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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2019-08-01 14:59
內(nèi)容提要
本文介紹了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)強(qiáng)度- 應(yīng)力準(zhǔn)則、不同生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品強(qiáng)度分布的特點(diǎn)，以及可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)剖析溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、快速溫變循環(huán)試驗(yàn)、振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、綜合應(yīng)力試驗(yàn)的剖面、量級(jí)、持續(xù)時(shí)間等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和考量。并針對(duì)疲勞損傷失效機(jī)理的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，提出了一種利用強(qiáng)化振動(dòng)應(yīng)力代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑒定試驗(yàn)中振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行壽命鑒定的方法。
第1則-引言-
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)又稱(chēng)高加速壽命試驗(yàn)，是一種基于故障物理的試驗(yàn)技術(shù)，它把故障和失效作為主要研究對(duì)象，通過(guò)施加逐步增大的環(huán)境和工作應(yīng)力，主動(dòng)激發(fā)產(chǎn)品故障，暴露設(shè)計(jì)和工藝的薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)“激發(fā)缺陷—改進(jìn)缺陷”的循環(huán)迭代過(guò)程，促使產(chǎn)品環(huán)境耐受能力盡可能提升，從而最大限度的達(dá)到產(chǎn)品可靠性增長(zhǎng)的目的[1-3]。
Gregg K.Hobbs[4]設(shè)計(jì)了一種金屬試件，對(duì)疲勞壽命進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度增加1培時(shí)，疲勞壽命降低為1/1 000。對(duì)于有缺陷產(chǎn)品，缺陷處的應(yīng)力集中系數(shù)高達(dá)2~3倍，疲勞壽命就降低了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可使有缺陷或潛在缺陷元件在強(qiáng)化應(yīng)力作用下迅速暴露。
S.Smithson[5]研究了溫變率對(duì)熱疲勞特性的影響，5 ℃/min和40 ℃/min溫變率下疲勞壽命比為4 400∶1。
美國(guó)波音公司[6]故障預(yù)防和改進(jìn)策略大綱中規(guī)定：可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)用于設(shè)備投產(chǎn)前消除設(shè)計(jì)和制造的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)于新研設(shè)備和服役中可靠性低或需大修和重新鑒定的現(xiàn)有設(shè)備必須做可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。
國(guó)外從事該領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)還有Qual Mark公司、Otis Elevator 公司、Hobbs Engineering 公司、惠普公司等。在理論研究方面比較知名的專(zhuān)家學(xué)者還有Joseph Capitano[7]、Wayne Nelson[8]和Mike Silverman[9-10]等, 他們?cè)趶?qiáng)化試驗(yàn)效率、試驗(yàn)理論、統(tǒng)計(jì)模型和數(shù)據(jù)分析等方面已進(jìn)行了大量研究。積極引進(jìn)和應(yīng)用可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)，對(duì)確保我國(guó)航天器在軌長(zhǎng)壽命高可靠穩(wěn)定運(yùn)行，使航天任務(wù)由“被動(dòng)保成功”到“主動(dòng)提升能力”的角色轉(zhuǎn)換同樣具有重要意義。
第2則-可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)原理-
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的理論依據(jù)是強(qiáng)度-應(yīng)力干涉理論。圖1中的兩條曲線表征了經(jīng)典的設(shè)計(jì)裕度，即強(qiáng)度-應(yīng)力準(zhǔn)則。
準(zhǔn)則假設(shè)產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)力可用應(yīng)力分布（如正態(tài)分布）來(lái)表示，如圖1左側(cè)曲線；假設(shè)產(chǎn)品強(qiáng)度也可用強(qiáng)度分布（如正態(tài)分布）來(lái)表示，如圖1右側(cè)曲線。產(chǎn)品應(yīng)力分布和強(qiáng)度分布的重疊區(qū)域表征了失效概率。若產(chǎn)品的一致性好，強(qiáng)度分散性被控制在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)，那么兩類(lèi)分布就不容易重疊，則產(chǎn)品不太可能出現(xiàn)失效。
圖2 增加應(yīng)力以檢測(cè)批量生產(chǎn)中的薄弱批次并增加裕度
（左）初樣產(chǎn)品 （右）批生產(chǎn)產(chǎn)品
參考圖2，從應(yīng)力-強(qiáng)度分布曲線上看，由于質(zhì)量控制嚴(yán)格等因素，初樣產(chǎn)品強(qiáng)度分布的分散性較窄，遠(yuǎn)離應(yīng)力分布，所有產(chǎn)品將均能通過(guò)試驗(yàn)而不會(huì)發(fā)生失效。但在批生產(chǎn)階段，由于質(zhì)量控制相對(duì)放松等因素，產(chǎn)品的強(qiáng)度均值和一致性可能有所降低，故強(qiáng)度和應(yīng)力分布會(huì)出現(xiàn)重疊區(qū)域，進(jìn)而導(dǎo)致失效。這也意味著針對(duì)初樣產(chǎn)品的常規(guī)應(yīng)力試驗(yàn)不能充分發(fā)現(xiàn)批生產(chǎn)產(chǎn)品的潛在薄弱環(huán)節(jié)。如果試驗(yàn)的應(yīng)力水平更高（圖2中紅色應(yīng)力曲線），則可以充分激發(fā)產(chǎn)品潛在薄弱環(huán)節(jié)，通過(guò)有針對(duì)性的修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)后起到對(duì)產(chǎn)品可靠性強(qiáng)化的作用。
第3則-可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)-
可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要考慮“循序漸進(jìn)”的原則，激勵(lì)強(qiáng)度由低及高地加載，需要合理安排試驗(yàn)應(yīng)力的加載順序，并采用步進(jìn)應(yīng)力的加載方式。典型可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的實(shí)施方法如圖3。
圖3 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)典型試驗(yàn)方法
下面分別介紹可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的試驗(yàn)方案及主要考慮：
2.1 溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)方案
圖4 典型的溫度步進(jìn)剖面
參考圖4，溫度步進(jìn)試驗(yàn)一般是先進(jìn)行低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，然后再進(jìn)行高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)應(yīng)該環(huán)境溫度（一般為20～30 ℃）開(kāi)始；步進(jìn)增量最大為10 ℃，對(duì)于溫度敏感產(chǎn)品應(yīng)根據(jù)具體情況選用較小的步進(jìn)增量；保持時(shí)間最少為10 min，以達(dá)到產(chǎn)品溫度穩(wěn)定。溫度是否穩(wěn)定可以通過(guò)熱電偶響應(yīng)來(lái)確定。在這一保持時(shí)間以后進(jìn)行完整的功能測(cè)試，也可以在這一階段全程進(jìn)行測(cè)試。溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行，直到找出樣品的工作極限，然后持續(xù)到超過(guò)工作極限直到破壞極限或試驗(yàn)設(shè)備的最大值。超過(guò)工作極限后，由于產(chǎn)品不能工作，需要減小溫度應(yīng)力以確定產(chǎn)品是否仍然能有效工作。開(kāi)始降溫或升溫時(shí)，選取的步長(zhǎng)可以較長(zhǎng)（如10 ℃），接近極限時(shí)可以減小步長(zhǎng)（如5 ℃）。溫度步進(jìn)試驗(yàn)可以確定溫度工作極限和溫度破壞極限，為快速溫變循環(huán)試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
2.2 快速溫變循環(huán)試驗(yàn)方案
圖5 典型的快速溫變循環(huán)剖面
快速溫變循環(huán)一般應(yīng)在溫度步進(jìn)試驗(yàn)確定了產(chǎn)品的工作極限和破壞極限后才能進(jìn)行。參考圖5，快速溫變循環(huán)的高低溫極值要依據(jù)得到的應(yīng)力極限來(lái)確定（80 %溫度工作極限或溫度工作極限縮減5~10 ℃），至少循環(huán)5次。每一循環(huán)在兩個(gè)極值上停留的時(shí)間包括產(chǎn)品溫度穩(wěn)定時(shí)間和在溫度極值下的浸泡時(shí)間，穩(wěn)定時(shí)間一般在10 min以上，而浸泡時(shí)間用于兩個(gè)目的，一是保證材料發(fā)生蠕變，二是完成功能測(cè)試。
高的溫變速率還可以大幅度縮短單個(gè)溫度循環(huán)所需要的時(shí)間，一般使用試驗(yàn)設(shè)備能提供的最大速率，目前的試驗(yàn)箱使用液氮冷卻方法使得溫度變化速率能達(dá)到60 ℃/min 甚至更高。
2.3 振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)方案
圖6 典型的振動(dòng)步進(jìn)剖面
振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)一般在三個(gè)正交振動(dòng)方向順次進(jìn)行。起始振動(dòng)量級(jí)、頻率帶寬、步長(zhǎng)可根據(jù)產(chǎn)品及環(huán)境特點(diǎn)酌情確定，典型的振動(dòng)步進(jìn)剖面見(jiàn)圖6。每個(gè)振動(dòng)臺(tái)階一般保持不少于10 min，之后進(jìn)行功能測(cè)試和上下電測(cè)試，保證每次上下電后功能可以完全恢復(fù)。在高振動(dòng)量級(jí)下，在保持時(shí)間后應(yīng)回到弱振量級(jí)（例如首個(gè)振動(dòng)臺(tái)階量級(jí)）進(jìn)行功能測(cè)試和上下電測(cè)試，以判斷高振動(dòng)量級(jí)下出現(xiàn)的故障是否可恢復(fù)。試驗(yàn)應(yīng)持續(xù)到發(fā)現(xiàn)被試產(chǎn)品的工作極限和破壞極限，或振動(dòng)達(dá)到設(shè)備極限振動(dòng)量級(jí)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)工作極限。
2.4 綜合應(yīng)力試驗(yàn)方案
圖7 典型的綜合應(yīng)力步進(jìn)剖面
參考圖7，綜合應(yīng)力采用溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)相結(jié)合的應(yīng)力，在三個(gè)正交振動(dòng)方向順次進(jìn)行。溫度循環(huán)剖面一般使用與快速溫度變化循環(huán)相同的剖面（溫變率可酌情降低），進(jìn)行5個(gè)循環(huán)。溫度循環(huán)的同時(shí)，一般以每個(gè)循環(huán)為單位，步進(jìn)施加振動(dòng)量值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，振動(dòng)步進(jìn)的起始值為振動(dòng)破壞極限的1/5，步長(zhǎng)也為振動(dòng)破壞極限的1/5。溫度穩(wěn)定后每個(gè)臺(tái)階上保持不少于10 min后進(jìn)行功能測(cè)試和上下電測(cè)試。
第4則-基于可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的壽命鑒定方法-
圖8 用于壽命鑒定的典型的試驗(yàn)剖面
基于可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)開(kāi)展壽命鑒定是一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)，但相關(guān)技術(shù)仍不成熟。這里提出一種方法，利用強(qiáng)化振動(dòng)應(yīng)力代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑒定試驗(yàn)中振動(dòng)應(yīng)力，除了振動(dòng)應(yīng)力其他應(yīng)力條件不變（參考圖8），通過(guò)兩種振動(dòng)應(yīng)力在單位時(shí)間內(nèi)造成的疲勞損傷關(guān)系，將強(qiáng)化振動(dòng)應(yīng)力折算為傳統(tǒng)鑒定試驗(yàn)中振動(dòng)應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上對(duì)GJB 899[11]的評(píng)估方案進(jìn)行修正，從而得到以可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的壽命鑒定方法，該方法僅適用于疲勞損傷這一失效機(jī)理。
這一方法中如何對(duì)兩類(lèi)應(yīng)力進(jìn)行折算是難點(diǎn)?？蓪⒖煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)中振動(dòng)應(yīng)力選為固定值，取為產(chǎn)品極限振動(dòng)應(yīng)力的60 %~80 %。然后利用統(tǒng)計(jì)方法（例如雨流法）結(jié)合等效累積損傷原理分別計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)強(qiáng)化振動(dòng)應(yīng)力與傳統(tǒng)鑒定試驗(yàn)中振動(dòng)應(yīng)力造成的疲勞累積損傷，進(jìn)而得到兩者的試驗(yàn)時(shí)間折算關(guān)系。
對(duì)應(yīng)力折算后如何根據(jù)GJB 899提出修正的壽命鑒定方案是重點(diǎn)。具體步驟歸納如下：
具體步驟
1 首先對(duì)產(chǎn)品的失效模式進(jìn)行分析，如果為疲勞損傷機(jī)理則可以應(yīng)用本方法；
2 建立強(qiáng)化振動(dòng)應(yīng)力與傳統(tǒng)鑒定試驗(yàn)中振動(dòng)應(yīng)力的試驗(yàn)時(shí)間折算關(guān)系；
3 根據(jù)使用方風(fēng)險(xiǎn)、生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)、置信度，選擇GJB 899中序貫試驗(yàn)方案為試驗(yàn)評(píng)估的基礎(chǔ)方案，根據(jù)步驟2）的折算關(guān)系對(duì)該試驗(yàn)方案進(jìn)行修訂。例如當(dāng)使用方風(fēng)險(xiǎn)和生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)均為0.2、置信度為0.8時(shí)，GJB 899中序貫試驗(yàn)方案4的接受-拒收判決標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1左半部分， 典型的修訂判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1的右半部分（基于強(qiáng)化振動(dòng)應(yīng)力與傳統(tǒng)鑒定試驗(yàn)中振動(dòng)應(yīng)力的試驗(yàn)時(shí)間折算關(guān)系典型值：0.018 5/2.325 3 = 0.007 956/1）。
4 根據(jù)GJB 899中表A.8查出MTBF的檢驗(yàn)下限系數(shù)θL，進(jìn)一步計(jì)算MTBF檢驗(yàn)下限θ1。例如使用方風(fēng)險(xiǎn)和生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)均為0.2、置信度為0.8、鑒別比d為2時(shí)，查表得θL為1.739 7，則MTBF檢驗(yàn)下限θ1=1.739 7×MTBF要求下限值，例如當(dāng)MTBF要求下限值為944 h時(shí)算得MTBF 檢驗(yàn)下限θ1為1 642 h。
5 根據(jù)表1結(jié)合可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)壽命指標(biāo)進(jìn)行鑒定，例如當(dāng)MTBF檢驗(yàn)下限θ1為1 642 h，在完成36.6 h（1 642 h×0.022 3）總試驗(yàn)時(shí)間（所有產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)間總和）后沒(méi)有發(fā)生故障即可認(rèn)為產(chǎn)品壽命滿足MTBF≥944 h的要求。
表1 修訂前后的接受-拒收判決標(biāo)準(zhǔn)
總結(jié)
本文介紹了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的技術(shù)原理、試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和一種基于可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的壽命鑒定方法。研究可為深入認(rèn)識(shí)、應(yīng)用可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)提供參考，探討該技術(shù)在壽命鑒定方面的拓展應(yīng)用，有利于保證航天和其他領(lǐng)域產(chǎn)品的高可靠性、長(zhǎng)壽命。
來(lái)源：環(huán)境技術(shù)
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