艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗具有試驗時間長、應(yīng)力類型多、應(yīng)力量值嚴(yán)酷等、樣本量少等特點，對產(chǎn)品的耐環(huán)境能力具有很高要求。振動應(yīng)力作為可靠性試驗的綜合應(yīng)力之一，由于可靠性試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB899A-2009與GJB150.16A-2009等環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)存在矛盾，對試驗的實施經(jīng)常帶來不利影響。本文著重分析了不同標(biāo)準(zhǔn)振動應(yīng)力特點，尤其是頻率范圍，對可靠性試驗中實施振動應(yīng)力裁剪提出了建議，可為類似產(chǎn)品提供借鑒。
引言
可靠性試驗作為暴露產(chǎn)品缺陷、驗證產(chǎn)品可靠性水平的重要手段，在艦載電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。常見的可靠性試驗類型包括可靠性研制試驗、可靠性增長試驗、可靠性增長摸底試驗、可靠性鑒定和驗收試驗。除可靠性研制試驗不局限于綜合應(yīng)力外，其余類型均屬于綜合環(huán)境應(yīng)力試驗，采用的應(yīng)力包括恒定溫度、溫度變化、濕度變化、恒定濕度、振動、電應(yīng)力等。
艦載電子產(chǎn)品開展可靠性試驗的傳統(tǒng)依據(jù)文件包括《海軍電子裝備可靠性試驗實施方法》和GJB899A-2009，二者在振動應(yīng)力的規(guī)定上均采信了美軍標(biāo)MIL-HDBK-781A。本文基于艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗的工程實踐，通過分析不同標(biāo)準(zhǔn)，從環(huán)境試驗和可靠性試驗的關(guān)系角度，發(fā)現(xiàn)了在振動應(yīng)力施加方面的多個問題，提出了多項改進(jìn)措施，為研制單位高效開展可靠性試驗提供參考。
艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗振動應(yīng)力分析
不同于機載產(chǎn)品和彈上產(chǎn)品的可靠性試驗剖面，艦載產(chǎn)品的可靠性試驗剖面均采用統(tǒng)一的試驗剖面。根據(jù)GJB899A-2009，艦載電子產(chǎn)品開展可靠性試驗的試驗剖面主要根據(jù)產(chǎn)品的安裝位置選擇，包括潛艇環(huán)境、水面艦船艙內(nèi)有溫控環(huán)境、水面艦船艙外環(huán)境、水面艦船艙內(nèi)無溫控環(huán)境。無論安裝位置，其振動應(yīng)力均包括戰(zhàn)斗損傷頻譜和運輸隨機頻譜。具體情況如下：
1、戰(zhàn)斗損傷頻譜
戰(zhàn)斗損傷頻譜的如圖1所示，施加條件如下；
1)頻率范圍：4Hz~60Hz；
2)振幅：0.76mm（±0.15）（4Hz~15Hz），7.5 m/s²（15Hz~60Hz）；
3)持續(xù)時間：10min。
圖1 戰(zhàn)斗損傷頻譜
圖1所示的戰(zhàn)斗損傷頻譜屬于正弦振動，在低頻段（4Hz-15Hz）保持恒定位移，在高頻段（15Hz-60Hz）保持恒定加速度，交越頻率為15Hz。為了減小對振動臺的損傷，通常采取平滑交越的方式，具體包括：
1)交越頻率點位移取0.76mm，則相應(yīng)的加速度為：
2)交越頻率點加速度取7.5m/s²，則相應(yīng)的位移為：
由于在低頻段有相應(yīng)的位移允差要求，故通常采用的戰(zhàn)斗損傷頻譜是低頻段（4Hz-15Hz）恒定位移0.84mm，高頻段（15Hz-60Hz）保持恒定加速度7.5m/s²。需要說明的是，根據(jù)GJB1060.1-1991、GJB4.7-1983和GJB150.16A-2009，這里的正弦振動條件并不是從炮擊振動析出的，而主要是從艦載平臺螺旋槳、推進(jìn)軸系、旋轉(zhuǎn)機械等振動環(huán)境析出的。因此，嚴(yán)格意義上講，該頻譜并能算是考慮戰(zhàn)斗損傷環(huán)境的振動譜，而是考慮艦船行駛過程中存在螺旋槳、推進(jìn)軸系、旋轉(zhuǎn)機械等正弦振動環(huán)境。
2、運輸隨機頻譜
運輸隨機頻譜的如圖2所示，施加條件如下；
1)頻率范圍：10Hz~200Hz；
2)量級（總均方根值r.m.s）：10m/s²；
3)持續(xù)時間：20min。
圖2 運輸隨機頻譜
與車載、機載平臺類似，艦船在行駛過程中確實會產(chǎn)生一定量級的隨機振動。運輸隨機頻譜正是考慮這種隨機振動環(huán)境對艦載電子產(chǎn)品可靠性的影響而提出的。需要說明的是，根據(jù)GJB1060.1-1991、GJB4.7-1983和GJB150.16A-2009，并不存在這樣的隨機振動環(huán)境，這就為艦載電子產(chǎn)品的可靠性試驗實施帶來了若干問題。
艦載電子產(chǎn)品環(huán)境試驗振動壓力分析
艦載電子產(chǎn)品振動環(huán)境條件的論證主要依據(jù)GJB1060.1-1991，振動環(huán)境試驗主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是GJB4.7-1983和GJB150.16A-2009。其中GJB1060.1-1991關(guān)于設(shè)備振動環(huán)境的描述與GJB150.16-1986要求基本一致，主要是正弦振動。GJB4.7-1983的振動試驗條件均屬于正弦振動，但頻率范圍與GJB150.16-1986的要求有差異。GJB150.16A-2009則主要是增加了隨機振動的要求。GJB4.7-1983要求的振動試驗參數(shù)見表1，GJB150.16A要求的振動試驗參數(shù)見表2。
表1 GJB4.7-1983規(guī)定的振動試驗參數(shù)
表2 GJB150.16A規(guī)定的振動試驗參數(shù)
由表1和表2可以得到以下結(jié)論：
a)安裝在不同位置的產(chǎn)品其振動環(huán)境條件不同，如主體區(qū)和桅桿區(qū)的差異性；
b)安裝在不同平臺的環(huán)境條件可能相同,如潛艇平臺和水面艦船平臺；
c)振動的頻率范圍覆蓋1Hz-110Hz；
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的振動環(huán)境條件以正弦振動為主。
艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗振動應(yīng)力問題分析
艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗剖面采用的是溫度、濕度、振動、電應(yīng)力多應(yīng)力綜合環(huán)境。其中振動應(yīng)力剖面如圖1和圖2所示，通常潛艇平臺每24h施加3h振動，水面艦船每24h施加6h振動，每3h為一個周期，前10min施加戰(zhàn)斗損傷頻譜，隨后每施加20min運輸隨機頻譜停機10min，累計施加120min。通過第2章和第3章對艦載電子產(chǎn)品環(huán)境試驗和可靠性試驗振動應(yīng)力的分析，結(jié)合當(dāng)前艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗振動應(yīng)力施加的工程實踐，主要存在如下問題：
a)GJB899A給定的戰(zhàn)斗損傷頻譜命名不符合實際，容易造成誤解。GJB899A給定的正弦振動頻譜量值及頻率范圍均與GJB4.7-1983和GJB150.16A-2009規(guī)定的艦船功能振動試驗條件相當(dāng)，且戰(zhàn)斗損傷更多來自炮擊振動環(huán)境；
b)GJB899A給定的戰(zhàn)斗損傷頻譜未考慮不同安裝位置所帶來的振動條件差異。從表1和表2可知，主體區(qū)、桅桿區(qū)、首尾區(qū)的振動條件存在明顯差異；
c)GJB1060.1-1991并沒有艦船隨機振動條件。論證艦船總體振動條件時要注意該問題，避免提出不切實際的要求；
d)GJB150.16A-2009和GJB899A-2009規(guī)定的隨機振動條件存在明顯差異。前者頻率范圍是1Hz-100Hz，加速度功率譜密度峰值為0.001g²/Hz，均方根值為1g；后者頻率范圍是10Hz-200Hz，加速度功率譜密度峰值為0.01g²/Hz，均方根值為0.315g。即可靠性試驗的振動條件相比環(huán)境試驗更為嚴(yán)酷，顯然不符合常識；
e)GJB150.16A-2009中規(guī)定的耐久振動在可靠性試驗剖面中未考慮。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的振動形式包括正弦掃頻振動、耐久振動和隨機振動；
f)未按平臺總體環(huán)境條件要求制定合理的可靠性試驗剖面。平臺總體環(huán)境條件要求即是開展環(huán)境試驗的條件輸入，也是可靠性試驗剖面制定的頂層輸入，而實踐中往往直接參考標(biāo)準(zhǔn)，造成過應(yīng)力試驗；
g)當(dāng)前的可靠性試驗剖面未考慮不同艦船平臺的差異性。文獻(xiàn)[9]中分析獲取的某艦載平臺振動應(yīng)力頻率上限達(dá)到了600Hz，用當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)開展試驗時則顯然造成了欠試驗。
工程實踐案例及振動壓力施加建議
某型航行數(shù)據(jù)記錄儀可靠性試驗實施過程中，可靠性試驗進(jìn)行到倒數(shù)第二循環(huán)時，發(fā)現(xiàn)其組成單元外存儲體數(shù)據(jù)存儲異常。經(jīng)故障排查，故障定位為航行數(shù)據(jù)記錄儀的外存儲體內(nèi)部板卡數(shù)據(jù)連接線磨損斷裂，進(jìn)而使得外存儲體數(shù)據(jù)存儲異常。通過更換新的導(dǎo)線，外存儲體可恢復(fù)正常工作。根據(jù)經(jīng)驗并參考GJB/Z34-1993和HB/Z213-1992，板卡數(shù)據(jù)連接線斷裂和隔熱材料磨損的激發(fā)應(yīng)力主要為力學(xué)環(huán)境。本次可靠性試驗中的主要力學(xué)環(huán)境為振動應(yīng)力。
根據(jù)產(chǎn)品安裝平臺環(huán)境條件規(guī)定，其環(huán)境條件要求中無隨機振動要求。施加的隨機振動條件已經(jīng)對產(chǎn)品造成事實上的過應(yīng)力，因此根據(jù)GJB899A-2009的故障分類要求，可歸為非責(zé)任故障。
同一平臺的某軸系狀態(tài)監(jiān)測裝置，其可靠性試驗采用加速試驗方案。由于產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)要求較高，且產(chǎn)品對振動應(yīng)力較為敏感，在進(jìn)行加速試驗方案設(shè)計時，提供了三種方案供產(chǎn)品研制單位選擇，包括：
a)方案一：若產(chǎn)品的耐振動能力較強，則按照GJB150.16A-2009附錄給定的加速因子計算公式，同步調(diào)整其振動應(yīng)力施加時間；
b)方案二：若產(chǎn)品的耐振動能力較弱，則縮減GJB899A-2009給定振動應(yīng)力施加時間間隔，即3h的振動周期內(nèi)，10min的正弦振動和120min的隨機振動連續(xù)施加；
c)方案三：考慮產(chǎn)品的平臺環(huán)境條件要求，剔除掉隨機振動部分，僅在可靠性試驗中開展正弦振動。
最終方案三由于可操作性更強得到采納，有力保障了產(chǎn)品可靠性試驗的快速實施。實際上，關(guān)于艦載產(chǎn)品可靠性試驗中振動應(yīng)力的裁剪在文獻(xiàn)[10]中已經(jīng)有應(yīng)用。
綜上，艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗的實施過程中，應(yīng)充分考慮艦載產(chǎn)品的環(huán)境條件要求，從分析平臺振動環(huán)境出發(fā)，考慮產(chǎn)品的安裝位置，合理裁剪標(biāo)準(zhǔn)給定的振動應(yīng)力剖面，避免對產(chǎn)品造成過應(yīng)力試驗。
艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗振動應(yīng)力問題分析
可靠性試驗不同于一般的環(huán)境試驗、電磁兼容試驗，其實施過程耗費的人力、物力、財力巨大，必須審慎的實施試驗，尤其是對試驗剖面的充分分析。本文聚焦于艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗剖面中的振動應(yīng)力，通過充分分析不同標(biāo)準(zhǔn)振動應(yīng)力的差異性，結(jié)合工程經(jīng)驗提出了當(dāng)前可靠性試驗振動應(yīng)力施加過程中的多個問題，并結(jié)合工程實踐案例給出了建議，為艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗的高效實施提供借鑒。
引用本文：
魯雪峰，金亞楠，樊九九.艦載電子產(chǎn)品可靠性試驗振動應(yīng)力研究[J].環(huán)境技術(shù),2023,41(06):6-10.
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