这样得到的加速系数以及随之获得的可靠性评估结果都小于实际情况，还会增加不必要的试验成本，尤其当工作环境温度的变化范围很大时，采用此法的缺陷更是不容忽视。因此，如何准确确定变化工作环境温度下的温度加速基准应力，这不但关系到加速系数的准确获得以及最终的可靠性评估结果，而且关系到包括子样数量、试验时间、人员安排等的试验成本问题，是进行温度加速寿命试验前首先需要解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是解决通过提高工作环境温度进行空间电子设备的加速寿命试验时，如何准确确定温度加速基准应力这一技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

该空间电子设备加速寿命试验中温度加速基准应力确定方法，首先针对工作环境温度的周期性变化，将环境温度进行等步阶分割，再分别计算每个台阶温度下的对应时间段的可靠度；然后计算一个周期和整个寿命末期的可靠度，最后给出改进的可靠度指数计算公式；当选择工作环境温度作为加速应力即通过提高工作环境温度进行空间电子设备的加速寿命试验时，应采用改进的可靠度指数计算公式，在可靠性不变的前提下将周期性变化工作环境温度等效变换为恒定型工作环境温度，从而确定基准应力。

所述的工作环境温度分为恒定型、三角波型、组合型；

其中恒定型工作环境温度下的空间电子设备的可靠度R计算公式为：

λ₀是对应恒定工作环境温度T₀的工作失效率，t是工作时间；

其中三角波型工作环境温度下的空间电子设备的可靠度R计算公式为：

λ_i是对应工作环境温度T_i＝T_L+n·ΔT的工作失效率，n为步阶数，n＝1，2，…，(T_U-T_L)/ΔT；ΔT是步阶温度，取ΔT＝5℃；当n＝1时，T₁＝T_L+5℃；当n＝2时，T₂＝T_L+10℃；…；当n＝(T_U-T_L)/ΔT时，T_n＝T_U；t是工作时间；T_U、T_L分别是上限工作环境温度、下限工作环境温度，t_c是工作环境温度变化一个周期的时间；

其中组合型工作环境温度是恒定型和三角波型的组合，该空间电子设备的可靠度R计算公式为：λ₀是对应恒定工作环境温度T_L的工作失效率，λ_i是对应工作环境温度T_i＝T_L+n·ΔT的工作失效率，n为步阶数，n＝1，2，…，(T_U-T_L)/ΔT；t_c是工作环境温度变化一个周期的时间，ΔT是步阶温度，取ΔT＝5℃；当n＝1时，T₁＝T_L+5℃；当n＝2时，T₂＝T_L+10℃；…；当n＝(T_U-T_L)/ΔT时，T_n＝T_U；t是工作时间。

本发明的有益效果：

1)采用等步阶分割方法由于步阶温度小，步阶数多，因而得到的空间电子设备可靠度结果比现有算法更准确，此法可以推广应用到更一般的变化环境温度下的电子设备的可靠性预计工作中；

2)基于改进的可靠度指数计算公式可以确定变化工作环境温度下的加速寿命试验的温度加速基准应力；

3)由于准确确定了温度加速基准应力，因而可以准确确定加速系数以及最终的可靠性评估结果；

4)温度加速基准应力的准确确定为加速寿命试验中包括子样数量、试验时间、人员安排等的试验成本确定问题提供了科学依据。

附图说明

图1是空间电子设备工作环境温度的种类图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

首先针对工作环境温度的周期性变化，将环境温度进行等步阶分割，其中分图(a)中的T₀是恒定工作环境温度；分图(b)中的T_U、T_L分别是上限工作环境温度、下限工作环境温度，t_c是工作环境温度变化一个周期的时间；分图(c)中的T_U、T_L分别是上限工作环境温度、下限工作环境温度，此时T_L亦代表恒定工作环境温度，t₀、t_c分别是对应工作环境温度变化一个周期的时间(t₀+t_c)中的恒定工作环境温度的时间、变化工作环境温度的时间；按照技术要求，上述T₀、T_U、T_L均是5℃的整倍数；需要说明的是：组合型是恒定型和三角波型的组合，这里一个周期中的恒定段可以是T_L，也可以是T_U，也可以是T_L、T_U或含有T_L、T_U以及介于二者之间的某一个或多个恒定段的组合；一个周期中的三角波型则代表温度上升段和下降段的组合，可以是一组或多组上升段和下降段的组合，且上升段和下降段的温度变化速率可以不一样；

恒定型工作环境温度下的空间电子设备的可靠度R计算公式为：

$R=e^{-{\mathrm{\λ}}_{0}t}---\left(1\right)$

λ₀是对应恒定工作环境温度T₀的工作失效率，t是工作时间；在恒定型工作环境温度下进行加速寿命试验，此恒定工作环境温度即为温度加速基准应力，即是图1中分图(a)中的T₀；

三角波型工作环境温度下的空间电子设备的可靠度R计算公式为：

$R=e^{-\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i\right)t}---\left(2\right)$

λ_i是对应工作环境温度T_i＝T_L+n·ΔT的工作失效率，n为步阶数，n＝1，2，…，(T_U-T_L)/ΔT；ΔT是步阶温度，取ΔT＝5℃；当n＝1时，T₁＝T_L+5℃；当n＝2时，T₂＝T_L+10℃；…；当n＝(T_U-T_L)/ΔT时，T_n＝T_U；t是工作时间；在三角波型工作环境温度下进行加速寿命试验，令公式(2)等号右边等于公式(1)等号右边，化简后则

${\mathrm{\λ}}_0=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i---\left(4\right)$

公式(4)中λ₀是三角波型等效为恒定型工作环境温度下的等效工作失效率，再按照就近就高的原则在λ_i中查出对应此等效工作失效率的实际工作失效率，则此实际工作失效率对应的工作环境温度T_i即为温度加速基准应力；

组合型工作环境温度下的空间电子设备的可靠度R计算公式为

λ₀是对应恒定工作环境温度T_L的工作失效率，λ_i是对应工作环境温度T_i＝T_L+n·ΔT的工作失效率，n为步阶数，n＝1，2，…，(T_U-T_L)/ΔT；ΔT是步阶温度，取ΔT＝5℃；当n＝1时，T₁＝T_L+5℃；当n＝2时，T₂＝T_L+10℃；…；当n＝(T_U-T_L)/ΔT时，T_n＝T_U；t是工作时间；在组合型工作环境温度下进行加速寿命试验，令公式(3)等号右边等于公式(1)等号右边，为区别公式(3)中的λ₀这里用λ₀′代替公式(1)中的λ₀，化简后则

${{\mathrm{\λ}}_0}^{\′}=[{\mathrm{\λ}}_0{t}_0+\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i\right)t_c]\frac{1}{t_0+t_c}---\left(5\right)$

公式(5)中λ₀′是组合型等效为恒定型工作环境温度下的等效工作失效率，再按照就近就高的原则在λ_i中查出对应此等效工作失效率的实际工作失效率，则此实际工作失效率对应的工作环境温度T_i即为温度加速基准应力。

再分别计算每个台阶温度下的对应时间段的可靠度；然后计算一个周期和整个寿命末期的可靠度，最后给出改进的可靠度指数计算公式；

工作环境温度曲线如图1中的分图(c)所示，其中t₀＝4380h，t_c＝4380h，t＝131400h，T_U＝70℃，T_L＝0℃，其温度加速基准应力确定的具体步骤为：

1)将变化工作环境温度按照ΔT＝5℃进行等步阶分割，步阶数n＝(T_U-T_L)/ΔT＝(70-0)℃/5℃＝14；

2)采用应力分析法进行可靠度计算，获得DC-DC变换器的步阶数(n)-工作环境温度(T_i)-工作失效率(λ_i)数值之间的对应关系，见表1；

表1DC-DC变换器的步阶数-工作环境温度-工作失效率数值

注1：n＝0表示不分割，此时为恒定工作环境温度。

注2：GJB/Z 299C-2006、MIL-HDBK-217F分别是GJB/Z 299C-2006，电子设备可靠性预计手册[S].北京：总装备部军标出版发行部，2006和MIL-HDBK-217F，ReliabilityPrediction of Electronic Equipment[S].Department of Defense，Washington D.C.，USA，1991。

注3：Fit(菲特)表示失效率的概念，其含义是1Fit＝1×10^-9/h，即10³个器件工作106h，其中有1个失效。

3)代入表1中的数据，则 $\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{14}\underset{i=1}{\overset{14}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i=98.74\mathrm{Fit};$

4)将以上已知数据代入公式(5)中，得到DC-DC变换器组合型等效为恒定型工作环境温度下的等效工作失效率λ₀′：

${{\mathrm{\λ}}_0}^{\′}=[{\mathrm{\λ}}_0{t}_0+\left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i\right)t_c]\frac{1}{t_0+t_c}$

$=[43.36\×{10}^{-9}\×4380+\left(\frac{1}{14}\underset{i=1}{\overset{14}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i\right)\×4380]\×\frac{1}{4380+4380}$

$=[43.36\×{10}^{-9}\×4380+89.74\×{10}^{-9}\×4380]\×\frac{1}{4380+4380}$

$=66.55\mathrm{Fit};$

5)按照就近就高的原则在表1中查出λ₆＝67.68Fit与λ₀′＝66.55Fit最为接近且高于它，λ₆即是对应此等效工作失效率λ₀′的实际工作失效率，则λ₆对应的工作环境温度T₆＝30℃即为温度加速基准应力。

当选择工作环境温度作为加速应力即通过提高工作环境温度进行空间电子设备的加速寿命试验时，应采用改进的可靠度指数计算公式，在可靠性不变的前提下将周期性变化工作环境温度等效变换为恒定型工作环境温度，从而确定基准应力。

Claims (2)

1.空间电子设备加速寿命试验中温度加速基准应力确定方法，其特征在于：首先针对工作环境温度的周期性变化，将环境温度进行等步阶分割，再分别计算每个台阶温度下的对应时间段的可靠度；然后计算一个周期和整个寿命末期的可靠度，最后给出改进的可靠度指数计算公式；当选择工作环境温度作为加速应力即通过提高工作环境温度进行空间电子设备的加速寿命试验时，应采用改进的可靠度指数计算公式，在可靠性不变的前提下将周期性变化工作环境温度等效变换为恒定型工作环境温度，从而确定基准应力。

2.如权利要求1所述的空间电子设备加速寿命试验中温度加速基准应力确定方法，其特征在于：所述的工作环境温度分为恒定型、三角波型、组合型；

其中恒定型工作环境温度下的空间电子设备的可靠度R计算公式为：

λ₀是对应恒定工作环境温度T₀的工作失效率，t是工作时间；

其中三角波型工作环境温度下的空间电子设备的可靠度R计算公式为：

λ_i是对应工作环境温度T_i＝T_L+n·ΔT的工作失效率，n为步阶数，n＝1，2，…，(T_U-T_L)/ΔT；ΔT是步阶温度，取ΔT＝5℃；当n＝1时，T₁＝T_L+5℃；当n＝2时，T₂＝T_L+10℃；…；当n＝(T_U-T_L)/ΔT时，T_n＝T_U；t是工作时间；T_U、T_L分别是上限工作环境温度、下限工作环境温度，t_c是工作环境温度变化一个周期的时间；

其中组合型工作环境温度是恒定型和三角波型的组合，该空间电子设备的可靠度R计算公式为：

λ₀是对应恒定工作环境温度T_L的工作失效率，λ_i是对应工作环境温度T_i＝T_L+n·ΔT的工作失效率，n为步阶数，n＝1，2，…，(T_U-T_L)/ΔT；t_c是工作环境温度变化一个周期的时间，ΔT是步阶温度，取ΔT＝5℃；当n＝1时，T₁＝T_L+5℃；当n＝2时，T₂＝T_L+10℃；…；当n＝(T_U-T_L)/ΔT时，T_n＝T_U；t是工作时间。

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