CN116930725B - 一种船用电路板卡使用寿命试验与评估方法及系统 - Google Patents

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CN116930725B CN202311187925.7A CN202311187925A CN116930725B CN 116930725 B CN116930725 B CN 116930725B CN 202311187925 A CN202311187925 A CN 202311187925A CN 116930725 B CN116930725 B CN 116930725B
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Abstract

本发明提供了一种船用电路板卡使用寿命试验与评估方法及系统，包括：对船用的电路板卡进行失效模式和效果分析，获得电路板卡的关键元器件和失效模式；基于电路板卡的使用环境和失效模式，分析影响电路板卡失效的主要环境应力；对电路板卡及关键元器件进行环境应力筛选，获得筛选合格的电路板卡及关键元器件；对电路板卡进行主要环境应力的工作极限试验，获得主要环境应力的工作极限；基于主要环境应力的工作极限，对电路板卡及关键元器件进行加速寿命试验，获得试验数据；基于试验数据对电路板卡进行寿命评估，获得电路板卡在正常使用条件下的寿命分布，从而实现准确评估船用电路板卡在正常工作条件下的寿命分布，规范船用电路板卡的使用和更换。

Description

一种船用电路板卡使用寿命试验与评估方法及系统
技术领域
本发明属于可靠性工程技术领域，更具体地，涉及一种船用电路板卡使用寿命试验与评估方法及系统。
背景技术
电路板卡为船上电子控制系统的核心部件，电路板卡通过各种电子元器件对各种电信号进行处理与计算，从而输出所需电信号。
目前船舶系统内部电路板卡寿命件的寿命底数不明确，无法在电路板卡超出有效使用周期前，对其进行更换，导致部分电子电气设备电路板卡超期使用的现象比较突出，威胁船舶航行安全。因此，如何准确评估船用电路板卡在正常工作条件下的寿命分布，成为了船用电路板卡使用寿命评估领域亟待克服的技术难题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种船用电路板卡使用寿命试验与评估方法及系统，旨在解决如何准确评估船用电路板卡在正常工作条件下的寿命分布的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种船用电路板卡使用寿命试验与评估方法，包括以下步骤：
步骤S101，对船用的电路板卡进行失效模式和效果分析，获得电路板卡的关键元器件和失效模式；
步骤S102，基于电路板卡的使用环境和失效模式，分析影响电路板卡失效的主要环境应力；
步骤S103，对电路板卡及关键元器件进行环境应力筛选，获得筛选合格的电路板卡及关键元器件；
步骤S104，对电路板卡进行主要环境应力的工作极限试验，获得主要环境应力的工作极限；
步骤S105，基于主要环境应力的工作极限，对电路板卡及关键元器件进行加速寿命试验，获得试验数据；所述试验数据包括电路板卡及关键元器件的失效时间、失效数量和失效次数；
步骤S106，基于试验数据针对电路板卡进行寿命评估，获得电路板卡在正常使用条件下的寿命分布。
在一个可选的示例中，步骤S106具体包括：
基于电路板卡的实际使用工况，预估电路板卡在单位时间内的实际使用时间；
基于试验数据进行威布尔分布拟合，获得电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布；
基于电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，采用最小二乘法计算加速因子参数；
基于加速因子参数，主要环境应力的工作极限，以及正常使用条件下主要环境应力的应力值，计算加速寿命试验相对于正常使用条件的加速因子；
基于电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，加速寿命试验相对于正常使用条件的加速因子，以及单位时间内的实际使用时间，计算电路板卡在正常使用条件下的寿命分布。
在一个可选的示例中，基于试验数据进行威布尔分布拟合，获得电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，包括：
基于试验数据，获得电路板卡在加速寿命试验下的经验分布函数；
基于试验数据中的失效时间，以及经验分布函数，在威布尔概率纸上描点拟合，并基于拟合得到的直线确定威布尔分布中的形状参数和尺度参数；
基于形状参数和尺度参数，以及预设的位置参数，确定电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布。
在一个可选的示例中，所述主要环境应力包括温度和湿度。
在一个可选的示例中，在加速寿命试验期间，对电路板卡及关键元器件通电，每隔一定时间恢复到常温常湿条件下进行电性能测试；
在加速寿命试验后，对电路板卡及关键元器件进行性能测试，以获得最终的试验数据；所述性能测试包括外观检查、X射线透射检查和电性能测试。
第二方面，本发明提供了一种船用电路板卡使用寿命试验与评估系统，包括：
失效分析模块，用于对船用的电路板卡进行失效模式和效果分析，获得电路板卡的关键元器件和失效模式；
加速应力确定模块，用于基于电路板卡的使用环境和失效模式，分析影响电路板卡失效的主要环境应力；
环境应力筛选模块，用于对电路板卡及关键元器件进行环境应力筛选，获得筛选合格的电路板卡及关键元器件；
工作极限试验模块，用于对电路板卡进行主要环境应力的工作极限试验，获得主要环境应力的工作极限；
加速寿命试验模块，用于基于主要环境应力的工作极限，对电路板卡及关键元器件进行加速寿命试验，获得试验数据；所述试验数据包括电路板卡及关键元器件的失效时间、失效数量和失效次数；
寿命评估模块，用于基于试验数据针对电路板卡进行寿命评估，获得电路板卡在正常使用条件下的寿命分布。
在一个可选的示例中，所述寿命评估模块具体用于：
基于电路板卡的实际使用工况，预估电路板卡在单位时间内的实际使用时间；
基于试验数据进行威布尔分布拟合，获得电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布；
基于电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，采用最小二乘法计算加速因子参数；
基于加速因子参数，主要环境应力的工作极限，以及正常使用条件下主要环境应力的应力值，计算加速寿命试验相对于正常使用条件的加速因子；
基于电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，加速寿命试验相对于正常使用条件的加速因子，以及单位时间内的实际使用时间，计算电路板卡在正常使用条件下的寿命分布。
在一个可选的示例中，基于试验数据进行威布尔分布拟合，获得电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，包括：
基于试验数据，获得电路板卡在加速寿命试验下的经验分布函数；
基于试验数据中的失效时间，以及经验分布函数，在威布尔概率纸上描点拟合，并基于拟合得到的直线确定威布尔分布中的形状参数和尺度参数；
基于形状参数和尺度参数，以及预设的位置参数，确定电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布。
在一个可选的示例中，所述加速应力确定模块中主要环境应力包括温度和湿度。
在一个可选的示例中，所述加速寿命试验模块在加速寿命试验期间，对电路板卡及关键元器件通电，每隔一定时间恢复到常温常湿条件下进行电性能测试；
在加速寿命试验后，对电路板卡及关键元器件进行性能测试，以获得最终的试验数据；所述性能测试包括外观检查、X射线透射检查和电性能测试。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种船用电路板卡使用寿命试验与评估方法及系统，通过FMEA分析得到电路板卡的关键元器件，用关键元器件的寿命等效电路板卡的寿命，解决了电路板卡样品少导致失效时间分布求解困难的问题，并且，根据电路板卡的使用环境及失效模式，分析影响电路板卡失效的主要环境应力，设计环境应力筛选试验剔除电路板卡及元器件的早期故障，设计工作极限应力摸底试验，获得主要环境应力的工作极限形成电路板卡及关键元器件加速寿命试验的应力输入，进而获得试验数据进行寿命评估，最终实现准确评估船用电路板卡在正常工作条件下的寿命分布，从而有效规范船用电路板卡的使用和更换，保障船舶系统的安全性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的船用电路板卡使用寿命试验与评估方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的船用电路板卡使用寿命试验与评估方法的总体路线图；
图3是本发明实施例提供的温度循环应力条件的示意图；
图4是本发明实施例提供的高温步进试验的试验剖面图；
图5是本发明实施例提供的电路板卡的实际使用寿命剖面图；
图6是本发明实施例提供的加速寿命试验剖面示意图；
图7是本发明实施例提供的船用电路板卡使用寿命试验与评估系统的架构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
电路板卡通常布置于船员常驻舱室，舱室内布置有大气控制系统，将舱室内温度控制在18℃～35℃区间内，湿度控制在40%～60%区间内。所有放置电路板卡的机柜底部均配置有弹性减振器，用以隔离船体及周围其他设备的振动。在机柜内部通常设置有风机进行散热，有效地保证机柜内部温度不会过高。船上交流与直流电网的电压波动率均保持在±5%以内，能够保证输入电路板卡的电信号稳定。同时因为舰船用电路板卡造价昂贵且时间周期长，可用于试验的样本数量会相对较少。
针对现有使用寿命实验技术不成熟，无法实现评估船用电路板卡在正常工作条件下的寿命分布，本发明根据电路板卡性能退化规律及失效影响因素分析，研究提出一种船用电路板卡使用寿命试验与评估方法，对电路板卡开展使用寿命贮存寿命试验，摸清电路板卡的失效规律，并以此为依据综合评估船用电路板卡的技术状态，通过加速寿命试验掌握船用电路板卡的寿命底数以及完善寿命指标，从而有效规范船用电路板卡的使用和更换，保障船舶系统的安全性。
图1是本发明实施例提供的船用电路板卡使用寿命试验与评估方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S101，对船用的电路板卡进行失效模式和效果分析（FMEA分析），获得电路板卡的关键元器件和失效模式；
步骤S102，基于电路板卡的使用环境和失效模式，分析影响电路板卡失效的主要环境应力；
步骤S103，对电路板卡及关键元器件进行环境应力筛选，获得筛选合格的电路板卡及关键元器件；
步骤S104，对电路板卡进行主要环境应力的工作极限试验，获得主要环境应力的工作极限；
步骤S105，基于主要环境应力的工作极限，对电路板卡及关键元器件进行加速寿命试验，获得试验数据；所述试验数据包括电路板卡及关键元器件的失效时间、失效数量和失效次数；
步骤S106，基于试验数据针对电路板卡进行寿命评估，获得电路板卡在正常使用条件下的寿命分布。
具体地，由于可供试验用的电路板卡较少，求解失效时间分布十分困难，本发明根据电路板卡原理分析，若板上关键元器件失效，将直接导致电路板卡功能失效，因此可以用关键元器件的寿命等效电路板卡的寿命。关键元器件的选取依据为FMEA分析结果，通过FMEA分析得到电路板卡的薄弱点和关键元器件。
根据FMEA分析还可以得到电路板卡的失效模式，从而确定主要诱发应力，再根据电路板卡的使用环境可以排除掉电路板卡在运行过程中不太会存在的诱发应力，最终即可确定影响电路板卡失效的主要环境应力。
为确认提供的电路板卡及关键元器件是否已经剔除早期失效，需对电路板卡及元器件进行环境应力筛选试验，环境应力筛选试验属于非破坏性试验，不改变产品的固有可靠性。优选地，电路板卡环境应力筛选试验的过程可以是：振动—温度循环—温度循环—振动，其中前两项为缺陷剔除阶段，后两项为无故障检验阶段，其中振动具体为随机振动试验。关键元器件应力筛选试验需要根据元器件的类别选择相应的试验方法。
为加快加速因子确定试验及加速寿命试验的进程，可以选取筛选合格的电路板卡进行主要环境应力的工作极限试验即工作极限应力摸底试验，获得主要环境应力的工作极限，作为加速寿命试验的应力输入。需要说明的是，关键元器件已进行环境应力筛选，单一做元器件的极限应力摸底费效比过低，不同元器件极限不同，电路板卡功能是否能保持仅取决于极限最低的元器件，但做试验之前无法确定哪个元器件极限最低，故无需单独开展元器件的极限应力摸底。
根据主要环境应力的工作极限，对电路板卡及关键元器件进行加速寿命试验，获得试验数据；此处的试验数据可以包括电路板卡及关键元器件的失效时间、失效数量和失效次数，还可以包括试验获取的其他有利于寿命评估的可信数据，本发明实施例对此不作具体限定。最后，即可根据试验数据针对电路板卡进行寿命评估，获得电路板卡在正常使用条件下的寿命分布。
本发明实施例提供的方法，通过FMEA分析得到电路板卡的关键元器件，用关键元器件的寿命等效电路板卡的寿命，解决了电路板卡样品少导致失效时间分布求解困难的问题，并且，根据电路板卡的使用环境及失效模式，分析影响电路板卡失效的主要环境应力，设计环境应力筛选试验剔除电路板卡及元器件的早期故障，设计工作极限应力摸底试验，获得主要环境应力的工作极限形成电路板卡及关键元器件加速寿命试验的应力输入，进而获得试验数据进行寿命评估，最终实现准确评估船用电路板卡在正常工作条件下的寿命分布。
基于上述实施例，为了保证后续寿命试验样本的合格性，并且方便与后续寿命试验的试验数据进行性能对比分析，以进一步提高寿命评估的准确性，本发明实施例中环境应力筛选试验前和试验后还对电路板卡进行性能测试，试验中通电期间监测电路板卡的运行状态。性能测试包括外观检查、X射线透射检查和电性能测试。
因此本发明实施例的整体流程为：首先确定温度、湿度是寿命试验中添加的环境应力。其次，在环境应力筛选试验前，对电路板卡及其关键元器件进行性能测试（即上述3种性能测试方法）；检查完毕后，再对电路板卡和关键元器件进行环境应力筛选试验，试验后再次进行性能测试检查；接着，进行工作极限应力摸底试验。然后，进行寿命试验。最后，进行寿命评估。
基于上述任一实施例，步骤S106具体包括：
基于电路板卡的实际使用工况，预估电路板卡在单位时间内的实际使用时间；
基于试验数据进行威布尔分布拟合，获得电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布；
基于电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，采用最小二乘法计算加速因子参数；
基于加速因子参数，主要环境应力的工作极限，以及正常使用条件下主要环境应力的应力值，计算加速寿命试验相对于正常使用条件的加速因子；
基于电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，加速寿命试验相对于正常使用条件的加速因子，以及单位时间内的实际使用时间，计算电路板卡在正常使用条件下的寿命分布。
进一步地，根据电路板卡的加速寿命试验所采用的加速应力即主要环境应力，可以确定对应所使用的加速模型。根据试验统计数据，按可靠性理论进行数据统计分析，判断寿命分布模型，可以求出加速模型中加速因子参数的估计。再将主要环境应力的工作极限，以及正常使用条件下主要环境应力的应力值输入到加速模型中，即可计算出加速寿命试验相对于正常使用条件的加速因子。
例如，根据电路板卡的实际使用工况可知，电路板卡先贮存t时间后，再进行安装使用，然后每次运行时间约为143天，后停止运行时间约为100天，然后继续使用，如此循环。以单位时间为一年为例，所有使用都按一年143/（100+143）×365≈214天，每天24h进行折算，（加速寿命试验下的寿命×加速因子）/（折算后实际一年使用时间×一天24h）即可得到正常使用条件下的使用寿命。
基于上述任一实施例，基于试验数据进行威布尔分布拟合，获得电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，包括：
基于试验数据，获得电路板卡在加速寿命试验下的经验分布函数；
基于试验数据中的失效时间，以及经验分布函数，在威布尔概率纸上描点拟合，并基于拟合得到的直线确定威布尔分布中的形状参数和尺度参数；
基于形状参数和尺度参数，以及预设的位置参数，确定电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布。
进一步地，假设产品服从威布尔分布，那么其寿命分布函数可写成：
式中，β表示形状参数，γ表示位置参数，η表示尺度参数。
这里将γ取值可以为0，故有：
该式可以表示为：
y=A+Bx
其中，y=ln{-ln(1-F(t))}，A=-βln(η)，B=β，x=ln(t)。
根据试验得到的失效时间数据t，推导出x，然后以经验分布函数近似真实的分布函数，得到F(t i)，进而可确定y。最后，以各个(x，y)在威布尔概率纸上描点画出近似直线，由该直线的斜率求出β，由其截距求出η，或以计算机软件进行线性拟合，根据其线性系数和常数项求出参数β、η。最终即可确定电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布F(t)。
基于上述任一实施例，所述主要环境应力包括温度和湿度。
具体地，船用电路板卡属于电子产品，主要使用环境为海洋环境。根据FMEA分析，电路板卡及关键元器件（如电解电容、整流桥等）主要失效模式为短路、开路、击穿、器件失效等，诱发应力主要为电压、振动、温度循环、高温、高湿等。
电压：由于技术设计阶段采用降额设计的方法，并选用高质量材料，产品运行过程中电应力低，同时产品在电压允许波动范围内进行实时电压监测，当电压超出波动范围后导致产品过压保护，结合实际运行工况需要通电运行，所以电压因素作为试验因子，不作为试验的主要影响因素。
振动：产品持续运行在减震效果较好的舱内，不作为主要影响因素。
温度循环：产品持续运行在温度环境稳定的室内，不作为主要影响因素。
高温：电子产品运行时高温是影响产品失效的主要影响因素。
高湿：电子产品运行时湿度是影响产品失效的主要影响因素。
综上所述，影响电路板卡失效的主要环境应力为温度和湿度，采用高温和高湿作为加速寿命试验的主要施加应力。
相应地，对于温度的工作极限试验，可以采用高温步进试验的方法对电路板卡的工作极限温度上限进行评估。加速寿命试验使用的加速模型可以为Peck温-湿模型，从而根据Peck温-湿模型计算加速寿命试验相对于正常使用条件的加速因子。
基于上述任一实施例，在加速寿命试验的试验应力加载时，为最大限度地加速试验，缩短试验时间，可以选用两种试验应力的加载方法即恒定应力法和波动应力法。
若预估寿命时间较长，则建议采用恒定应力法，节省时间并快速得到可信度较高的寿命结果；若预估寿命时间相对较短，则建议采用波动应力法，充分对电路板卡寿命指标进行试验考核，但是要注意排除综合应力影响下引入新的失效模式，可能会导致试验结果不准确。
需要说明的是，预估寿命时间可以根据生产厂家提供的电路板卡相关参数或同类电路板卡的使用数据调研预估其寿命时间。预估寿命时间只是在试验前对样品寿命的一个预测时间，是不准确的，后面的寿命评估是根据试验数据，计算出较为准确的寿命时间。
基于上述任一实施例，为了获得更加全面的试验数据，进一步提升寿命评估的准确性，本发明实施例中在加速寿命试验期间，对电路板卡及关键元器件通电，每隔一定时间恢复到常温常湿条件下进行电性能测试；
在加速寿命试验后，对电路板卡及关键元器件进行性能测试，以获得最终的试验数据；所述性能测试包括外观检查、X射线透射检查和电性能测试。
在试验后的常温功能检查和性能测试中若出现失效，则对失效的判定、统计等与试验中出现失效作相同处理。
进一步地，性能测试包括具体包括如下内容：
（a）外观检查
电路板卡：检查板卡外观是否损坏，如：出现元器件松动、元器件破裂、板卡断裂、焊盘断裂、接插件变形、电解电容鼓包或漏液、器件或电路烧蚀痕迹等。
元器件：检查元器件引脚是否断裂或脱落，元器件主体是否破损，电解电容鼓包或漏液等。
（b）X射线透射检查
电路板卡：使用X射线透视仪检查电路板内部是否存在异常，如：电路板焊点开裂、电路板上器件破损、击穿、断线等。
元器件：使用X射线透视仪检查器件内部是否存在异常，如：器件内部击穿破损、击穿、断线等。
（c）电性能测试
电路板卡：对电路板输入要求电源，电路板输出接入负载，测试电路板输出电压性能。
元器件：按元器件规格，测试元器件关键参数。
基于上述任一实施例，本发明提供的船用电路板卡使用寿命试验与评估方法的技术方案具体如下：
（一）元器件选取原则
由于可供试验用的电路板卡较少，求解失效时间分布十分困难，目前对样本量扩充的方法主要采用Bootstrap法和Jacknife法，但是两种方法均适用于样本量大于10的小子样评估，无法满足现有电路板卡只能提供1个或2个的极小子样的试验问题；此外，根据电路板卡原理分析，若板上关键元器件失效，将直接导致电路板卡功能失效，因此可以用关键元器件的寿命等效电路板卡的寿命。关键元器件的选取依据为FMEA分析结果，通过FMEA分析得到电路板卡的薄弱点和关键元器件。
（二）试验方案设计
图2是本发明实施例提供的船用电路板卡使用寿命试验与评估方法的总体路线图，如图2所示，方案总体路线：首先对电路板卡的使用环境及影响因素进行分析，得到电路板卡的环境影响因子即主要环境应力，其次，为鉴别和剔除电路板卡及元器件的早期故障，设计环境应力筛选试验，进一步地，为明确电路板卡和元器件的工作极限应力，设计工作极限应力摸底试验，形成电路板卡和元器件寿命试验的应力输入，最终实现电路板卡的寿命评估。
（1）使用环境及影响因素分析
电路板卡属于电子产品，主要使用环境为海洋环境。根据FMEA分析，电路板卡及关键元器件（如电解电容、整流桥等）主要失效模式为短路、开路、击穿、器件失效等，诱发应力主要为电压、振动、温度循环、高温、高湿等。
电压：由于技术设计阶段采用降额设计的方法，并选用高质量材料，产品运行过程中电应力低，同时产品在电压允许波动范围内进行实时电压监测，当电压超出波动范围后导致产品过压保护，结合实际运行工况需要通电运行，所以电压因素作为试验因子，不作为试验的主要影响因素。
振动：产品持续运行在减震效果较好的舱内，不作为主要影响因素。
温度循环：产品持续运行在温度环境稳定的室内，不作为主要影响因素。
高温：电子产品运行时高温是影响产品失效的主要影响因素。
高湿：电子产品运行时湿度是影响产品失效的主要影响因素。
综上所述，采用高温、高湿作为寿命试验的主要施加应力。
（2）性能测试方法
性能测试主要包括：外观检查、X射线透射检查、功能性能测试即电性能测试。
（3）环境应力筛选试验
为确认提供的电路板卡及关键元器件是否已经剔除早期失效，需对电路板卡及元器件进行环境应力筛选试验，环境应力筛选试验属于非破坏性试验，不改变产品的固有可靠性。
（3-1）电路板卡环境应力筛选试验
对电路板卡做环境应力筛选试验，过程如下：
试验阶段及应力顺序：振动—温度循环—温度循环—振动，其中前两项为缺陷剔除阶段，后两项为无故障检验阶段。
其中，振动为随机振动，振动和温度循环的试验条件如下：
（a）随机振动试验条件
随机振动试验条件见下表所示。
表1 随机振动试验条件
（b）温度循环试验条件
温度循环试验条件见下表所示。本发明实施例提供的温度循环应力条件的示意图如图3所示。
表2 温度循环试验条件
（3-2）关键元器件环境应力筛选试验
结合前期关键元器件的选取，需对关键元器件进行筛选试验，以剔除元器件的早期故障。筛选试验需要根据元器件的类别选择相应的试验方法，元器件的类别可以包括电阻、电容、开关等电子及电气元件，各种半导体分立器件，以及微电子器件。
（4）工作极限应力摸底试验
为确定电路板卡的工作极限高温应力，加快加速因子确定试验及加速寿命试验的进程，选取一个通过上述性能测试和环境应力筛选试验的电路板卡，采用高温步进试验的方法对电路板卡的工作极限温度上限进行评估。本发明实施例提供的高温步进试验的试验剖面图如图4所示，步骤如下：
（a）以常温25℃或工作温度范围上限作为起始温度，开始试验；
（b）以5k的温度步进值进行升温；
（c）电路板卡温度稳定后，温度阶梯持续时间为10min，然后测试电路板卡的性能；
（d）重复步骤（b）和步骤（c），直至确定试验电路板卡的高温工作极限。
（三）寿命试验
（1）寿命剖面
结合实际使用工况，本发明实施例提供的电路板卡的实际使用寿命剖面如图5所示。电路板卡先贮存t时间后，再进行安装使用，然后每次运行时间约为143天，后停止运行时间约为100天，然后继续使用，如此循环。
（2）加速应力
选取高温和高湿作为试验的主要加速应力。
（3）加速模型
加速模型由失效机理和敏感应力决定，电路板卡及元器件的失效可能有多种失效机理，且在一定时期内将有几种关键失效机理导致电路板卡及元器件失效，根据电路板卡的使用工况可知，其主要失效为热失效和电化学失效，诱发其失效的外因是高温、高湿。对于温度和湿度加速寿命试验，使用的模型为Peck温-湿模型，Peck模型加速因子计算公式为：
式中：
：使用条件下的百分比相对湿度；
：应力条件下的百分比相对湿度；
：使用条件下以K表示的热力学温度；
：应力条件下以K表示的热力学温度；
：激活能，与材料有关，单位ev；
k：波尔兹曼常数，k=8.617×10-5；
n：湿度模型常数。
（4）加速应力水平确定
本发明在失效机理不变的条件下，选取最高应力水平Tmax、RHmax，按产品的失效机理保持不变的原则应不超过工作应力上限。本次加速寿命试验应力水平如表3所示。
表3 应力水平
序号 应力水平 温度/℃ 相对湿度/%
1 TmaxRHmax Tmax RHmax
（5）应力加载方法
在试验应力加载时，为最大限度的加速试验，缩短试验时间，有两种试验应力的加载方法。
（a）恒定应力法
在试验过程中，根据确认的试验最高温度及湿度，以恒定的应力水平加载试验应力，此方法可以在短时间内以高加速倍率进行电路板卡的寿命试验，可以迅速得到被试品的寿命值，此种方法试验结果可信度较高。
（b）变应力法即波动应力法
试验过程中，参照船舶内部舱室安装设备可靠性试验剖面，根据对剖面中的温度、湿度、振动试验应力进行强化，得到电路板卡的加速寿命试验剖面。本发明实施例提供的加速寿命试验剖面示意图如图6所示，一个完整试验循环为24h。试验过程中重复此循环直到达到要求的总试验时间。
如图6所示，电应力：工作循坏期间，输入电压在图6中所示的几个量值之间变化。工作循坏期间，受试设备按照实际工作情况加载工作电压。受试设备在高温贮存和低温贮存时间段内不通电。
振动应力：每24h随机抽取3h施加图6的振动应力。每一个3h的振动过程中，先施加10min的战斗损伤频谱，其余时间施加运输频谱，每振动20min停止10min，并以此重复进行。
温度和湿度应力：从22℃和25%~75%的相对湿度开始，将温度尽快降到-40℃，保持1.75h（不通电）；0.25h内将温度升到21℃，保持3h；在1h内将温度升到47℃，相对湿度升到95%，保持4h；在1h内，将温度升到80℃，相对湿度保持在95%，保持1h；在1h内，将温度升到85℃，相对湿度保持在95%，保持1h；在1h内，将温度降到80℃，相对湿度降到75%，保持2h；在1h内，将温度降到47℃，相对湿度升到95%，保持2h；在1h内，将温度降到21℃，相对湿度降到25%~75%，保持3h；根据要求重复该试验剖面。
此种试验方法充分体现电路板卡在工作周期内的环境变化情况，试验结果会较为真实。但是因为采取此种方法试验时长将会较长，试验结果可能会引入新的失效模式，可能因此导致结果较为难以控制。
若预估寿命时间较长，则建议采用恒定应力法，节省时间并快速得到可信度较高的寿命结果；若预估寿命时间相对较短，则建议采用波动应力法，充分对电路板卡寿命指标进行试验考核，但是要注意排除综合应力影响下引入新的失效模式，可能会导致试验结果不准确。
（6）试验样品选取和分组
由于加速寿命试验是一种基于失效机理、数理统计外推预测产品寿命和可靠性的试验技术，因此试验中所需的样本量当然是越大越好。但工程实践中，往往很难满足这样的大样本要求。为了获得更好的拟合结果和更高的置信度，样本量选取不小于10，因此每组关键元器件样品数不低于10个，至少应投入1块电路板作为陪试样品。若仅使用电路板卡进行试验，则电路板卡试验样本数量不得少于3块，否则试验结果将无法排除偶然随机带来的影响。
（7）失效判据
试验过程中，通过阶段性检测以下项目来判断试验样品是否正常工作，失效判据如下：
（a）外观和结构
电路板卡：元器件焊接松动或脱落、元器件破损主体、板卡线路或焊盘断裂等。
元器件：检查元器件引脚脱落、元器件主体破损、电解电容鼓包或排爆阀顶开。
（b）电性能参数
电路板卡：电压输出故障，或输出电压超过要求范围等。
元器件：所测器件关键参数（以元器件规格要求为准，如：电容的容值和损耗角正切、二极管导通电压、电源芯片输出电压等）超过要求范围。
（8）责任失效与非责任失效
（a）责任失效
试验样品在试验中出现的由于设计、生产工艺选用和元器件选型等原因造成的故障，是判断试验样品是否合格的依据。
（b）非责任失效
非责任失效由生产控制不严或非设计原因所引起的受试产品失效。非责任失效不作为判断试验样品是否合格的依据。非责任失效包括：
（Ⅰ）由责任失效引起的从属失效；
（Ⅱ）由试验室提供的试验设备，以及用于检测的仪器、仪表失效引起受试产品的失效；
（Ⅲ）人为对受试产品操作、维护和修理不当引起的失效；
（Ⅳ）对受试产品施加了不符合本大纲要求的试验应力而引起的失效；
（Ⅴ）试验条件发生异常变化引起凝露现象发生导致零部件电气短路、击穿引起的失效。
（9）失效和时间的统计
试验过程中，只有责任失效才能作为判定试验样品合格与否的依据。关联责任失效应按以下原则进行统计：
（a）当可证实多个失效现象由同一原因引起时，可计为一次失效；
（b）有多个元器件在试验过程中同时失效时，当不能证明是一个元器件失效引起另一些元器件失效时，每个元器件的失效计为一次独立的失效；若可证明是一个元器件失效引起另一些元器件失效时，则所有元器件合计为一次失效；
（c）已经报告过的由同一原因引起的同一部位发生的独立失效，由于未能真正排除而再次出现时，应和原来报告过的失效合计为一次失效，其间试验时间无效；
（d）若不能确定失效发生的准确时刻，则有效试验时间的统计追溯到上一检测点时间，即上一检测点至发现失效检测点之间的试验时间无效；
（e）在试验后的常温功能检查和性能测试中若出现失效，则对失效的判定、统计等与试验中出现失效作相同处理；
（f）在失效检测和修理期间，若发现受试产品还存在其它失效而不能确定为是由原有失效引起的，则应将其视为单独的责任失效进行统计。
（10）测试要求
试验期间样品通电，每隔一定时间恢复到常温常湿条件下进行电性能测试。
试验前后进行外观检查、X射线透射检查、电性能测试。
结合工程经验，每隔96h测试一次，具体测试间隔在保证数据量的基础上，根据试验实际情况和试验样品参数退化情况进行调整。应保证每组试验条件下每类样品试验数据的样本量不少于10。
（11）试验截止时间
电路板卡试验截止时间为出现故障或退化超过失效边界时，即停止试验，否则试验到该条件下元器件试验停止。根据上述测试要求和失效判据可知，即试验对象在试验期间，在对其进行规定的性能测试时，出现失效依据所提的失效情况，便可判断为失效，此时停止试验。
五组应力水平下每组观测到每类独立器件责任故障模式最少5个失效时，可以停止试验。为缩短试验时间，每组试验条件下每类独立若出现最少5个样品退化超过失效边界时，试验停止。
（四）寿命评估
通过产品在不同应力水平下的产品寿命分布，寿命分布在不同应力水平下的变化行为，与在不同应力水平下获得的失效数据联合，就可以得到一个正常使用条件下寿命特征的估计值。
（1）失效机理一致性检验
由于失效机理一致性是保证可靠性评估结果合理有效的关键所在，可利用概率纸法或巴特利法（或其他合理可行的检验方法）检验统计量进行检验。
由于威布尔分布可以退化成正态分布和指数分布等，一般的产品均可以用威布尔分布形式表示，因此，先假设电路板卡和元器件寿命数据服从威布尔分布，则检验方法原理如下：
由于失效机理改变、试验误差及数据分析误差都会导致求得不同应力水平下的形状参数m不相同，因此需要对其进行一致性检验，可采用巴特利特法来检验在各应力水平下，各对数标准差/>要相等，这意味着要检验假设/>。
由于，所以，此假设也等效于极值分布/>中各/>相等，即等效于检验假设/>。
根据寿命试验和加速寿命试验的简单线性无偏估计法，可求得的线性无偏估计，/>，并设其方差为/>。称/>为/>的方差系数，其值可根据可靠性试验用表确定。当/>较大时，/>近似服从自由度为/>的/>分布。
根据巴特利特检验统计量可知：
当在成立下，/>近似服从自由度为/>的/>分布，对于给定的显著性水平/>，当时，则可以认为/>成立，即可认为各应力水平下形状参数相等，即失效机理一致。
（2）寿命分布
寿命分布是一个描述产品失效前时间的统计学分布，加速寿命试验的目的就是去获得产品在正常工作条件下的寿命分布，此寿命分布就是产品在使用水平条件下失效前时间的概率密度函数，而威布尔分布是可靠性工程中最常用的分布类型之一，它可以用来模拟材料强度、电子和机械元器件、设备或系统的失效前时间，因此电路板卡及元器件的寿命分布暂拟定起服从威布尔分布。对试验数据进行寿命分布拟合的原理如下：
威布尔分布的不可靠度函数为：
两边取对数变换为：
进一步变换成：
该式可以表示为：
y=A+Bx
其中，y=ln{-ln(1-F(t))}，A=-βln(η)，B=β，x=ln(t-γ)。
根据此方程，累积失效概率绘制到一个威布尔概率纸上，可以对其进行分布拟合。
（3）寿命分布检验
对于截尾数据，威布尔分布检验采用范•蒙特福特检验法。
设有n个样品进行定数和定时截尾寿命试验，获得r个失效数据：。现要用此r个数据检验该批产品的寿命分布是否服从威布尔分布。
为此建立如下假设，：产品的寿命分布为威布尔分布/>
令。
其分布是极值分布和标准极值分布的次序统计量，其中，都为未知参数。为检验/>，范•蒙特福特提出统计量
在成立情况下，各/>渐进独立并服从标准指数分布，取/>，则统计量为
渐进服从分布。对于给定显著性水平/>，如
或
则认为假设不成立，否则可以认为该截尾样本来自威布尔分布，其中/>是自由度为/>，/>的F分布上侧/>分位数。
（4）加速因子的线性方程
根据试验统计数据，按可靠性理论进行数据统计分析，判断寿命分布模型，求出加速因子参数的估计。
为了能够用最小二乘/秩回归方法计算加速因子参数n和Ea，加速因子的方程应转换成线性形式。由加速因子方程：
可以得到：
因此可以写成Z=nX+EaY的形式，再通过回归最小二乘/秩回归方法得到n和Ea。
基于上述任一实施例，本发明提供了一种船用电路板卡使用寿命试验与评估系统。图7是本发明实施例提供的船用电路板卡使用寿命试验与评估系统的架构图，如图7所示，该系统包括：
失效分析模块710，用于对船用的电路板卡进行失效模式和效果分析，获得电路板卡的关键元器件和失效模式；
加速应力确定模块720，用于基于电路板卡的使用环境和失效模式，分析影响电路板卡失效的主要环境应力；
环境应力筛选模块730，用于对电路板卡及关键元器件进行环境应力筛选，获得筛选合格的电路板卡及关键元器件；
工作极限试验模块740，用于对电路板卡进行主要环境应力的工作极限试验，获得主要环境应力的工作极限；
加速寿命试验模块750，用于基于主要环境应力的工作极限，对电路板卡及关键元器件进行加速寿命试验，获得试验数据；所述试验数据包括电路板卡及关键元器件的失效时间、失效数量和失效次数；
寿命评估模块760，用于基于试验数据针对电路板卡进行寿命评估，获得电路板卡在正常使用条件下的寿命分布。
可以理解的是，上述各个模块的详细功能实现可参见前述方法实施例中的介绍，在此不做赘述。
另外，本发明实施例提供了另一种船用电路板卡使用寿命试验与评估装置，其包括：存储器和处理器；
所述存储器，用于存储计算机程序；
所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现上述实施例中的方法。
此外，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例中的方法。
基于上述实施例中的方法，本发明实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行上述实施例中的方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种船用电路板卡使用寿命试验与评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S101，对船用的电路板卡进行失效模式和效果分析，获得电路板卡的关键元器件和失效模式；
步骤S102，基于电路板卡的使用环境和失效模式，分析影响电路板卡失效的主要环境应力；
步骤S103，对电路板卡及关键元器件进行环境应力筛选，获得筛选合格的电路板卡及关键元器件；
步骤S104，对电路板卡进行主要环境应力的工作极限试验，获得主要环境应力的工作极限；
步骤S105，基于主要环境应力的工作极限，对电路板卡及关键元器件进行加速寿命试验，获得试验数据；所述试验数据包括电路板卡及关键元器件的失效时间、失效数量和失效次数；
步骤S106，基于试验数据针对电路板卡进行寿命评估，获得电路板卡在正常使用条件下的寿命分布；
步骤S106具体包括：
基于电路板卡的实际使用工况，预估电路板卡在单位时间内的实际使用时间；
基于试验数据进行威布尔分布拟合，获得电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布；
基于电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，采用最小二乘法计算加速因子参数；
基于加速因子参数，主要环境应力的工作极限，以及正常使用条件下主要环境应力的应力值，计算加速寿命试验相对于正常使用条件的加速因子；
基于电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，加速寿命试验相对于正常使用条件的加速因子，以及单位时间内的实际使用时间，计算电路板卡在正常使用条件下的寿命分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于试验数据进行威布尔分布拟合，获得电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，包括：
基于试验数据，获得电路板卡在加速寿命试验下的经验分布函数；
基于试验数据中的失效时间，以及经验分布函数，在威布尔概率纸上描点拟合，并基于拟合得到的直线确定威布尔分布中的形状参数和尺度参数；
基于形状参数和尺度参数，以及预设的位置参数，确定电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布。
3.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，所述主要环境应力包括温度和湿度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在加速寿命试验期间，对电路板卡及关键元器件通电，每隔一定时间恢复到常温常湿条件下进行电性能测试；
在加速寿命试验后，对电路板卡及关键元器件进行性能测试，以获得最终的试验数据；所述性能测试包括外观检查、X射线透射检查和电性能测试。
5.一种船用电路板卡使用寿命试验与评估系统，其特征在于，包括：
失效分析模块，用于对船用的电路板卡进行失效模式和效果分析，获得电路板卡的关键元器件和失效模式；
加速应力确定模块，用于基于电路板卡的使用环境和失效模式，分析影响电路板卡失效的主要环境应力；
环境应力筛选模块，用于对电路板卡及关键元器件进行环境应力筛选，获得筛选合格的电路板卡及关键元器件；
工作极限试验模块，用于对电路板卡进行主要环境应力的工作极限试验，获得主要环境应力的工作极限；
加速寿命试验模块，用于基于主要环境应力的工作极限，对电路板卡及关键元器件进行加速寿命试验，获得试验数据；所述试验数据包括电路板卡及关键元器件的失效时间、失效数量和失效次数；
寿命评估模块，用于基于试验数据针对电路板卡进行寿命评估，获得电路板卡在正常使用条件下的寿命分布；
所述寿命评估模块具体用于：
基于电路板卡的实际使用工况，预估电路板卡在单位时间内的实际使用时间；
基于试验数据进行威布尔分布拟合，获得电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布；
基于电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，采用最小二乘法计算加速因子参数；
基于加速因子参数，主要环境应力的工作极限，以及正常使用条件下主要环境应力的应力值，计算加速寿命试验相对于正常使用条件的加速因子；
基于电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，加速寿命试验相对于正常使用条件的加速因子，以及单位时间内的实际使用时间，计算电路板卡在正常使用条件下的寿命分布。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，基于试验数据进行威布尔分布拟合，获得电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布，包括：
基于试验数据，获得电路板卡在加速寿命试验下的经验分布函数；
基于试验数据中的失效时间，以及经验分布函数，在威布尔概率纸上描点拟合，并基于拟合得到的直线确定威布尔分布中的形状参数和尺度参数；
基于形状参数和尺度参数，以及预设的位置参数，确定电路板卡在加速寿命试验下的寿命分布。
7.根据权利要求5至6任一项所述的系统，其特征在于，所述加速应力确定模块中主要环境应力包括温度和湿度。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述加速寿命试验模块在加速寿命试验期间，对电路板卡及关键元器件通电，每隔一定时间恢复到常温常湿条件下进行电性能测试；
在加速寿命试验后，对电路板卡及关键元器件进行性能测试，以获得最终的试验数据；所述性能测试包括外观检查、X射线透射检查和电性能测试。
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