CN109766600A - 一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法 - Google Patents
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Abstract
一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：采用步进加速退化试验方法选样；选择退化性能参数；选择试验应力及相应的应力水平；建立分离螺母装置的贮存寿命加速模型；线性拟合分离螺母装置的临界解锁压力与贮存时间的退化曲线；对分离螺母装置贮存寿命进行评估。其针对真实航天器多应力贮存环境，合理准确预测分离螺母装置的老化过程和贮存寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，属于弹体结构分离领域。
背景技术
分离螺母装置是一种强连接、弱解锁的点式分离装置，其承载能力较强，分离冲击小，广泛应用于卫星分离、太阳能帆板展开、整流罩分离、级间分离等航天运载器分离系统中，其连接承载和解锁分离功能对于整个航天运载器均是单点失效环节。在长期服役条件下，分离螺母装置因环境应力的作用而发生性能退化直至失效，给航天运载器的使用带来严重的可靠性隐患。因此，需要对分离螺母装置的贮存寿命进行评估。
目前，分离螺母装置的寿命评估程序较为保守，为了保证产品工作可靠性，往往在一定裕度的条件下，采用加大单一环境应力加速后，以“成-败”型试验为基础的功能测试，以获得最短贮存期结论。例如，传统的GJB736.8-1990《火工品试验方法－71℃试验法》，以温度为贮存环境应力，高温71℃放置一段时间后进行成败型试验，由高温71℃下的试验时间，推算出常温21℃下的贮存时间。这一测试过程一方面未考虑到除温度以外的其它贮存环境应力对分离装置性能退化影响；另一方面，这种成败型试验无法提供分离螺母装置在长期贮存下量化的性能衰退信息，难以准确评估分离螺母装置老化过程和贮存寿命；同时，为消除个体差异影响，需要一定量的子样。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术中的上述不足，本发明提出了一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，其针对真实航天器多应力贮存环境，合理准确预测分离螺母装置的老化过程和贮存寿命。
(二)技术方案
一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，包括以下步骤：
步骤S1、采用步进加速退化试验方法选样；
步骤S2、选择退化性能参数；步骤S3、选择试验应力及相应的应力水平；
步骤S4、建立分离螺母装置的贮存寿命加速模型；
步骤S5、线性拟合分离螺母装置的临界解锁压力与贮存时间的退化曲线；
步骤S6、对分离螺母装置贮存寿命进行评估。
所述步骤S1具体为：选定高于正常贮存条件下应力水平T0的n组应力水平T1、T2……Tn，每组应力水平下选取m个样品进行试验，经过一段时间，分别在t1、t2……tn这n个步进时间点取出样品，进行贮存退化特征参数的测量；其中，n和m均为正整数。
所述步骤S2具体为：根据工程实际，基于分离螺母装置的分离功能，选择分离螺母装置的临界解锁压力作为退化性能参数。
所述步骤S3具体为：根据工程实际，试验应力选择为温度和相对湿度；根据失效机理，选定n组接近临界温度和临界相对湿度的应力水平。
所述步骤S4具体为：假设特定温度、湿度试验应力下，特定贮存时间后，不同的分离螺母装置样品的临界解锁压力值及退化量服从正态分布，在不同温度、湿度应力水平下，通过退化量与贮存时间曲线拟合出来的贮存寿命L；所述贮存寿命L符合Peck加速模型：
L＝A(RH)-αexp(Ea/kT) (1)
式(1)中，L表示贮存寿命；RH为相对湿度；k为玻尔兹曼常数，其值为8.6171×10-5eV/K；T指绝对温度；Ea为激活能，其单位是eV；α为湿度的加速率常数；A为寿命常数，代表在相对湿度100％且温度无限高的最恶劣工况下产品寿命。
所述步骤S5具体为：在特定温度、湿度试验应力下，分离螺母装置的临界解锁压力随贮存时间的退化规律采用指数退化模型线性拟合：
式(2)中，i为第i个时间点，t为步进时间；△Pi(t)为t步进时间点的临界解锁压力退化量，ai为退化线性系数，bi为退化指数系数。
所述步骤S6的具体步骤如下：
步骤S61、在常温常湿条件下，选取n×m个分离螺母装置进行临界解锁压力测试试验，获得临界解锁压力样本均值样本方差s；
步骤S62、将上述n×m个分离螺母装置等分成n组，分别在n组应力水平下进行步进时间点贮存之后的临界解锁压力测试；
步骤S63、依据式(2)，计算每个步进时间点临界解锁压力退化量△Pi的均值和方差S，按照标准查得正态容许限系数KU，以获得满足可靠性指标要求的临界解锁压力退化量上限值ΔPri；
步骤S64、由式(2)得到的解锁压力退化量均值拟合出各应力水平下的解锁压力退化量均值与贮存时间t的曲线，由式(3)得到的退化量上限值△Pri拟合出各应力水平下退化量上限值△Pri与贮存时间t的曲线。
步骤S65、设定临界解锁压力退化量功能阈值△Pr，根据各应力水平下的解锁压力退化量上限值△Pri与贮存时间t曲线，获得各应力水平下，满足可靠性指标的贮存寿命L；
步骤S66、将各应力水平下的贮存寿命L，代入式(1)，获得Peck加速模型中参数Ea、α、A的值；
步骤S67：在Peck加速模型中代入分离螺母装置规定贮存条件下的温度和相对湿度值，计算出在规定的贮存条件下的贮存寿命。
所述步骤S63中，所述标准为中国国家标准GJB376-87附表C正态分布可靠度单侧置信下限的表，按由样本量n×m、可靠度R以及规定的置信度γ，查表得到正态容许限系数KU，进而按式(3)计算满足可靠性指标要求的临界解锁压力退化量上限值ΔPri：
式(3)中，ΔPri为临界解锁压力退化量上限值；KU为正态容许限系数，和S分别为临界解锁压力退化量△Pi的均值和方差。
n取3，m取9。
第一应力水平为温度70℃，相对湿度85％；第二应力水平为温度75℃，相对湿度90％；第三应力水平为温度80℃，相对湿度95％；在三个应力水平下进行步进时间点贮存之后的临界解锁压力测试，步进时间点依次为30天、40天和50天，而后，分别取出3个分离螺母装置进行临界解锁压力测试。
(三)有益效果
本发明的一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，其针对真实航天器多应力贮存环境，综合考虑温度和湿度应力对分离螺母装置贮存性能退化影响，并基于可测量的退化特征参数获得分离螺母装置的贮存退化规律，采用小子样加速方法，评估规定贮存环境应力下的分离螺母装置贮存寿命。其功能可靠性指标达到置信度0.95，可靠度0.9999。
附图说明
图1本发明的一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法中评估步骤的具体流程图。
图2分离螺母装置在某应力水平下的临界解锁压力退化量随贮存时间的变化曲线。
具体实施方式
本发明提出一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，包括以下步骤：
步骤S1、采用步进加速退化试验方法选样：
选定高于正常贮存条件下应力水平T0的n组应力水平T1、T2……Tn，每组应力水平下选取m个样品进行试验，经过一段时间，分别在t1、t2……tn这n个步进时间点取出样品，进行贮存退化特征参数的测量；其中，n和m均为正整数。
具体试验中，n取3，m取9。
步骤S2、选择退化性能参数：
根据工程实际，基于分离螺母装置的分离功能，选择分离螺母装置的临界解锁压力作为退化性能参数。
选择分离螺母装置在长期贮存过程中造成性能退化失效模式主要为MoS2涂层摩擦系数增大和密封圈密封性能下降，导致其解锁阻力增大而失效。
步骤S3、选择试验应力及相应的应力水平：
根据工程实际，试验应力选择为温度和相对湿度；根据失效机理，选定n组接近临界温度和临界相对湿度的应力水平。
温度和相对湿度是分离螺母装置长期贮存过程中影响其解锁阻力的最主要因素。临界值：温度80℃，相对湿度95％以下，在临界应力水平下分离螺母装置的解锁功能失效机理与正常应力水平下的解锁功能失效机理相同。在具体试验中，选定应力水平为(70℃、85％)、(75℃、90％)、(80℃、95％)。
步骤S4、建立分离螺母装置的贮存寿命加速模型：
假设特定温度、湿度试验应力下，特定贮存时间后，不同的分离螺母装置样品的临界解锁压力值及退化量服从正态分布，在不同温度、湿度应力水平下，通过退化量-贮存时间曲线拟合出来的贮存寿命L。
所述贮存寿命L符合Peck加速模型：
L＝A(RH)-αexp(Ea/kT) (1)
式(1)中，L表示贮存寿命；RH为相对湿度；k为玻尔兹曼常数，其值为8.6171×10-5eV/K；T指绝对温度；Ea为激活能，其单位是eV；α为湿度的加速率常数；A为寿命常数，代表在相对湿度100％且温度无限高的最恶劣工况下产品寿命。
其中，对于湿度的加速率常数α，不同的失效类型对应不同的加速率常数值，加速率常数值通常介于2-3之间。
具体试验中，将3个恒温、恒湿应力水平下的通过退化量-贮存时间曲线外推得到的3个平均贮存寿命L代入上述Peck加速模型中，所述外推为一种近似计算方法，采用向后数值误差估计推出近似解。解三元一次方程即可得到该Peck加速模型中的三个未知参数：Ea、α、A，从而确定了其Peck加速模型。
步骤S5、线性拟合分离螺母装置的临界解锁压力-贮存时间的退化曲线：
在特定温度、湿度试验应力下，分离螺母装置的临界解锁压力随贮存时间的退化规律采用指数退化模型线性拟合：
式(2)中，i为第i个时间点，t为步进时间；△Pi(t)为t步进时间点的临界解锁压力退化量，ai为退化线性系数，bi为退化指数系数。
步骤S6、对分离螺母装置贮存寿命进行评估：
参见图1，所述评估的具体步骤如下：
步骤S61、在常温常湿条件下，选取n×m个分离螺母装置进行临界解锁压力测试试验，获得临界解锁压力样本均值样本方差s。
具体试验中，n×m为27。
步骤S62、将上述n×m个分离螺母装置等分成n组，分别在n组应力水平下进行步进时间点贮存之后的临界解锁压力测试。
具体试验中，分别在应力水平1(温度70℃，相对湿度85％)、应力水平2(温度75℃，相对湿度90％)、应力水平3(温度80℃，相对湿度95％)下进行步进时间点贮存之后的临界解锁压力测试，步进时间点依次为30天、40天和50天，而后，分别取出3个分离螺母装置进行临界解锁压力测试。
步骤S63、依据式(2)，计算每个步进时间点临界解锁压力退化量△Pi的均值和方差S，按照标准查得正态容许限系数KU，以获得满足可靠性指标要求的临界解锁压力退化量上限值ΔPri。
所述标准为中国国家标准GJB376-87附表C正态分布可靠度单侧置信下限的表，按由样本量n×m、可靠度R以及规定的置信度γ，查表得到正态容许限系数KU，进而按式(3)计算满足可靠性指标要求的临界解锁压力退化量上限值ΔPri。
式(3)中，ΔPri为临界解锁压力退化量上限值；KU为正态容许限系数，和S分别为临界解锁压力退化量△Pi的均值和方差。
步骤S64、由式(2)得到的解锁压力退化量均值拟合出各应力水平下的解锁压力退化量均值-贮存时间t的曲线，由式(3)得到的退化量上限值△Pri拟合出各应力水平下退化量上限值△Pri-贮存时间t曲线。两曲线参见图2。
步骤S65、设定临界解锁压力退化量功能阈值△Pr，根据各应力水平下的解锁压力退化量上限值△Pri-贮存时间t曲线，获得各应力水平下，满足可靠性指标的贮存寿命L。
步骤S66、将各应力水平下的贮存寿命L，代入式(1)，获得Peck加速模型中参数Ea、α、A的值。
步骤S67：在Peck加速模型中代入分离螺母装置规定贮存条件下的温度和相对湿度值，计算出在规定的贮存条件下的贮存寿命。
Claims (10)
1.一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、采用步进加速退化试验方法选样；
步骤S2、选择退化性能参数；步骤S3、选择试验应力及相应的应力水平；
步骤S4、建立分离螺母装置的贮存寿命加速模型；
步骤S5、线性拟合分离螺母装置的临界解锁压力与贮存时间的退化曲线；
步骤S6、对分离螺母装置贮存寿命进行评估。
2.如权利要求1所述的一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：选定高于正常贮存条件下应力水平T0的n组应力水平T1、T2……Tn，每组应力水平下选取m个样品进行试验，经过一段时间，分别在t1、t2……tn这n个步进时间点取出样品，进行贮存退化特征参数的测量；其中，n和m均为正整数。
3.如权利要求2所述的一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：根据工程实际，基于分离螺母装置的分离功能，选择分离螺母装置的临界解锁压力作为退化性能参数。
4.如权利要求3所述的一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：根据工程实际，试验应力选择为温度和相对湿度；根据失效机理，选定n组接近临界温度和临界相对湿度的应力水平。
5.如权利要求4所述的一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：假设特定温度、湿度试验应力下，特定贮存时间后，不同的分离螺母装置样品的临界解锁压力值及退化量服从正态分布，在不同温度、湿度应力水平下，通过退化量与贮存时间曲线拟合出来的贮存寿命L；所述贮存寿命L符合Peck加速模型：
L＝A(RH)-αexp(Ea/kT) (1)
式(1)中，L表示贮存寿命；RH为相对湿度；k为玻尔兹曼常数，其值为8.6171×10-5eV/K；T指绝对温度；Ea为激活能，其单位是eV；α为湿度的加速率常数；A为寿命常数，代表在相对湿度100％且温度无限高的最恶劣工况下产品寿命。
6.如权利要求5所述的一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：在特定温度、湿度试验应力下，分离螺母装置的临界解锁压力随贮存时间的退化规律采用指数退化模型线性拟合：
式(2)中，i为第i个时间点，t为步进时间；△Pi(t)为t步进时间点的临界解锁压力退化量，ai为退化线性系数，bi为退化指数系数。
7.如权利要求1所述的一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S6的具体步骤如下：
步骤S61、在常温常湿条件下，选取n×m个分离螺母装置进行临界解锁压力测试试验，获得临界解锁压力样本均值x、样本方差s；
步骤S62、将上述n×m个分离螺母装置等分成n组，分别在n组应力水平下进行步进时间点贮存之后的临界解锁压力测试；
步骤S63、依据式(2)，计算每个步进时间点临界解锁压力退化量△Pi的均值和方差S，按照标准查得正态容许限系数KU，以获得满足可靠性指标要求的临界解锁压力退化量上限值ΔPri；
步骤S64、由式(2)得到的解锁压力退化量均值拟合出各应力水平下的解锁压力退化量均值与贮存时间t的曲线，由式(3)得到的退化量上限值△Pri拟合出各应力水平下退化量上限值△Pri与贮存时间t的曲线。
步骤S65、设定临界解锁压力退化量功能阈值△Pr，根据各应力水平下的解锁压力退化量上限值△Pri与贮存时间t曲线，获得各应力水平下，满足可靠性指标的贮存寿命L；
步骤S66、将各应力水平下的贮存寿命L，代入式(1)，获得Peck加速模型中参数Ea、α、A的值；
步骤S67：在Peck加速模型中代入分离螺母装置规定贮存条件下的温度和相对湿度值，计算出在规定的贮存条件下的贮存寿命。
8.如权利要求7所述的一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，其特征在于，所述步骤S63中，所述标准为中国国家标准GJB376-87附表C正态分布可靠度单侧置信下限的表，按由样本量n×m、可靠度R以及规定的置信度γ，查表得到正态容许限系数KU，进而按式(3)计算满足可靠性指标要求的临界解锁压力退化量上限值ΔPri：
式(3)中，ΔPri为临界解锁压力退化量上限值；KU为正态容许限系数，和S分别为临界解锁压力退化量△Pi的均值和方差。
9.如权利要求4所述的一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，其特征在于，n取3，m取9。
10.如权利要求9所述的一种多应力小子样的分离螺母装置贮存寿命评估方法，其特征在于，第一应力水平为温度70℃，相对湿度85％；第二应力水平为温度75℃，相对湿度90％；第三应力水平为温度80℃，相对湿度95％；在三个应力水平下进行步进时间点贮存之后的临界解锁压力测试，步进时间点依次为30天、40天和50天，而后，分别取出3个分离螺母装置进行临界解锁压力测试。
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