CN105987823A - 通信装备基于振动应力变换的加速试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信装备基于振动应力变换的加速试验方法，其主要的步骤为：(1)明确产品的可靠性要求；(2)确定加速前的试验方案(3)确定加速因子；(4)确定加速后的量级和相应的时间；(5)加速前后疲劳积累验证；(6)确定加速试验方案。本发明对试验剖面而言，只改变了振动应力，其他应力如电应力、温度应力、湿度应力、循环周期等均未发生变化，试验过程在原有的试验设备上较容易控制和操作实现，不需要增加新的试验设备。

Description

通信装备基于振动应力变换的加速试验方法

技术领域

本发明涉及一种通信装备基于振动应力变换的加速试验方法，属于通信装备可靠性设计领域。

背景技术

为了评价通信装备目前的可靠性水平，一般采用可靠性鉴定或者验收试验来完成。这类试验大都是在模拟环境的试验室条件下，对受试设备施加由任务剖面转化而来的环境应力条件，采用统计学上的“一次抽样检验”方案进行统计和处理试验数据，最终得出结论。目前国内，军用电子类装备研制过程中，一般参照GJB899《可靠性鉴定和验收试验》进行试验。但是，随着技术的进步，产品的可靠性水平越来越高。对于可靠性较高的产品来说，往往需要很长的试验周期和大量的样品。例如，为了鉴定产品的失效率是否达到10^-8/h，在失效分布类型未指数分布，置信度取为0.9，允许失效数r＝0时，需要抽取23万个样品试验1000h，或是抽取1000个产品进行试验，那么试验时间长达26年以上，这就意味着试验尚未完成，产品可能已经被淘汰了。加速寿命试验可以解决上述问题。所谓的加速寿命试验就是用加大应力的方法促使试验品在短期内失效，从而预测产品在正常储存条件或工作条件下的可靠性。

加速寿命试验按照施加的压力，必须在一定的范围内，以保证做到以下三点：

(a)失效机理不变，失效机理要与加速前保持一致性；

(b)存在有规律的加速过程，这有利于统计学的处理分析数据；

(c)退化或失效的分布模型应具有统一性或规律性。

理论上，施加高应力后产品退化方式与正常应力水平下相同，试验时间却能相应的缩短。这种试验可以大大缩短试验周期，满足产品进度和费用的要求。

本发明依据GJB150A.16-2009中附录B2.2提出的，通过变换振动应力方法进行加速的方法，以及应用这种方法进行试验的具体流程，并介绍了一个实践应用的案例。对试验剖面而言，只改变了振动应力，其他应力如电应力、温度应力、湿度应力、循环周期等均未发生变化，试验过程在原有的试验设备上较容易控制和操作实现，不需要增加新的试验设备。

发明内容

本发明提供了一种基于振动应力变换的加速试验方法。考虑了可靠性鉴定试验中各应力周期性循环变化的特点，将加速前后应力的疲劳等价关系折合到一个周期内进行计算。

本发明采取的技术方案是：一种通信装备基于振动应力变换的加速试验方法，其包括如下步骤：

步骤一：明确产品的可靠性要求；根据合同要求，列出被评估对象的可靠性指标；

步骤二：确定加速前的试验方案；根据标准型定时试验方案简表确定如下表中的试验参数：

其中：α为生产方风险，表示MTBF的真值等于其检验上限时设备被拒收的概率，β为使用方风险，表示MTBF的真值等于其检验下限时设备被接收的概率；

步骤三：确定加速因子；应用GJB150A.16-2009中附录B2.2提出的随机振动条件下改变振动应力进行加速的方法，以及利用数学关系公式(1)确定不同振动环境的疲劳等价关系，积累各种疲劳环境产生的振动疲劳损伤和确定振动耐久试验的加速试验量值；

$(W_0/W_1)={(T_1/T_0)}^{\frac{1}{4}}---\left(1\right)$

式中，W₀表示规定的随机振动量值(加速度谱密度)，g²/Hz；

W₁表示施加的随机振动量值(加速度谱密度)，g²/Hz；

T₀表示规定的时间，h；

T₁表示施加的时间，h；

步骤四：确定加速后的量级和相应的时间；对某一产品施加多种种高于正常水平的恒定应力，得到多种不同的寿命数据；

步骤五：加速前后疲劳积累验证；加速后的等效试验时间必须小于整个周期的时间，否则需要加大加速后的振动量级，若振动量级过大，改变了原来故障的失效机理，则应考虑更换其它的加速因子；

步骤六：确定加速试验方案；经过疲劳积累验证，加速后失效机理与加速前一致且时间范围符合周期时间要求，加速前后积累各种疲劳环境产生的振动疲劳损伤为等价关系，因此加速前后疲劳积累是相同的，每周期为8h，确定加速后的周期数；

$N_1=\frac{T_0\·F_0}{8*F_1}---\left(2\right)$

公式(2)，T₀为加速前试验时间；

F₀为加速前每周期最大振动量值的等效时间；

F₁为加速后每周期最大振动量值的等效时间；

加速后的试验时间T₁＝8*N₁；最终确定试验方案。

本发明的有益效果是：本发明适用于可靠性水平较高(最低可接受值MTBF≥2000h)的产品的可靠性试验。用加大应力(但不改变退化机理)的方法促使试验品在短期内失效，从而预测产品在正常储存条件或工作条件下的可靠性。可以应用到电子、机电等多类产品、系统的可靠性设计领域。为提高产品的可靠性分析、设计水平提供了理论基础。

附图说明

图1是基于振动应力变换的可靠性加速试验方法流程图。

图2是加速寿命曲线示意图。

图3是受试设备的可靠性试验剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种通信装备基于振动应力变换的加速试验方法，其包括如下步骤：

步骤一：明确产品的可靠性要求

根据合同要求，列出被评估对象的可靠性指标，如MTBF、MTBCF等。一般情况下，当最低可接受值MTBF≥2000h，考虑采用加速试验方法进行可靠性试验。

步骤二：确定加速前的试验方案

例如最常用的GJB899中的标准型定时试验的方案17，具体试验参数如下表所示。

标准型定时试验方案简表(摘自GJB899-1990的表A3)

表内参数说明：α为生产方风险，表示MTBF的真值等于其检验上限时设备被拒收的概率。β为使用方风险，表示MTBF的真值等于其检验下限时设备被接收的概率。

试验时间T＝4.3θ1，试验时间较长，因此可以通过加大供货方风险α值得方案来选择试验方案。例如采用GJB899中图A23的方案30-1，在此方案中，生产方风险α＝30％，使用方风险β＝30％,出现一个故障即为不合格，累积试验时间为1.2倍θ1的统计试验方案。

步骤三：确定加速因子

本发明应用了GJB150A.16-2009中附录B2.2提出的随机振动条件下改变振动应力进行加速的方法。数学关系公式(1)用于确定不同振动环境的疲劳等价关系，积累各种疲劳环境产生的振动疲劳损伤和确定振动耐久试验的加速试验量值。

$(W_0/W_1)={(T_1/T_0)}^{\frac{1}{4}}---\left(1\right)$

式中，W₀表示规定的随机振动量值(加速度谱密度)，g²/Hz；

W₁表示施加的随机振动量值(加速度谱密度)，g²/Hz；

T₀表示规定的时间，h；

T₁表示施加的时间，h。

这是线形疲劳损伤积累的简化表达式，指数是材料常量(疲劳曲线的斜率或者曲线的斜率)，给出的值适用于航空电子装备，不适用于其他类型的装备。指数值的变化范围与所要求的保守程度以及材料特性有关。必要时，应根据具体材料的疲劳数据(曲线)进行分析。注意：装备上不同部件用材料的曲线可得到不同的等价关系，应确定采用哪个等价关系来确定试验条件。

步骤四：确定加速后的量级和相应的时间

加速寿命试验按照施加的压力，必须在一定的范围内。一般加速后的最大应力不超过设计要求的最大值。

理论上，施加高应力后产品退化方式与正常应力水平下相同，试验时间却能相应的缩短。这种试验可以大大缩短试验周期，满足产品进度和费用的要求。

加速寿命试验的基本原理就是产品的寿命与所加应力的大小有关，应力越大，产品寿命就越短。如图2所示，对某一产品施加五种高于正常水平的恒定应力就得到五种不同的寿命数据，将图示加速寿命曲线延长，A点对应的应力为正常应力水平，为正常应力水平下产品寿命的预测值。

图2中，其他各点与A点积累了相同的失效概率。由图可知，施加的应力越大，到达相同失效概率所需要的时间越短。不同应力条件下，积累到相同的失效概率所用的时间可以通过数学关系进行等价转换。这种数学关系根据失效机理选择应力的不同而不同，例如以温度作为加速应力建立的阿伦尼斯(Arrhenius)模型，以电应力作为加速应力建立的幂率模型，以综合应力为加速应力建立的广义艾林模型(Egrins)等。本文以振动应力作为加速应力，采用的数学关系模型是前文介绍的公式(1)。

通常可靠性鉴定试验为多应力综合试验，温度、湿度、电应力、振动应力等同时施加。且每个周期内振动应力为阶梯状分布。因此需要把计算试验前每周期(或者半个周期)的试验时间折合到最大振动量值的等效时间。每周期(或者半个周期)加速后振动量级下，试验时间折合到最大振动量值的等效时间。

步骤五：加速前后疲劳积累验证

加速后的等效试验时间必须小于整个周期的时间，否则需要加大加速后的振动量级。若振动量级过大，改变了原来故障的失效机理，则应考虑更换其它的加速因子。

步骤六：确定加速试验方案

经过疲劳积累验证，加速后失效机理与加速前一致且时间范围符合周期时间要求。加速前后积累各种疲劳环境产生的振动疲劳损伤为等价关系，因此加速前后疲劳积累是相同的。每周期为8h，确定加速后的周期数。

$N_1=\frac{T_0\·F_0}{8*F_1}---\left(2\right)$

公式(2)，T₀为加速前试验时间；

F₀为加速前每周期最大振动量值的等效时间；

F₁为加速后每周期最大振动量值的等效时间。

加速后的试验时间T₁＝8*N₁；最终确定试验方案。

举例分析：

某通信装备，受试产品只有一套，MTBF最低可接收值为4500h，目标值为9000h，需要进行鉴定试验。

(1)确定加速前试验方案

若采用最常用的GJB899中表3标准星定时试验的方案17，需要19350h，约806天，也就是2.2年，显然是不合适的，因此我们考虑加速的方式进行试验。经过供货方和使用方的协调，采用GJB899中图A23的方案30-1，在此方案中，供货方风险α＝30％，使用方风险β＝30％,出现一个故障即为不合格，累积试验时间为1.2倍θ₁的统计试验方案。方案的时间如表1所示。把试验时间分为3个阶段。阶段1为前10个循环，此阶段可以暴露温度湿度相关的故障；阶段2的试验时间准备进行振动加速；阶段3的时间可以暴露老化方面的故障。

表1：方案30-1的试验时间表

需要说明的是，鉴别比在30-1方案中为3.37，但是实际鉴别比为2，若试验方案的鉴别比大于实际的鉴别比，由试验方案的OC特性曲线可知，只会增加生产方的风险率，因此只要生产使用双方协商一致，可以选用。OC特性曲线，此处不再详述。加速前可靠性试验剖面如图3所示。

(2)确定加速因子

此次试验采用加大振动应力的途径进行试验加速。对一个周期内所有的振动量值全部提高，但必须小于或等于最大振动量值。这种方法提高后的振动量值没有超过原来最大的振动量值，以确保失效机理的一致性。

(3)计算

时间计算仅对阶段2部分进行。加速半个循环周期的试验时间折合到最大振动量值的等效时间如表2所示。等效方法根据公式(1)。

表2：正常应力下半个剖面的量值对应关系

表3：加速后半个剖面的的量值对应关系

(4)确定试验方案

正常应力下，每个循环周期为8h，因此阶段2所需的循环数为5020÷8＝627.5；等效到最大量值对应的时间为627.5×2×1.580274439＝1983.244421(h)；加速前后疲劳积累是相同的，因此加速应力的循环数为1983.244421÷2÷66.10814737≈15。加速后的周期数为15个，即15×8＝120(h)。

加速后的试验时间表如表4所示。

表4：加速后的试验时间表

由表4与表1的对比可知，加速后的时间大大缩短了试验时间，总试验时间约为原来的1/10。对试验剖面而言，只改变了振动应力，其他应力如电应力、温度应力、湿度应力等均未发生变化，试验过程在原有的试验设备上较容易控制和操作实现，不需要增加新的试验设备。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种通信装备基于振动应力变换的加速试验方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：明确产品的可靠性要求；根据合同要求，列出被评估对象的可靠性指标；

步骤二：确定加速前的试验方案；根据标准型定时试验方案简表确定如下表中的试验参数：

其中：α为生产方风险，表示MTBF的真值等于其检验上限时设备被拒收的概率，β为使用方风险，表示MTBF的真值等于其检验下限时设备被接收的概率；

步骤三：确定加速因子；应用GJB150A.16-2009中附录B2.2提出的随机振动条件下改变振动应力进行加速的方法，以及利用数学关系公式(1)确定不同振动环境的疲劳等价关系，积累各种疲劳环境产生的振动疲劳损伤和确定振动耐久试验的加速试验量值；

$\left(W_0/W_1\right)={\left(T_1/T_0\right)}^{\frac{1}{4}}---\left(1\right)$

式中，W₀表示规定的随机振动量值(加速度谱密度)，g²/Hz；

W₁表示施加的随机振动量值(加速度谱密度)，g²/Hz；

T₀表示规定的时间，h；

T₁表示施加的时间，h；

步骤四：确定加速后的量级和相应的时间；对某一产品施加多种种高于正常水平的恒定应力，得到多种不同的寿命数据；

步骤五：加速前后疲劳积累验证；加速后的等效试验时间必须小于整个周期的时间，否则需要加大加速后的振动量级，若振动量级过大，改变了原来故障的失效机理，则应考虑更换其它的加速因子；

步骤六：确定加速试验方案；经过疲劳积累验证，加速后失效机理与加速前一致且时间范围符合周期时间要求，加速前后积累各种疲劳环境产生的振动疲劳损伤为等价关系，因此加速前后疲劳积累是相同的，每周期为8h，确定加速后的周期数；

$N_1=\frac{T_0\·F_0}{8*F_1}---\left(2\right)$

公式(2)，T₀为加速前试验时间；

F₀为加速前每周期最大振动量值的等效时间；

F₁为加速后每周期最大振动量值的等效时间；

加速后的试验时间T₁＝8*N₁；最终确定试验方案。