基于加速試驗的典型戰儲物資貯存壽命測算

張 迪，劉士通，張 強，劉少華

(1.軍事交通學院研究生管理大隊，天津300161;2.軍事交通學院軍事物流系，天津300161;3.76131部隊，湖南 衡陽421000)

戰備儲備物資(以下簡稱“戰儲物資”)具有“長期儲存、應急使用”的特點，在長期儲存過程中容易受到各種環境因素的影響，造成戰儲物資性能發生變化，甚至失效，從而導致戰儲物資戰備完好率下降［1］。

隨著戰儲物資可靠性水平的不斷提高，壽命測算面臨著一個長壽命、高可靠試樣的測算課題。如果按照傳統的自然貯存試驗技術進行評估，則往往難于在可行的時間內完成。此外，由于科技的高速發展，產品更新換代的速度愈來愈快，人們迫切需要在較短時間內獲得產品的壽命信息?？紤]到自然貯存試驗周期長，性能退化量隨時間變化緩慢等因素，自然貯存試驗尚不能適應產品更新換代的要求。因此，加速壽命試驗的研究在可靠性試驗工程領域受到廣泛重視。利用加速壽命試驗法，可以在較短的時間內獲得戰儲物資的性能退化參數，通過分析這些性能參數的退化規律可以測算出物資的貯存壽命，這是目前廣泛應用的一種測算方法。

1 加速試驗綜述

加速試驗法是通過分析物資在高應力水平下的失效數據或性能退化數據，評估正常應力下產品的可靠性特征，并確定正常應力下物資的貯存壽命。

按照施加應力方式的不同，加速試驗通常分為恒定應力加速試驗、步進應力加速試驗和序進應力加速試驗3種(如圖1所示)［2］。恒定應力加速試驗是將一定數量的試驗件分成幾組，每組在某一恒定加速應力水平下進行試驗，直到各組均有一定數量的試驗件發生失效為止。步進應力加速試驗是將全部試驗件先放在某一加速應力水平下進行試驗，試驗持續一段時間后，將失效試件退出試驗，再將試驗應力提高到更高水平，如此進行下去，直到一定數量的試驗件發生失效為止。序進應力加速試驗與步進應力加速試驗相似，只是所施加的加速應力水平隨著時間按一定規律連續上升，其中最簡單的是沿直線上升。

按照試驗采集數據的不同，又可分為加速壽命試驗法和加速退化試驗法。加速壽命試驗(ALT)主要分析產品在高應力水平下的失效數據［3］，加速退化試驗(ADT)主要分析產品在高應力水平下的性能退化數據［4］，兩者都是利用這些數據外推產品在正常應力水平下的壽命特征。兩者區別:加速退化試驗以表征參數退化為判據，不依賴失效，充分利用失效前產品的表征參數信息，加速壽命試驗是以故障為判據;加速退化試驗是在性能退化預測的基礎上，再利用加速壽命模型進行壽命預測;加速退化試驗是基于預測機制，可以不進行到底，而加速壽命試驗是基于評估機制，須進行到底。

圖1 加速試驗分類

由于恒定應力試驗的理論與方法相比較更為成熟，且戰儲物資一般可靠性較高，不易在加速試驗中出現故障或失效，因此本文采用恒定應力對戰儲物資進行加速退化試驗。

2 貯存壽命測算步驟

(1)對戰儲物資進行貯存失效機理分析，確定加速試驗施加的應力類型。應力是引起物資發生失效的外因，而外因通過內因發生作用，即通過整機產品內部發生物理、化學、電氣和機械變化而導致失效。在戰儲物資貯存過程中，環境應力是影響貯存壽命最主要的因素，主要有溫度、濕度、力學環境等。

(2)確定退化敏感參數和失效判據［5］。通過對戰儲物資進行貯存失效模式分析，確定物資在貯存退化過程中比較敏感的參數，并根據現有的國家標準，合理確定物資敏感參數的失效閾值，即失效判據。

(3)進行加速退化試驗，定期檢測物資敏感參數，將數據記錄下來，并通過回歸分析，建立退化軌跡模型。

(4)獲取各應力水平下的偽失效壽命分布，并建立加速應力與壽命之間的關系模型，從而推導出正常應力水平下的貯存壽命。

3 貯存壽命測算模型構建

本文根據某課題組提供的某電子類戰儲物資加速試驗數據［6］，進行分析并建立測算模型。加速試驗數據提供了某數字電路的鍵合強度等性能指標在不同溫度應力下隨時間的變化關系。通過分析，鍵合強度隨時間變化明顯，所以本文將其設定為敏感參數。根據 GJB Z108A—2006［7］對電子元器件鍵合強度的要求，設定鍵合強度退化60%為失效判據。

3.1 擬合退化軌跡模型

試驗數據［6］提供了4個不同溫度應力下，鍵合強度退化率(R)與貯存時間(t)的變化關系，在每個溫度水平下進行4組試驗。將各溫度水平下的試驗數據轉化為折線圖，物資鍵合強度退化率與貯存時間具有良好的線性關系(如圖2所示)。

圖2 不同溫度下鍵合強度隨時間變化的退化率

利用SPSS軟件的線性回歸分析工具［8］，分別對各溫度應力水平下測得的數據進行線性回歸分析，經分析后發現具有良好的擬合度。通過SPSS分析數據，可得到各組數據滿足的線性方程為

式中:y為鍵合強度退化率;t為貯存時間;a和b為常數。由于鍵合強度退化60%時判定該物資失效，即令y=60，可分別計算出各樣本物資的偽失效壽命to，結果見表1。

表1 各溫度應力水平下的偽失效壽命 h

3.2 擬合偽失效壽命分布

通過3.1節的計算得到物資在各溫度應力水平下的偽失效壽命，然后分別對各溫度應力下的偽失效壽命尋找其分布規律，從而確定各溫度應力水平下偽失效壽命的期望。本文利用SPSS軟件中的非參數檢驗模塊，對各溫度應力下的偽失效壽命數據進行單樣本K-S檢驗，顯示漸進顯著性，顯著性水平為0.05。分析結果顯示各溫度應力水平下的偽失效壽命服從正態分布(見表2)。

表2 非參數檢驗結果

3.3 確定正常溫度下的貯存壽命

為測算正常應力下元器件的儲存壽命，需要建立壽命—應力模型，將壽命與給定的應力聯系起來，這樣就可以用高應力下的儲存壽命來外推正常應力下的儲存壽命。

電子元器件的壽命與溫度應力之間的關系可用 Arrhenius方程［9］來描述:

式中:d M/d t為反應速率;A為頻數因子;Ea為激活能;k為常數;T為溫度應力，K。

通過適當的變換將壽命特征與應力之間的非線性關系變成線性關系:

將表2中的數據進行線性轉換，結果見表3，其中μ為偽失效壽命的期望值。

表3 線性轉換后的數據

對表3中的數據進行線性回歸分析，自動剔除不合理數據，計算得

取常溫25℃，即 T=298.15 K，代入式(1)計算得該類物資在常溫25℃下的貯存壽命μ=21.77年，與課題組試驗報告中估計的21.21年十分接近［6］，從而驗證了本文壽命測算方法的合理性。

4 結語

戰儲物資貯存壽命的測算是一個復雜、長期、動態的研究課題，對于"長期貯存、應急使用"的戰儲物資，合理測算其貯存壽命，對規范戰儲輪換工作，提高物資儲備效益具有重要意義。本文以典型戰儲物資的貯存壽命為研究對象，利用加速退化試驗法，對物資貯存壽命測算方法進行探索，為戰儲物資貯存壽命測算工作提供一種新的思路。

［1］ 陳學軍，王豐，張連武.戰儲管理學［M］.北京:中國財富出版社，2013:3，304.

［2］ 茆詩松，王玲玲.加速壽命試驗［M］.北京:科學出版社，2000:11

［3］ Nelson W.Accelerated testing:statistical models，test plans and data analysis［M］.New York:John Wiley ＆ Sons，1990:56-59.

［4］ Meeker W Q，Hamada M.Statistical tools for the rapid development＆ evaluation of high-reliability products［J］.IEEE Transactions on Reliability，1995，44(2):187-198.

［5］ 上官芝，付桂翠，萬博.基于加速性能退化的元器件貯存壽命預測［J］.電子產品可靠性與環境試驗，2009，27(5):32-36.

［6］ 總后戰儲物資儲存壽命標準制定課題組.加速老化試驗報告［R］.北京:中國人民解放軍總后勤部，2013.

［7］ 張增照，宋太亮.GJB Z108A—2006電子設備非工作狀態可靠性預計手冊［S］.北京:中國人民解放軍總裝備部，2007.

［8］ 羅鳳明，邱勁飚，李明華，等.如何使用統計軟件SPSS進行回歸分析［J］.電腦知識與技術，2008(1):293-294.

［9］ 李軍，繆海杰.電子產品加速壽命試驗研究［J］.電子測試，2011(11):33-35.