型號可靠性試驗工作思路

夏麗嬌　中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師

泰爾檢測

型號可靠性試驗工作思路

夏麗嬌中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師

對國內目前在型號研制過程中開展可靠性試驗的工作情況和面臨的問題進行了分析，結合國外在可靠性試驗技術研究和工程實踐方面的新進展，給出了3種先進的可靠性試驗技術的基本原理和應用階段，最后提出了在新型號中開展可靠性試驗工作的新思路。

型號；可靠性試驗；綜合評價；工作思路

1　引言

溫度試驗是電氣安全測試中的一項基本試驗，且溫升測試也是應用最廣，最容易出現測試誤差的試驗，很多產品都會在涉及溫度的測試中出現這樣那樣的問題，其測量的方法和精度會對產品的合格性評定產生決定性的影響。溫升試驗通常包括表面溫升和繞組溫升兩個項目。對于電機、變壓器等有繞組的電器部件，如采用非接觸式的紅外測溫儀法和在變壓器表面布點的熱電偶法，則只能對繞組表面的溫升進行測量，并不能獲取整個繞組的溫度實際變化情況，而且這兩種方法測量誤差較大，對環境要求極高，因此建議作為繞組溫升測試過程中的輔助驗證手段。而采用電阻法測量繞組溫升，是通過測量繞組發熱時的電阻值變化來進行計算，其準確性高，且能獲取繞組內部的溫度實際變化情況。本文以一次CNAS能力驗證比對試驗為例，介紹了采用電阻法測量繞組溫升的具體試驗步驟和注意事項。

我國型號研制過程中的可靠性試驗工作一般是按照GJB450-1988《裝備研制與生產的可靠性通用大綱》和GJB450A-2004《裝備可靠性工作通用要求》的要求開展的。自20世紀90年代以來，通過可靠性試驗工作的開展，極大地提高了我國裝備武器的可靠性，促進了部隊戰斗力的提升。但是，隨著科學技術的不斷發展，元器件和產品的設計水平有了很大提高，軍品和民品設備型號的可靠性和壽命的要求也越來越高，對設備型號研制的可靠性試驗工作帶來了極大的挑戰。

2　國外型號研制開展的可靠性試驗工作情況

20世紀90年代以來，美軍在更高的層次上強化了可靠性的基礎性、全局性的戰略地位和作用。在武器裝備型號研制與實施并行工程過程中，強調可靠性專業與傳統專業的一體化。仿真化：美軍在20世紀90年代頒發的防務采辦條例DoDD5000.1“防務采辦系統”規定：試驗與評價應與建模與仿真活動結合進行，以有助于了解和評估技術成熟度和互用性，便于與野戰部隊綜合，并能根據文件規定的能力需求和在系統威脅評估中描述的敵方能力來確定系統性能。

在美國防務采辦改革以來，建模與仿真技術在可靠性領域的應用也越發廣泛。在制定航空設備的可靠性要求過程中，建模與仿真是決定滿足用戶需求所必需的可靠性水平和范圍的一種有效的技術；利用建模與仿真技術還可以確定費用、進度與性能的要求，以及可靠性、維修性和保障性在滿足壽命周期費用條件下的優化組合參數；在可靠性設計中，通過建模了解產品中各零部件、組件、設備和軟件與整個產品的關系，并通過仿真來驗證這種關系的正確性，分析產品可靠性設計的薄弱環節，改進設計、提高產品的可靠性。此外，功能可靠性仿真將系統可靠性與性能在統一的環境和模型下進行分析，有效地解決了航空設備缺少數據的問題。

加速化：目前已知的可靠性加速試驗根據試驗目的將可靠性加速試驗分為加速壽命試驗（ALT）、可靠性強化試驗（RET）、高加速壽命試驗（HALT）、高加速應力篩選（HASS）和基于故障物理的可靠性加速試驗等試驗項目，各試驗項目根據各自的目的均有較為明確的工作內容和要求。根據可靠性加速試驗的目的及使用用途，可以將現有的可靠性加速試驗分為三種類型，一種是通過施加高應力，實現在相對較短時間內確定產品壽命的加速壽命試驗（ALT）；第二種是通過施加高應力，實現短時間內找出產品的缺陷，如可靠性強化（RET）和高加速應力篩選（HASS）等；第三種是通過步進施加越來越高、最終遠超出規范規定的最高應力的應力，快速發現設計缺陷，與改進缺陷相結合，并確定產品應力極限，如HALT。第二類試驗中的RET和HASS均使用遠高于規范的規定的應力，屬于目前流行的高加速應力試驗范圍。而第三類試驗的HALT則是在實現第二類的目的基礎上，進而確定產品的應力極限，是一種更為有效的高加速應力試驗。目前，國內外均對這兩類可靠性加速試驗開展了大量的研究工作。

對于上述3類可靠性加速試驗，若從加速試驗所應用的原理，以及試驗結果是定性還是定量地反映產品所達到的可靠性水平等方面進行分類，可將上述三類加速試驗分為兩大類：定性加速試驗和定量加速試驗。其中，定性加速試驗的目的是對產品施加加速應力，在對故障模式、原因分析的基礎上，通過改進設計，提高產品的可靠性水平，如可靠性強化試驗；定量加速試驗的目的是通過對產品施加加速應力，加快產品失效，對產品的可靠性水平進行評價，如加速壽命試驗和基于故障物理的可靠性加速試驗。目前，國內外均對這兩類可靠性加速試驗開展了大量的研究工作。從而能夠有效地縮短定型階段在實驗室開展可靠性驗證試驗的試驗時間。

綜合化：現代武器系統日趨復雜，高可靠長壽命的機載產品越來越普遍，為了適應機載產品可靠性水平不斷提高的局面，美國于20世紀90年代以來不斷改革試驗與鑒定策略，提出了“綜合試驗與評價”的方法。該方法通過在研制初期開展建模仿真、虛擬試驗等方式從設計上保證產品達到較高的可靠性并得到相關的產品數據，在研制過程中開展加速試驗來縮短試驗時間，并且利用研制過程中的數據對產品進行可靠性綜合評估，從而能夠有效地縮短定型階段在實驗室開展可靠性驗證試驗的試驗時間。

3　可靠性試驗新技術簡介

通過國外可靠性試驗技術的最新發展可以看出，可靠性試驗的新技術基本上可以歸納為3類，即可靠性仿真試驗、可靠性強化試驗和可靠性加速試驗。

3.1可靠性仿真試驗

可靠性仿真試驗是采用計算機建模技術構造產品的電子樣機，同時利用可靠性仿真技術分析產品在壽命期內所遇到的環境條件對產品的作用效果，得出產品的薄弱環節信息，以期在設計早期階段消除故障薄弱環節，能夠縮短產品的研制周期并提高產品的固有可靠性。同時利用可靠性仿真試驗能夠得到產品的故障數據，這些數據能夠為評估產品的可靠性提供支持，從而能夠縮短產品定型階段的實驗室可靠性試驗時間。

可靠性仿真試驗首先將產品所經受的環境條件（溫度和振動等）分解到產品各個組成部分，同時利用局部載荷/應力的響應原理和應力-損傷原理開展可靠性仿真，得出產品的潛在故障位置，故障模式和故障機理等信息，這些信息能夠確定產品的薄弱環節，分析產品的可靠性指標是否滿足規定的要求，同時利用基于遺傳算法的可靠性設計優化技術確定產品的設計改進方案等，從而為產品的設計改進提高依據；同時這些信息還能夠確定加速試驗條件和確定篩選條件等，從而為后續開展可靠性加速試驗及可靠性綜合評價提供支持。

可靠性仿真試驗技術主要應用于產品研制初期，隨著研制過程的深入可迭代進行?？煽啃苑抡嬖囼炘跀底謽訖C設計完成時即可開展。

3.2可靠性強化試驗

可靠性強化試驗的理論依據是故障物理學（Physics of Failure），把故障或失效當作研究的主要對象，通過試驗發現產品的薄弱環節，同時對薄弱環節采取糾正措施，使產品達到一個健壯的水平，從而保證產品在實際使用中表現出較高的可靠性?？煽啃詮娀囼炇且环N定性的可靠性加速試驗，不能回答產品通過試驗后其可靠性MTBF是否滿足規定的要求，只能定性的說明通過該項試驗產品的可靠性有一定水平的提高。

可靠性強化試驗是一種步進應力試驗，其試驗過程是將設計階段的小樣本的產品暴露在一系列依次提高的某種應力（如溫度或振動）臺階上，在每一應力臺階完成后，進行故障檢測，對發生的故障采取糾正措施，直至達到產品的設計極限。這種試驗被用來在一個比較短的時間周期內發現故障并進行風險研究，也用于確定產品在有效壽命期內抗隨機故障的能力。

可靠性強化試驗主要適用于產品研制階段的中期?？煽啃詮娀囼灥膶ο笾饕遣捎昧诵略O計、新材料或新工藝的產品，它可廣泛應用于電子、機電產品。

3.3可靠性加速試驗

可靠性加速試驗是一種利用可靠性仿真試驗技術的定量可靠性加速試驗，該項技術首先以產品壽命周期的環境載荷和產品的自身設計條件作為輸入，系統地分析確定產品潛在故障位置、故障模式、故障機理等信息，準確定位薄弱環節及其主要影響機理；其次根據薄弱環節和主要故障機理確定可靠性加速試驗模型；最后通過確定的可靠性加速試驗模型設計可靠性加速試驗方案，通過開展加速試驗定量的描述產品的可靠性水平?？煽啃约铀僭囼炗捎谠谠囼灧桨冈O計過程中采用了計算機仿真試驗的分析數據，因此能夠用較少的樣本量來進行可靠性加速試驗并保證試驗結果的準確性?？煽啃约铀僭囼炐枰诋a品的物理樣機上進行，因此該項試驗主要在產品研制階段的后期進行。

4　型號中開展可靠性試驗工作的新思路

目前國內型號在開展可靠性鑒定試驗過程中已經遇到了試驗時間過長、試驗經費過高，以及實驗室試驗結果與外場使用結果有一定差異等問題，為了保證可靠性試驗工作能夠在大運上順利高效地開展，需要改變目前僅在定型階段對產品進行可靠性鑒定試驗的方式，而是要將產品的可靠性驗證工作延伸到產品研制的整個階段，將可靠性驗證和評價工作融入到產品的設計工作中，實現可靠性的全過程控制和評價，保證交付使用的產品達到規定的可靠性要求。

因此，對于后續型號研制過程中的可靠性試驗工作，應根據國內以往型號可靠性驗證與評價工作的經驗，結合國外可靠性驗證與評價技術的發展趨勢，在試驗理念、控制措施、考核方式上重點突出“結果考核和過程控制并重”、“試驗鑒定向綜合評價轉變”，即利用可靠性仿真試驗、可靠性強化試驗、可靠性加速試驗、可靠性摸底試驗、可靠性鑒定試驗和科研試用這四種方法在產品的不同層次和不同階段開展相應的試驗，最后綜合利用各類試驗數據對產品的可靠性進行評價和驗證，以最佳的費效比開展可靠性試驗工作。

在型號的整個研制過程中，采用仿真試驗—定量加速試驗和強化試驗—系統綜合的方式開展可靠性綜合評價與驗證工作，即在研制的每一階段，對產品研制單位提出工作要求，充分利用各種工作要求產生的信息對產品的可靠性進行評價，這種評價結果將作為產品轉階段的依據。具體評價過程和方法如下：

4.1初樣設計階段

（1）按照設計方案建立可靠性模型。

（2）利用環境載荷預計系統，對初樣設計開展基于故障物理的可靠性仿真試驗，并結合應力實測確定系統的潛在關鍵故障和薄弱環節，為系統設計改進提供依據。該信息也作為各單元開展可靠性加速試驗、可靠性強化試驗的參考。對于基本具備S型狀態的初樣產品，也可開展可靠性強化試驗，激發產品的薄弱環節并進行設計改進。

（3）利用改進的可靠性預計結果、仿真試驗結果和可靠性研制試驗信息，并結合常規可靠性工作項目的輸出結果（比如FME（C）A/FTA分析、相似產品的內外場可靠性信息等），對產品的可靠性進行綜合評估，判定系統是否達到轉段要求。

4.2正樣設計階段

（1）對正樣設計開展基于故障物理的可靠性仿真試驗，進一步確定產品的潛在關鍵故障和薄弱環節，為系統設計改進提供輸入，并評價系統在耐環境能力和耐久性方面設計的合理性。該仿真結果也是各單元開展可靠性加速試驗方案的重要輸入之一。

（2）對于開展了可靠性仿真試驗的關鍵重要產品在模塊級或設備級開展可靠性強化試驗，驗證仿真試驗結果的準確性和提高產品的健壯性，為后續定量可靠性加速試驗的開展奠定基礎。

（3）在設備級產品開展基于故障物理的可靠性加速試驗，通過可靠性加速試驗，驗證仿真試驗結果，進一步暴露產品的設計缺陷，為產品改進、提高產品的可靠性水平提供支持。

（4）收集科研試運行數據，對發生的故障進行分析。

（5）基于本階段的可靠性仿真試驗結果、加速試驗結果、試運行前可靠性增長摸底試驗結果和科研試運行數據綜合評價產品的可靠性水平，并判定是否達到轉段要求。若產品的可靠性未達到轉段所規定的水平，則根據仿真試驗和加速試驗數據等確定的薄弱環節和關鍵模塊，對產品進行設計改進，直到產品的可靠性滿足轉段要求。

4.3設計定型階段

（1）采用系統模擬試驗方式進行系統（系統的組成設備均完成HASS）的設計定型可靠性鑒定試驗，通過該項試驗不僅可以給出系統的可靠性結論；同時，根據各組成單元在系統試驗中的具體表現，結合前期的可靠性仿真試驗、可靠性加速試驗和現場試驗結果，給出各組成單元的可靠性評價結論。上述結論是產品進行設計定型的依據之一。

（2）收集定型試運行的可靠性數據，完成產品試運行可靠性評估。采用現場試運行數據統計的可靠性評估結果和根據實驗室試驗數據再次綜合對系統在設計定型時的可靠性水平進行評估，該評估結果是飛機進行設計定型的依據之一。

（3）如經過評價，產品的可靠性未達到設計定型階段規定的水平，則根據系統模擬試驗所暴露的薄弱環節對產品進行設計改進，直到產品的可靠性滿足設計定型要求。

4.4小批試用階段

（1）跟蹤產品實際使用狀況，對試用過程中的可靠性信息進行分析，跟蹤試用過程中故障產品的歸零情況，在試用階段結束時給出產品的可靠性水平評估結論。

（2）根據該階段的可靠性評估結果，對前期可靠性評價和驗證結果的相關性進行分析，對產品可靠性總體水平的達標情況進行分析。

5　結束語

本文對國內目前在型號研制過程中開展可靠性試驗的工作情況和面臨的問題進行了簡要分析，結合國外在可靠性試驗技術研究和工程實踐方面的新進展，給出了3種先進的可靠性試驗技術的基本原理和應用階段，最后提出了在新型號中開展可靠性試驗工作的新思路。

［1］國防科學技術工業委員會.裝備研制與生產的可靠性通用大綱：GJB450-1988［S］.北京：國防科學技術工業委員會，1988，3.

［2］中國人民解放軍總裝備部.裝備可靠性工作通用要求：GJB450A-2004［S］.北京：中國人民解放軍總裝備部，2004，3.

［3］.Neill Doertenbach.Highly Accelerated Life Testing-Testing with a Defferent Purpose［C］.2000 Proceedings of IEST. 2001，8.

2016-08-29）