環境試驗在產品全壽命周期的應用

章新瑞，史偉

（1.中國航空綜合技術研究所，北京 100028；2.中國航空工業集團公司，北京 100022）

環境試驗技術在為軍用和民用客戶研制可靠耐用產品的過程中發揮了巨大的作用。在國外，環境試驗的發展有2條路線：軍事工業中以MIL-STD-810G為基礎，產品環境試驗使用的應力越來越真實地模擬實際環境；民用工業以HALT，HASS 技術為基礎，在研制階段能更好更快地提高產品的可靠性和環境適應性，并縮短產品投放市場的時間，同時仍使用810G來驗證產品的環境適應性。

在國內，部分軍品研制單位對環境試驗的認識不足，僅因為客戶有要求才按標準做試驗，使得大多數產品處于“被環境試驗”的狀態。我國通信、電子、汽車等民用行業由于市場競爭充分，廠家十分重視產品的環境適應性，對環境試驗的應用提出了高費效要求，進而推動了民用產品環境試驗的發展。

文中從分析環境試驗的內涵入手，介紹了環境試驗在產品全壽命期中的應用特點以及如何正確地使用各種環境試驗，并分析了某產品應用環境試驗取得成功的案例。

1 環境試驗的內涵

環境試驗是將產品暴露在自然的或人工的環境條件下經受其作用[1]，以評價產品在實際使用、運輸和貯存環境條件下的性能，并分析研究環境因素的影響程度及其作用機理。可以借用質量管理中的過程控制圖（如圖1所示）進一步說明：

圖1 環境試驗過程Fig.1 Environmental test process

對產品研制單位而言，環境試驗有兩大作用，如圖2所示：

圖2 環境試驗的兩大作用Fig.2 Two functions of environmental test

對工程技術人員而言，環境試驗的內涵如圖3所示：

圖3 環境試驗的內涵Fig.3 Connotation of environmental test

2 環境試驗在產品全壽命期的應用

為便于分析討論，將產品全壽命期按照方案設計（F）、研制早期（C）、研制后期（S）、設計定型（D）和批生產（P）5個階段進行分類。

2.1 方案設計階段

方案設計階段主要為后續階段順利開展環境試驗進行各種準備和策劃工作，主要包括：

1）充分理解用戶的需要，分析并確定產品壽命期歷程及其環境；

2）確定對產品影響最大的環境因素，并提出設計要求；

3）對產品進行FMEA，初步確定產品可能潛在的故障部位和故障機理；

4）根據環境要求、試驗設備資源和用戶需求初步確定試驗項目；

5）收集類似產品在環境適應性設計方面的研制經驗和教訓，確定是否存在有用信息可以借鑒以及是否可以簡化試驗項目或不進行試驗；

6）確定進行試驗的資源（人、財、物等），并作計劃進行準備。

2.2 研制階段

本階段分為研制早期和后期，其中早期階段試驗主要在實驗室進行而后期則主要結合外場使用試驗進行綜合評價。

在早期研制階段，可對C 型樣機開展耐環境設計和開展工程研制試驗工作。工程研制試驗應集中于產品經常遇到的和預期會對產品產生嚴重影響的環境，同時可適當開展加速應力試驗。

在后期研制階段，可對S 型樣機進行外場試驗（如首飛前地面安全性試驗、飛行試驗等），在外場試驗同時可對產品經受的環境參數進行實測，從而綜合評價環境試驗方案。

研制階段的試驗主要為設計評價試驗，有2 個目的：1）獲取支持產品研制工作所需的工程信息，并盡量減少產品研制中的風險；2）盡可能快地暴露產品的薄弱環節，并予以改進及驗證。此階段有4 種不同的環境試驗類型，其基本特征為[2]：

1）在加載環境應力時，產品在結構、熱和其他方面的響應特點；

2）產品的強度極限；

3）產品的材料和生產工藝；

4）最佳試驗項目及方法。

產品的設計評價試驗，在我國開展的情況較差，隨著對環境試驗認識的進一步深化，部分單位已開始重視此階段工作，開展此類試驗也越來越主動，這也受益于2001 年頒布實施的環境工程標準GJB 4239《裝備環境工程通用要求》。

2.3 設計定型階段

設計定型階段的試驗主要包括設計驗證試驗，多數評價性試驗已經結束，設計驗證試驗的目的是集中驗證產品研制階段的所有決策并獲得其置信度。其基本特征[2]如下：

1）實際產品的環境鑒定試驗；

2）長周期試驗的結果與總壽命間的關系。

設計驗證試驗在國內主要開展的是環境鑒定試驗，而耐久性試驗開展的相對較少。

2.4 批生產階段

批生產階段的試驗一般稱為生產試驗，指對大批量生產的產品選取環境應力進行試驗，從而改進生產工藝，并確保生產工藝處于受控狀態。這一階段，基于此前進行的設計評價和驗證試驗，產品設計的置信度水平已經較高。這些試驗一般為環境應力篩選（ESS）和生產驗收試驗，具備以下4個基本特征[2]：

1）環境應力篩選技術；

2）在批量生產的產品中進行環境例行試驗，保證對生產工藝健壯性的評估具有穩定的置信度；

3）以最小的成本，最大可能地發現各種缺陷；

4）有效地保證由供應商提供的產品各類部件具備持續穩固的特性。

生產試驗在國內主要是ESS 和生產驗收試驗（交付驗收和例行試驗），航天、航空、電子等行業的電子產品出廠必須100%進行ESS。交付驗收試驗也是100%進行的，而例行試驗則在某個批次產品中抽樣進行。

對上述各個階段應用的環境試驗的特點進行總結見表1。

3 實施環境試驗的考慮

3.1 試驗目的

環境試驗目的隨著產品壽命期階段的不同而不同。研制階段早期的試驗目的，較為重要的是獲取產品研制的工程信息，此階段可以選擇一些特別的項目來識別以前知之甚少的、潛在有害的產品特性。環境研制試驗成功與否的標志是通過這些試驗最終獲得的有關產品的新信息有多少。

在產品研制階段，新材料或制造工藝也是環境試驗的對象。受控的試驗可比較不同材料和工藝過程的優劣，為早期設計提供有價值的決策支持信息。這類信息可以防止在選擇材料或工藝時的不成熟決策，從而避免在更高的產品層次上進行試驗時出現問題。研制試驗可以評估采用不同的產品構型的效果，或評估環境試驗設備和應力加載方法有效性的最好時機。

3.2 試驗輸出

研發工程師希望得到詳細的試驗技術結果，能夠從中獲取產品信息并進而得出結論。產品管理人員和其它人員更為關注試驗結果的含義。

3.3 試驗實施人員的素質

一個好的試驗，不僅取決于試驗的設計是否恰當，還取決于試驗執行的技術質量。試驗實施人員必須了解試驗客戶想從試驗中得到什么以及在實際試驗中如何最大限度地滿足試驗用戶的需要，為此試驗實施人員也必須不斷自我學習和培訓提高，不斷地提高自己的技術水平。

4 案例分析[3]

某多普勒導航系統為引進英國雷卡公司多普勒導航系統的國產化產品，主要裝備某直升機，1996年完成設計定型。該產品定型試飛和適應性試飛均為一次通過，開創了研制單位機載產品試飛高質量、高速度、一次成功的先例。為在產品研制各個階段應用GJB 150進行了全面的工程研制和鑒定試驗，極大地提高了產品的環境適應性和可靠性。其經驗見表2。

表1 產品全壽命期的環境試驗特點Table 1 Feature of environmental test in product full life cycle

從表2 可以看出，該產品研制單位在產品全壽命期主要開展工作有：

1）產品研制管理層高度重視，在研制早期的宣傳教育工作十分成功，使設計人員不再對環境試驗有畏難情緒，不再認為試驗是給研制工作找麻煩，而是要將耐環境設計融入到研制早期階段；

2）在研制早期制定了2 個規范性文件，為設計人員、管理人員和試驗人員開展環境設計和試驗工作提供了良好的基礎；

3）在研制階段的產品級環境試驗沒有充分起到暴露產品缺陷并改進缺陷的作用，這導致鑒定試驗變成了研制試驗，使得鑒定試驗周期拉長到3 a，軍廠雙方對在鑒定試驗中出現問題不放過，把鑒定試驗工作做得扎扎實實。

由此可以知道，在產品全壽命期扎實開展環境試驗工作對產品的環境適應性和可靠性的提升是相當有益的。

5 結語

對環境試驗在產品全壽命期內的應用進行了介紹和總結，并對有效實施環境試驗的相關問題進行了探討，根據目前的產品環境試驗現狀，提出以下建議：

1）加強在產品方案設計時期的試驗基礎準備工作，并做好試驗規劃與資源的配備；

2）明確試驗目標，試驗的價值在試驗實施前就應該確定；

3）重視試驗技術文檔工作，并建立產品的相關信息庫；

4）加強產品研制各部門之間的協同；

5）加強試驗技術人員的培訓，并按層次規劃培養試驗隊伍，如可按照環境工程專家（試驗規劃與總體目標制訂）、試驗工程師（試驗設計、試驗數據分析）、試驗實施人員（準確地實施試驗）的3個層次來培養試驗隊伍。

表2 某多普勒導航系統研制單位在產品各研制階段開展環境試驗工作的經驗Table 2 Environmental test experiences in different developing stage from certain Doppler navigation system developing company

[1]GJB 150，軍用設備環境試驗方法[S].

[2]HANK C. 環境可靠性試驗概述[C]. 美國：美國R&M 年會，1996.

[3]王志忠，范永明，劉漢生. 多普勒導航系統研制中應用GJB 150的成功嘗試[C]//GJB150實施十周年研討會論文集.1997.