CN110426168A - 一种多维应力耦合的星上电子产品加速寿命试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维应力耦合的星上电子产品加速寿命试验方法，该方法充分考虑电子产品的多维加速应力类型，产品的故障模式和失效机理，选择传统的单维加速寿命试验模型，通过多维耦合应力处理方法，构建多维应力加速寿命试验模型，开展加速寿命试验方案设计，具有很强的工程实用性，使得以往的加速寿命试验工作在一定的工程研制条件下，例如多维应力耦合量化关系不明确，试验条件无法考虑多应力的耦合关系，从而可以大大提高卫星电子产品加速试验的真实性和准确性；应用本发明的方法可以有效节省卫星电子产品加速寿命试验时间和成本，大大提高寿命预测的准确度，具有较大的经济效益。

Description

一种多维应力耦合的星上电子产品加速寿命试验方法

技术领域

本发明属于星上产品加速试验技术领域，具体涉及一种多维应力耦合的星上电子产品加速寿命试验方法。

背景技术

航天事业的迅猛发展，我国卫星发射任务越来越密集，长期在轨服务的卫星需求量越来越大，迫切需要超高可靠性和长寿命的航天产品，以满足我国航天发展对高可靠长寿命星箭产品的需求。由于航天产品结构复杂，集成度越来越高，市场需求变化快，且航天产品一旦出现故障会导致无可估量的损失。即使通用化、国产化的电子产品仍存在薄弱环节识别不清晰，国产器件缺乏有效应用验证和功能性能摸底等问题，产品亟待通过加速寿命试验等手段来系统、全面验证。与此同时，产品在复杂空间环境下，通常受到振动、热、电和太阳辐照等多维耦合应力场作用，服役环境恶劣，故障模式繁多，故障机理复杂，应力耦合严重，承受交变应力载荷谱，关键故障机理提取困难，严重影响产品乃至整星服役寿命与可靠性指标。而目前地面的加速试验以单维应力试验为主，根本无法考虑产品多维耦合应力条件下的失效诱因，多维应力耦合的加速试验模型获取困难一直成为制约多维应力耦合作用下的加速试验技术发展的主要瓶颈。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种多维应力耦合的星上电子产品加速寿命试验方法，可以提高卫星电子产品加速试验的真实性和准确性。

一种多维应力耦合的星上电子产品加速寿命试验方法，包括如下步骤：

步骤1、确定卫星电子产品的加速寿命试验中需要考虑的应力类型；

步骤2、确定步骤1中各所述应力类型的加速寿命试验模型，即产品寿命与应力之间的关系式；

步骤3、假设f_i为加载在卫星电子产品上的第i个应力，S为各个应力耦合作用下对卫星电子产品寿命特征量的影响；为第i个应力的加速寿命试验模型；则多维应力因素对产品寿命特征量的方程如下：

求全微分方程得：

对上式两边同除以S得：

假设用表示应力f_n对产品寿命特征量影响因子；

令则得到简化后的多维应力耦合寿命加速试验模型：

上式中，L₀、L₁、L₂…L_n为各应力间的耦合权重系数；

通过以往卫星电子产品的寿命特征量S的数据，以及各个应力加速寿命试验模型通过上式计算各个应力的耦合权重系数；

步骤4、在卫星电子产品考虑的应力的各自范围内选取数据，利用步骤3确定耦合权重系数后的多维应力耦合寿命加速试验模型，开展卫星电子产品加速寿命试验。

一种多维应力耦合的星上电子产品加速寿命试验方法，包括如下步骤：

步骤1、将机械应力、热应力和电应力作为卫星电子产品的加速寿命试验的三种应力类型；

步骤2、确定步骤1中所述三种应力类型的加速寿命试验模型：选择加速试验模型；

与机械应力相关的振动疲劳加速试验模型为：

ξ＝As^-m

式中，ξ是寿命特征量，s为机械应力幅值，A和m为材料双对数S～N曲线中的常数，且m的取值范围为6～25；

与热应力相关的加速试验模型为：

式中，B是一个常数，且B>0；E_a是激活能，与材料有关；k是波尔兹曼常数；T是绝对温度；

与电应力相关的加速试验模型为：

ξ＝CV^-h

式中，C是一个正的常数；h是一个与激活能有关的正的常数；V是应力，为施加的电压；

步骤3、根据步骤2的三种应力的模型，得到三种应力耦合的加速试验模型：

其中，ξ_couple表示三种应力耦合后的寿命特征量；

对三种应力耦合的加速试验模型两边取对数，以将逆幂律模型线性化，即：

进一步简化得到：

式中，a＝ln(ABC)，c＝-m，d＝-h，取值根据以往卫星电子产品的相关数据获得；

步骤4、根据实际卫星电子产品的工况，在其温度T、机械应力幅值S以及电压V的各自范围内选取数据，利用步骤3获得的简化后加速试验模型开展加速寿命试验。

本发明具有如下有益效果：

本发明为星上电子产品在多维应力耦合环境下的加速寿命试验提供了一种新的方法，该方法充分考虑电子产品的多维加速应力类型，产品的故障模式和失效机理，选择传统的单维加速寿命试验模型，通过多维耦合应力处理方法，构建多维应力加速寿命试验模型，开展加速寿命试验方案设计，具有很强的工程实用性，使得以往的加速寿命试验工作在一定的工程研制条件下，例如多维应力耦合量化关系不明确，试验条件无法考虑多应力的耦合关系，从而可以大大提高卫星电子产品加速试验的真实性和准确性。

应用本发明的方法可以有效节省卫星电子产品加速寿命试验时间和成本，大大提高寿命预测的准确度，具有较大的经济效益。本发明对卫星电子产品寿命与可靠性评估提供重要的参考，并可以推广应用于其他领域电子产品的寿命预测分析工作。

因此，本发明针对产品的多维应力耦合环境，提出一种多维应力耦合的星上电子产品加速寿命试验方法，既保证了方法的工程可操作性，又保证了精度。

附图说明

图1为本发明的一种多维应力耦合的星上电子产品加速寿命试验方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

为了克服试验条件难以覆盖产品在轨工况，薄弱环节无法暴露，多维应力耦合关系只能定性而无法定量描述，多维加速试验模型获取困难，导致加速寿命试验无法展开的技术缺陷。本发明目的在于为卫星电子产品提供一种规范、实用且可操作的加速试验模型表征方法，以指导卫星电子产品在多维应力耦合环境下的加速寿命试验设计，实现卫星电子产品可靠性与寿命的快速分析与评价。

如图1所示，本发明的一种多维应力耦合的星上电子产品加速寿命试验方法，具体包括如下步骤：

步骤一、确定加速寿命试验应力类型

加速寿命试验应力的确定应当遵循“加快产品失效，但不改变失效机理”的原则，根据产品的失效机理或者失效模式来选择适宜的加速应力类型，根据卫星电子产品实际工况条件确定典型环境的应力剖面，典型应力剖面是根据以往型号失效模式统计及文献论述，如发射阶段中的随机振动应力、在轨运行中的空间热应力和电应力。根据型号要求，提取典型的应力场条件，如随机功率谱、高温条件和电压分布。暴露产品在典型环境剖面下薄弱环节和危险位置，结合FMEA报告，确定电子产品的典型薄弱环节。电子产品中薄弱环节的工作寿命是通过在振动、热应力所造成的疲劳损伤和电应力失效机理之间采用竞争失效来确定的，而薄弱环节的寿命可以反映出电子产品的整机寿命。

步骤二、确定步骤一中各所述应力类型的加速寿命试验模型，即产品寿命与应力之间的关系式；

步骤三、多维应力耦合关系量化方法；

定义1：耦合是指两个或两个以上的相关事物、系统或运动方式之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象，是在各事物或子系统间的良性或恶性互动下，相互依赖、相互协调、相互制约、相互促进的动态关联关系。

定义2：多维应力耦合矩阵能体现出各个应力之间的函数关系表达式。

定义3：多维应力耦合权重系数是指各个应力量级在总的系统中所具有的重要程度，分别给予不同的比例系数。

(1)多维应力耦合矩阵构建

根据产品空间复杂环境的主要应力因素，如果构建的多维应力耦合矩阵考虑三种应力类型：力、热和电，其他应力因素的影响暂不考虑，其中力学因素用F表示，主要考虑加速度F_A、随机振动F_R和冲击力F_I，F＝[F_A F_R F_I]；热学因素用T表示，主要考虑温度循环T_C、高温T_H和低温T_L，T＝[T_C T_H T_L]；电学因素用E表示，主要考虑电压E_V、电流E_C和功率E_P，E＝[E_VE_C E_P]。

假设应力向量为[F T E]或[F T E]^T，各应力之间的关系用向量的叉乘表示，则双应力广义耦合矩阵如下：

式中，F×T表示力学因素与热学因素的耦合关系表达式，包括大小和方向；F×E表示力学因素与电学因素的耦合关系表达式，包括大小和方向；T×E示热学因素与电学因素的耦合关系表达式，包括大小和方向；F×F、T×T和E×E表示单一力、热和电学因素作用关系，不存在耦合，其他依次类推。

力学和热学因素是对产品有重要的影响作用，表示为F×T，因此三应力广义耦合矩阵如下：

式中，F×T×E表示力学因素、热学因素和电学因素三者之间的耦合关系，包括耦合大小和方向，其他依次类推，形成星载产品在空间环境下力、热和电耦合体系的广义表达式。

(2)多维应力耦合权重系数量化

假设f_i(i＝1,2,...,n)为产品在多维应力环境下的典型应力特征(包括力、热和电等应力类型)，S为各个应力耦合作用下对产品寿命特征量的影响；为应力f₁对产品寿命特征量的影响；为应力f₂对产品寿命特征量影响；以此类推，为应力f_n对产品寿命特征量影响。因此，建立多维应力因素对产品寿命特征量的方程如下：

求全微分方程可得：

对公式(3)两边同除以S得：

假设用表示应力f₁对产品寿命特征量影响因子；用表示应力f₂对产品寿命特征量影响因子；用表示应力f_n对产品寿命特征量影响因子。

令则可以用公式(6)来计算各个应力对产品寿命特征量影响的权重系数。

式中：L₀为常数，L₁、L₂和L_n为各应力间的耦合权重系数。

加速权重系数表示各应力因素对星载产品寿命特征量的贡献程度。通过以往卫星电子产品的寿命特征量S的数据，以及各个应力加速寿命试验模型通过上式计算各个应力的耦合权重系数；

步骤四、在卫星电子产品考虑的应力的各自范围内选取数据，公式(6)，开展卫星电子产品加速寿命试验。

实施例：

步骤一、发射阶段卫星电子产品在随机振动对产品的结构疲劳寿命影响很大，因此随机振动作为加速试验的一种应力类型；电子产品在轨运行工作阶段，长期受到热环境的影响，由于空间环境限制了对流散热的进行，这给电子产品的工作寿命带来了明显的影响，热应力作为加速试验的一种应力类型；作为电子产品重要组成部分，电路系统自身的稳定性和完好性直接决定电子产品输出信号的质量，电路板上的元器件因经历着内部电流和外部环境的影响而极易发生性能退化和失效，电应力重点考虑元器件对电流、电压的承受能力作为加速试验的一种应力类型。

步骤二、选择加速试验模型；

(1)与机械应力相关的振动疲劳加速试验模型

将机械应力产生的疲劳损伤建立在断裂力学疲劳定律之上，从描述材料疲劳现象的s～N曲线出发，得到机械应力与寿命的关系表达式如下。

ξ＝As^-m (7)

式中，ξ是某寿命特征量，s为应力幅值，A和m为材料双对数S～N曲线中的常数，且m的取值范围一般为6～25。

(2)与热应力相关的阿伦尼斯模型

在加速寿命试验中用温度作为加速应力是常见的，因为高温能使产品(如电子元器件、绝缘材料等)内部加快化学反应，促使产品提前失效，加速模型如下。

ξ是某寿命特征量；B是一个常数，且B>0；E_a是激活能，与材料有关，单位是电子伏特，以eV表示；k是波尔兹曼常数。从而E/k的单位是温度，故又称E/k为激活温度；T是绝对温度。

(3)与电应力相关的指数型模型

在加速试验中用电应力作为加速应力也是常见的。例如，加大电压亦能促使产品提前失效。在物理上已被很多实验数据证实，产品的某些寿命特征与应力有如下关系，

ξ＝CV^-h (9)

ξ是某寿命特征量；C是一个正常数；h是一个与激活能有关的正常数；V是应力，常取电压。

步骤三、多维耦合应力加速试验模型构建

选择典型应力下的加速寿命试验模型，借助公式(6)的理论方法，开展模型构建，模型包括力、热和电应力参数，可明确量化各应力之间的耦合作用。选择公式(7)与机械应力相关的振动疲劳加速试验模型、公式(8)与热应力相关的阿伦尼斯模型和公式(9)与电应力相关的指数型模型，三者相乘得到总的加速试验模型即为多维应力耦合的加速试验模型。

根据公式(10)对上述关系两边取对数，就可以将逆幂律模型线性化，即

进一步简化得到：

式中，L＝ξ_couple为星载产品多维应力耦合后的特征寿命值；a＝ln(ABC)，c＝-m，d＝-h，都是待定参数，可以在大量数据的基础上通过数据拟合得到；T为产品的温度；S为产品的机械应力幅值；V为产品的电压。

该模型表明了星载产品寿命特征的对数是温度倒数、机械应力和电应力对数的线性函数。

步骤四、根据步骤三获得的加速试验模型开展多维应力耦合加速寿命试验；

按照试验应力的提高应以不改变产品在正常工作条件的失效机理为准则，依据星载电子产品的计算处理电路板在多维应力耦合下的失效机理为基础，本实施例中确定本试验的机械振动应力水平为0.4g²/Hz、0.6g²/Hz、0.8g²/Hz、1.0g²/Hz；温度应力水平为75℃、80℃、85℃、90℃、；电应力水平90V、100V、110V、120V。综合上述应力水平，对影响星载产品耦合的应力因素进行三因素四水平的正交试验，因素水平如表1所示。

表1为耦合应力因素水平

根据均匀正交试验设计理论，确定机械应力、温度应力和电应力耦合下的加速寿命试验方案如表2所示。

表2星载产品多维应力耦合加速试验方案

根据多维应力耦合加速试验模型，将加速应力条件、试验样本和试验时间与工程条件对比，完成多维应力耦合加速寿命试验方案设计。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多维应力耦合的星上电子产品加速寿命试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定卫星电子产品的加速寿命试验中需要考虑的应力类型；

步骤2、确定步骤1中各所述应力类型的加速寿命试验模型，即产品寿命与应力之间的关系式；

步骤3、假设f_i为加载在卫星电子产品上的第i个应力，S为各个应力耦合作用下对卫星电子产品寿命特征量的影响；为第i个应力的加速寿命试验模型；则多维应力因素对产品寿命特征量的方程如下：

求全微分方程得：

对上式两边同除以S得：

假设用表示应力f_n对产品寿命特征量影响因子；

令则得到简化后的多维应力耦合寿命加速试验模型：

上式中，L₀、L₁、L₂…L_n为各应力间的耦合权重系数；

通过以往卫星电子产品的寿命特征量S的数据，以及各个应力加速寿命试验模型通过上式计算各个应力的耦合权重系数；

步骤4、在卫星电子产品考虑的应力的各自范围内选取数据，利用步骤3确定耦合权重系数后的多维应力耦合寿命加速试验模型，开展卫星电子产品加速寿命试验。

2.一种多维应力耦合的星上电子产品加速寿命试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将机械应力、热应力和电应力作为卫星电子产品的加速寿命试验的三种应力类型；

步骤2、确定步骤1中所述三种应力类型的加速寿命试验模型：选择加速试验模型；

与机械应力相关的振动疲劳加速试验模型为：

ξ＝As^-m

式中，ξ是寿命特征量，s为机械应力幅值，A和m为材料双对数S～N曲线中的常数，且m的取值范围为6～25；

与热应力相关的加速试验模型为：

式中，B是一个常数，且B>0；E_a是激活能，与材料有关；k是波尔兹曼常数；T是绝对温度；

与电应力相关的加速试验模型为：

ξ＝CV^-h

式中，C是一个正的常数；h是一个与激活能有关的正的常数；V是应力，为施加的电压；

步骤3、根据步骤2的三种应力的模型，得到三种应力耦合的加速试验模型：

其中，ξ_couple表示三种应力耦合后的寿命特征量；

对三种应力耦合的加速试验模型两边取对数，以将逆幂律模型线性化，即：

进一步简化得到：

式中，a＝ln(ABC)，c＝-m，d＝-h，取值根据以往卫星电子产品的相关数据获得；

步骤4、根据实际卫星电子产品的工况，在其温度T、机械应力幅值S以及电压V的各自范围内选取数据，利用步骤3获得的简化后加速试验模型开展加速寿命试验。