彈上電子產品加速壽命試驗設計與應用＊

2013-10-16 08:06:18文建國郭桂友

艦船電子工程 2013年2期

文建國郭桂友

（1.海軍航空工程學院煙臺 264001）（2.海軍裝備部裝備采購中心北京 100071）

1 引言

導彈具有“長期貯存，一次使用”的特點，因此準確評判其實際使用壽命并及時開展延壽工作，是保持其戰備完好性，充分發揮其作戰性能的必然要求［1～3］。電子產品作為導彈的重要組成部件，其壽命長短直接影響導彈的貯存使用壽命。目前國內對其壽命的評估，所依據的為生產廠方提供的標準環境條件下的貯存壽命或貯存可靠度指標，缺乏合理性和客觀性。隨著加速壽命試驗在軍工領域的應用［4］，提供了一條評估彈用電子產品貯存壽命的有效途徑。與自然貯存使用環境下壽命試驗相比，加速壽命試驗的優點有：試驗時間短、試驗條件可控、便于實現等。因此，該試驗方法在美國、俄羅斯等技術先進國家的導彈武器產品貯存延壽上起到了十分重要的作用［5］。

2 加速壽命試驗

2.1 加速壽命試驗的概念

加速壽命試驗是指，在超過正常使用環境條件的應力水平下對樣品進行的壽命試驗。即在不改變產品的故障產生機制又不增加新的故障機制的前提下，提高試驗應力，加速產品的故障進程，縮短試驗時間；然后再根據試驗結果，估計出正常應力下的產品壽命的一種試驗方法。根據試驗應力的加載方式，可將加速壽命試驗分為三種類型，即恒定應力加速壽命試驗、步進應力加速壽命試驗和序進應力加速壽命試驗［6］。

2.2 加速壽命試驗的基本前提

2.2.1 失效機理的一致性

失效機理的一致性是指在不同的應力水平下產品的失效機理保持不變。通常，失效機理的一致性是通過試驗設計保證的，即要求加速壽命試驗中的最高應力等級不能高于產品的破壞極限。

2.2.2 失效過程的規律性

失效過程的規律性是指產品壽命與應力之間存在一個確切的函數關系式，即加速模型。

2.2.3 失效分布的同一性

失效分布的同一性指在不同的應力水平下產品的壽命服從同一分布，這是壽命數據處理的基本前提。

2.3 加速壽命試驗的模型

針對不同類型的應力設計的加速壽命試驗，通過加速壽命試驗所得到的受試部件的壽命數據，可建立部件壽命特征與環境應力的關系模型，它反映了不同應力對部件壽命的影響，根據這種關系建立的模型就是加速壽命模型。加速壽命模型是受測部件的壽命特征與環境應力的關系模型，反映了不同應力對部件壽命的影響，是進行試驗設計、數據處理的判據。

2.3.1 Arrhenius模型［7］

當環境應力為溫度時，一般認為壽命特征與應力之間的關系符合Arrhenius模型：

式中：L為其特征某種壽命；A是與裝備特性、幾何形狀和試驗方法有關的常數；E為激活能，與材料設備有關；K為波爾茲曼常數；T為熱力學溫度。

2.3.2 逆率模型［8］

當環境應力為非熱應力時，比如受電、載荷、腐蝕介質影響，其特征壽命與應力之間符合下式：

式中：L為其特征某種壽命；A是與裝備特性、幾何形狀和試驗方法有關的常數；S為環境應力；n為特征常數。

2.3.3 溫濕度模型［9］

當環境應力為溫度、濕度共同作用時，一般認為壽命特征與應力之間的關系符合：

式中：L為其特征某種壽命；A是與裝備特性、幾何形狀和試驗方法有關的常數；E為激活能，與材料設備有關；K為波爾茲曼常數；T為熱力學溫度；H 為濕度應力；B為常數。

2.3.4 復合應力模型［10］

當有多個環境應力時，可建立復合應力模型：

式中：L為其特征某種壽命；ai為未知參數；xi為第i個環境應力；a0為常數。

3 加速壽命試驗方案設計

3.1 加速壽命試驗設計原則

表1 失效模式以及應力激發效果

根據彈上電子產品服役環境應力分析可知，其在整個服役周期內要受到諸多環境因素的影響，其中主要為溫度、濕度和振動。而且在不同的貯存環境下，環境應力的影響程度不同，比如在貯存環境下，影響貯存壽命的主要因素為溫度。有時候環境應力的影響不是單一因素，而是多因素共同作用的結果。要合理設計試驗方案，在開始加速壽命試驗之前，必須考慮電子產品的主要失效模式和失效機理，根據失效模式來確定試驗中使用的應力類型。對于彈上電子產品來說，失效模式大體可以分為表1中所列的幾種。對于這些常見失效模式，選擇不同形式來加速試驗產品的老化和失效。主要應力類型包括：溫度、溫度循環、濕度和隨機振動。根據不同的環境條件和失效模式，選用不同的應力組合對于加速激發產品老化和故障具有不同的效果。表1列出了彈用電子產品主要的失效模式，以及四種不同應力類型對特定失效模式的激發效果。（這里設定“√”表示激發效果較好，“—”代表激發效果一般，“×”代表激發效果不太好。）

3.2 彈上電子產品加速壽命試驗方案

彈上電子產品的服役環境可主要分為三種典型的環境：在有暖庫房中長期存放的貯存環境、進行陣地轉移的運輸環境和承擔戰備任務的值班環境，現將這幾種環境下的環境應力進行分析。

3.2.1 貯存環境

貯存環境是指導彈在貯存過程中所處的環境，是貯存過程中影響導彈電子產品諸因素的總和。由于導彈一般都貯存在充有氮氣的包裝箱內，而且在包裝箱內還存放著干燥劑，且定時更換以減除水分的影響，可認為濕度恒定。因此在貯存期間，對彈上電子產品壽命產生影響的環境因素主要是溫度。考慮溫度應力對導彈電子產品的影響，加速壽命試驗設計方案如下：

可取彈用典型的電子元器件，將該元器件分為4組，每組20個，分別對其施加70℃、80℃、90℃、100℃的溫度應力，定期用測試設備對其進行性能測試。所測得任何一項測試不合格即認為該電子產品失效，并按順序記錄失效時間、數量和失效形式。假定存壽命與溫度應力之間關系服從Arrhenius模型，這樣可根據不同溫度下的失效數據，計算出該類型元器件的自然貯存壽命。

3.2.2 運輸環境

導彈在從出廠到部隊、從貯存地點到技術陣地、從技術陣地到使用平臺等轉移過程中，不可避免地要受到運輸環境的影響。運輸環境是指在運輸過程中對產品產生直接或間接影響的諸因素的總和。運輸工具（空運、陸運與水運）、裝卸固定情況、運輸線路狀況（空運的氣候狀況、陸運的道路狀況與水運的水文狀況）、運輸速度等的不同，對運輸狀態下的彈上電子產品所產生的影響也不同。運輸環境對彈上電子產品的影響，主要取決于運輸過程中的誘發因素，有振動、沖擊等。因為彈用電子元器件經歷的運輸時間相對其整個壽命周期來說很短，運輸時依靠包裝箱的保護，溫、濕度變化較小，對其影響相對較小，故在此過程中只考慮振動應力對彈用電子元器件壽命的影響，試驗設計方案如下：

將彈用電子元器件分為4組，每組20個，保持溫度為25℃不變，分別施加功率譜密度為0.02g2／Hz、0.04g2／Hz、0.06g2／Hz、0.08g2／Hz的隨機振動應力，其振動如圖1所示，并定期用測試設備對其進行測試，當任何一項測試不合格即認為自動駕駛儀失效，并按順序記錄失效時間，數量和失效形式。運輸壽命與振動應力之間關系服從逆率模型。

3.2.3 戰備值班環境

圖1 振動試驗功率譜密度示意圖

戰備值班環境是指導彈在執行戰備任務時在發射平臺上所處的環境，是各種自然因素和誘發因素的總和。以機載導彈為例，在導彈掛機飛行時，通常都以裸彈狀態置于飛機掛點上，環境具有高溫的特點。飛機飛行過程中，由于要作許多機動動作、并受到氣流影響，這樣導彈上的電子產品還要受到振動載荷的作用。因此在加速試驗中考慮溫度、振動應力變化對其壽命的影響，試驗設計方案如下：

取彈用典型的電子元器件，將其分為16組，每組20個，保持濕度為75%不變，施加的16個組合應力水平見表2，定期用測試設備對其進行單元測試，當任何一項測試不合格即認為其失效，并按順序記錄失效時間、數量和失效形式。假定其壽命與應力之間關系服從復合應力模型。