艦載武器裝備產品溫度-濕度兩應力加速老化試驗方法研究

史朝龍

（海軍駐北京航天科工集團公司第三研究院軍事代表室，北京 100074）

艦載武器裝備產品溫度-濕度兩應力加速老化試驗方法研究

史朝龍

（海軍駐北京航天科工集團公司第三研究院軍事代表室，北京 100074）

老化是艦載武器裝備上的材料、電子設備發生失效或性能退化的主要因素。加速老化試驗屬于可靠性試驗范疇，是評價產品壽命和預測產品退化趨勢的主要方式之一。在分析艦載武器服役環境和出現的老化問題的基礎上，利用Peck加速模型和基于性能退化數據的評估方法，提出了一種溫度-濕度兩應力加速老化試驗方法，并給出了應用算例。

老化；加速老化試驗；艦載武器裝備

概述

老化是產品在貯存、運輸和使用過程中，由于使用年限的增長以及受到各種內外環境因素的綜合作用，性能逐漸變壞直至失去使用價值的過程。通常發生在非金屬材料、電子元器件及機電產品上，表現為材料外觀改變、物理性能和力學性能降低，元器件的電性能降低，以及電子設備的主要性能超差等現象。老化的最終表現是產品的使用性能變差、使用壽命縮短。

老化試驗是通過采集產品的使用數據，進行性能分析和壽命評估，可以提供產品比較可靠的使用壽命信息的試驗。按試驗場所不同可以分為自然老化試驗和人工老化試驗；按試驗對象層次不同可以分為材料老化試驗、器件老化試驗和單機老化試驗；按試驗應力大小不同可以分為常規老化試驗和加速老化試驗。加速老化試驗按應力類型不同又可以分為單應力（一般為溫度）加速老化試驗和兩應力或多應力加速老化試驗。

目前，基于單應力的加速老化試驗應用較普遍。由于產品在實際使用過程中，所處的環境條件較復雜，溫度、濕度、氧、臭氧、光、振動、化學性侵蝕、砂塵、微生物侵蝕、鹽霧等均不同程度地影響產品的老化性能。對于艦載武器裝備，海洋的“三高”環境是影響裝備性能的主要外部因素，但是受加速模型的制約，本文主要研究了一種基于溫度-濕度兩應力的加速老化試驗方法。

1 艦載平臺環境

艦載武器裝備在出廠驗收合格并投入部隊使用后，需要經歷各種各樣的使用環境，其典型的壽命剖面如圖1所示。綜合來看，主要有3種典型的使用環境：①在儲備庫房中進行長期存放的貯存環境；②進行空間轉移的運輸環境；③承擔作戰執勤的戰備值班環境。將艦載平臺環境與貯存環境和運輸環境進行比較如表1所示。可見，艦載環境比貯存環境和運輸環境更加嚴酷，主要體現在高溫、高濕、高鹽等“三高”環境和復雜海況、長期的低頻振動等方面。

圖1 艦基導彈的壽命剖面

表1 艦基導彈典型服役環境因素比較

表2 某型艦載武器裝備故障分類

2 艦載武器裝備的老化問題

由于艦載武器裝備的安裝部位不同、防護水平不同、工作狀態不同，其受到環境因素的影響程度也不同。但是，對于安裝在艦面甲板上武器裝備，直接暴露于各種海洋環境條件下，無疑是環境條件最惡劣，故障最多發的。排除人為操作失誤、偶然故障、銹蝕等故障原因，材料和元器件老化是艦載武器裝備主要的故障模式之一。

例如，統計某型艦載武器裝備故障現象及同類故障出現的次數如表2所示。按設備類型不同故障分為A、B、C、D四類。通過質量測試和故障成因分析，這些故障主要原因有三個：人為原因、偶然故障和元器件老化。如C4均為人為裝配出現失誤引起的故障，D3、D4為偶然故障引起的可靠性問題，其余參數超差類故障一般與元器件的老化有關。隨著使用時間的累積，加上環境條件和工作條件的影響，單機設備中非金屬材料會老化、電子元器件的性能會下降或漂移，最終可能導致設備整體功能失效或性能降低，影 響武器裝備的使用壽命。

3 基于溫度-濕度兩應力的加速老化試驗方法

按可靠性水平和維保方式的不同，可以將艦載武器裝備上的所有產品分為3類：第1類是長期貯存或戰備值班對其可靠性和壽命影響不大，高可靠、長壽命的產品；第2類是進行定期檢測，當出現偶然故障時可進行維修的產品；第3類是性能參數有變化趨勢的產品，為滿足武器裝備所需的貯存和戰備值班可靠性可采取定期更換的措施。針對第3類產品，可以開展加速老化試驗，研究其性能退化趨勢和可靠壽命問題。

同一類產品的老化趨勢是基本一致的，可以作出以下假設：同一類產品樣本的老化軌跡相似，可以使用具有相同形式的曲線方程來進行描述；由于產品樣本之間具有隨機波動性，因此不同產品樣本的退化曲線的方程系數不同。

由上述假設可知，這種隨機波動性使產品的性能退化量到達預先設置的失效閾值所需要的時間（即失效壽命），也具有某種程度的隨機性，因此可以利用某種特定分布來描述這種隨機性。圖2給出了產品退化軌跡與其壽命分布之間的關系圖，圖中Df為失效閾值，t1、t2、……，分別是不同試驗樣本達到失效閾值的時間。由于這些時間不是樣本的實際失效時間，因此稱其為偽失效壽命。

表3 性能退化數據

基于性能退化數據的評估方法的基本思路是：通過對觀測到的性能退化數據進行預處理后，分別擬合各應力水平下老化軌跡曲線。首先定義老化失效閥值，結合老化軌跡曲線，計算各應力水平下的壽命，然后根據各應力水平下的壽命分布參數擬合加速模型中的未知參數，進而可外推其在正常環境條件下的壽命，具體評估方法如下：

1）試驗數據的收集及預處理。n個產品在步降應力S1，S2，…，Sk加速退化試驗數據結構如表3所示。yij（j=1，2，…，q）為第i個樣本第j次檢測的退化數據。對得到的原始數據進行處理，包括剔除野點，錯誤數據等，從而得到有效的性能退化數據。

2）擬合退化軌跡。根據得到的有效性能退化數據，繪出性能退化量隨時間變化的曲線，對于大多數電子產品，其退化軌跡一般可使用以下幾種線性模型來進行有效的擬合：

圖2 退化軌跡與壽命分布關系示意圖

3）預測偽壽命。假設失效閾值為Df，根據上一步求得的不同應力下各個樣本的退化軌跡方程，外推出每樣本的達到失效閾值Df的時間Ti，即偽失效壽命時間數據。

4）偽失效壽命分布類型及分布參數。對得出偽失效壽命時間數據進行分布假設檢驗，然后根據其服從的分布類型，估計出每一應力水平下樣本失效壽命時間分布的總體參數。

假設在應力Sk下的偽失效壽命Tki（i=1，2，…，n）服從指數分布，則平均壽命參數的極大似然估計為

D.S.Peck在1986年提出的描述溫度-濕度的加速模型Peck模型，兼顧了溫度和濕度的作用，適于濕熱老化試驗。

式中：H是相對濕度；T是絕對溫度；K是波爾茲曼常數；E是激活能；a、b、c是常數；

5）正常應力下的失效壽命評估。通過加速模型，找出失效壽命總體參數與應力水平之間的關系，外推出樣本在正常應力下的各種可靠性參數。如將正常應力水平S0代入即可得，于是正常應力條件S0下的可靠度函數

4 算例

圖3 退化趨勢擬合曲線

以4塊電源板為試驗對象，編號為1#～4#。采用均勻正交設計法取4組不同溫度-濕度值，分別為（80，55）、（90，85）、（100，25）、（110，65）。將4塊電源板在4組環境條件下各進行400h的試驗，分別測試10次，獲取電壓變化數據。描繪出四組應力下產品的退化趨勢如圖3所示，擬合參數如表4所示。

表4 濕熱老化試驗退化曲線擬合參數

將擬合直線代入Peck模型

該產品的老化失效分布函數為

失效概率分布圖見圖4。

圖4 失效概率分布圖

5 總結

本文在分析艦載武器服役環境和出現的老化問題的基礎上，利用Peck加速模型和基于性能退化數據的評估方法，提出了一種溫度-濕度兩應力加速老化試驗方法，并給出了應用算例，驗證了該方法的可行性。在實際應用中，還需針對具體產品進行FMECA分析，確定關鍵部件和老化指標，并依據產品實際工作條件確定加速老化試驗時間、試驗應力水平、電應力的施加頻率等。經加速老化試驗得到產品飛老化失效模型，可以作為確定產品失效壽命和關鍵部件更換周期的依據。

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史朝龍（1974，10-），男，畢業于哈爾濱工業大學管理與工程專業，研究生，工程師，現從事武器系統質量管理及相關技術研究工作。

Research on an Accelerated Aging Testing Method Based on the Factors of Temperature and Humidity for Products on Carrier-based Weapons

SHI Chao-long
（Naval Military Representative Office in the Third Research Academy，Beijing 100074）

Aging is a primary factor which can cause failure or degeneration of material and electronic product on carrier-based weapon.Accelerated-aging-testing belongs to a kind of reliability testing，is a primary method to evaluate product life and forecast degeneration trend.On the basis of analyzing using environment and arisen problems of carrier-based Weapons，making use of Peck accelerated model and an evaluation method based on product capability degeneration data，an accelerated aging testing method based on the factors of temperature and humidity is put forward in this paper，and an example is adduced at the same time.

aging；accelerated aging testing；carrier-based weapons

V416.5

A

1004-7204（2015）06-0007-05