环境试验在产品全寿命周期的应用

章新瑞，史伟

（1.中国航空综合技术研究所，北京 100028；2.中国航空工业集团公司，北京 100022）

环境试验技术在为军用和民用客户研制可靠耐用产品的过程中发挥了巨大的作用。在国外，环境试验的发展有2条路线：军事工业中以MIL-STD-810G为基础，产品环境试验使用的应力越来越真实地模拟实际环境；民用工业以HALT，HASS 技术为基础，在研制阶段能更好更快地提高产品的可靠性和环境适应性，并缩短产品投放市场的时间，同时仍使用810G来验证产品的环境适应性。

在国内，部分军品研制单位对环境试验的认识不足，仅因为客户有要求才按标准做试验，使得大多数产品处于“被环境试验”的状态。我国通信、电子、汽车等民用行业由于市场竞争充分，厂家十分重视产品的环境适应性，对环境试验的应用提出了高费效要求，进而推动了民用产品环境试验的发展。

文中从分析环境试验的内涵入手，介绍了环境试验在产品全寿命期中的应用特点以及如何正确地使用各种环境试验，并分析了某产品应用环境试验取得成功的案例。

1 环境试验的内涵

环境试验是将产品暴露在自然的或人工的环境条件下经受其作用[1]，以评价产品在实际使用、运输和贮存环境条件下的性能，并分析研究环境因素的影响程度及其作用机理。可以借用质量管理中的过程控制图（如图1所示）进一步说明：

图1 环境试验过程Fig.1 Environmental test process

对产品研制单位而言，环境试验有两大作用，如图2所示：

图2 环境试验的两大作用Fig.2 Two functions of environmental test

对工程技术人员而言，环境试验的内涵如图3所示：

图3 环境试验的内涵Fig.3 Connotation of environmental test

2 环境试验在产品全寿命期的应用

为便于分析讨论，将产品全寿命期按照方案设计（F）、研制早期（C）、研制后期（S）、设计定型（D）和批生产（P）5个阶段进行分类。

2.1 方案设计阶段

方案设计阶段主要为后续阶段顺利开展环境试验进行各种准备和策划工作，主要包括：

1）充分理解用户的需要，分析并确定产品寿命期历程及其环境；

2）确定对产品影响最大的环境因素，并提出设计要求；

3）对产品进行FMEA，初步确定产品可能潜在的故障部位和故障机理；

4）根据环境要求、试验设备资源和用户需求初步确定试验项目；

5）收集类似产品在环境适应性设计方面的研制经验和教训，确定是否存在有用信息可以借鉴以及是否可以简化试验项目或不进行试验；

6）确定进行试验的资源（人、财、物等），并作计划进行准备。

2.2 研制阶段

本阶段分为研制早期和后期，其中早期阶段试验主要在实验室进行而后期则主要结合外场使用试验进行综合评价。

在早期研制阶段，可对C 型样机开展耐环境设计和开展工程研制试验工作。工程研制试验应集中于产品经常遇到的和预期会对产品产生严重影响的环境，同时可适当开展加速应力试验。

在后期研制阶段，可对S 型样机进行外场试验（如首飞前地面安全性试验、飞行试验等），在外场试验同时可对产品经受的环境参数进行实测，从而综合评价环境试验方案。

研制阶段的试验主要为设计评价试验，有2 个目的：1）获取支持产品研制工作所需的工程信息，并尽量减少产品研制中的风险；2）尽可能快地暴露产品的薄弱环节，并予以改进及验证。此阶段有4 种不同的环境试验类型，其基本特征为[2]：

1）在加载环境应力时，产品在结构、热和其他方面的响应特点；

2）产品的强度极限；

3）产品的材料和生产工艺；

4）最佳试验项目及方法。

产品的设计评价试验，在我国开展的情况较差，随着对环境试验认识的进一步深化，部分单位已开始重视此阶段工作，开展此类试验也越来越主动，这也受益于2001 年颁布实施的环境工程标准GJB 4239《装备环境工程通用要求》。

2.3 设计定型阶段

设计定型阶段的试验主要包括设计验证试验，多数评价性试验已经结束，设计验证试验的目的是集中验证产品研制阶段的所有决策并获得其置信度。其基本特征[2]如下：

1）实际产品的环境鉴定试验；

2）长周期试验的结果与总寿命间的关系。

设计验证试验在国内主要开展的是环境鉴定试验，而耐久性试验开展的相对较少。

2.4 批生产阶段

批生产阶段的试验一般称为生产试验，指对大批量生产的产品选取环境应力进行试验，从而改进生产工艺，并确保生产工艺处于受控状态。这一阶段，基于此前进行的设计评价和验证试验，产品设计的置信度水平已经较高。这些试验一般为环境应力筛选（ESS）和生产验收试验，具备以下4个基本特征[2]：

1）环境应力筛选技术；

2）在批量生产的产品中进行环境例行试验，保证对生产工艺健壮性的评估具有稳定的置信度；

3）以最小的成本，最大可能地发现各种缺陷；

4）有效地保证由供应商提供的产品各类部件具备持续稳固的特性。

生产试验在国内主要是ESS 和生产验收试验（交付验收和例行试验），航天、航空、电子等行业的电子产品出厂必须100%进行ESS。交付验收试验也是100%进行的，而例行试验则在某个批次产品中抽样进行。

对上述各个阶段应用的环境试验的特点进行总结见表1。

3 实施环境试验的考虑

3.1 试验目的

环境试验目的随着产品寿命期阶段的不同而不同。研制阶段早期的试验目的，较为重要的是获取产品研制的工程信息，此阶段可以选择一些特别的项目来识别以前知之甚少的、潜在有害的产品特性。环境研制试验成功与否的标志是通过这些试验最终获得的有关产品的新信息有多少。

在产品研制阶段，新材料或制造工艺也是环境试验的对象。受控的试验可比较不同材料和工艺过程的优劣，为早期设计提供有价值的决策支持信息。这类信息可以防止在选择材料或工艺时的不成熟决策，从而避免在更高的产品层次上进行试验时出现问题。研制试验可以评估采用不同的产品构型的效果，或评估环境试验设备和应力加载方法有效性的最好时机。

3.2 试验输出

研发工程师希望得到详细的试验技术结果，能够从中获取产品信息并进而得出结论。产品管理人员和其它人员更为关注试验结果的含义。

3.3 试验实施人员的素质

一个好的试验，不仅取决于试验的设计是否恰当，还取决于试验执行的技术质量。试验实施人员必须了解试验客户想从试验中得到什么以及在实际试验中如何最大限度地满足试验用户的需要，为此试验实施人员也必须不断自我学习和培训提高，不断地提高自己的技术水平。

4 案例分析[3]

某多普勒导航系统为引进英国雷卡公司多普勒导航系统的国产化产品，主要装备某直升机，1996年完成设计定型。该产品定型试飞和适应性试飞均为一次通过，开创了研制单位机载产品试飞高质量、高速度、一次成功的先例。为在产品研制各个阶段应用GJB 150进行了全面的工程研制和鉴定试验，极大地提高了产品的环境适应性和可靠性。其经验见表2。

表1 产品全寿命期的环境试验特点Table 1 Feature of environmental test in product full life cycle

从表2 可以看出，该产品研制单位在产品全寿命期主要开展工作有：

1）产品研制管理层高度重视，在研制早期的宣传教育工作十分成功，使设计人员不再对环境试验有畏难情绪，不再认为试验是给研制工作找麻烦，而是要将耐环境设计融入到研制早期阶段；

2）在研制早期制定了2 个规范性文件，为设计人员、管理人员和试验人员开展环境设计和试验工作提供了良好的基础；

3）在研制阶段的产品级环境试验没有充分起到暴露产品缺陷并改进缺陷的作用，这导致鉴定试验变成了研制试验，使得鉴定试验周期拉长到3 a，军厂双方对在鉴定试验中出现问题不放过，把鉴定试验工作做得扎扎实实。

由此可以知道，在产品全寿命期扎实开展环境试验工作对产品的环境适应性和可靠性的提升是相当有益的。

5 结语

对环境试验在产品全寿命期内的应用进行了介绍和总结，并对有效实施环境试验的相关问题进行了探讨，根据目前的产品环境试验现状，提出以下建议：

1）加强在产品方案设计时期的试验基础准备工作，并做好试验规划与资源的配备；

2）明确试验目标，试验的价值在试验实施前就应该确定；

3）重视试验技术文档工作，并建立产品的相关信息库；

4）加强产品研制各部门之间的协同；

5）加强试验技术人员的培训，并按层次规划培养试验队伍，如可按照环境工程专家（试验规划与总体目标制订）、试验工程师（试验设计、试验数据分析）、试验实施人员（准确地实施试验）的3个层次来培养试验队伍。

表2 某多普勒导航系统研制单位在产品各研制阶段开展环境试验工作的经验Table 2 Environmental test experiences in different developing stage from certain Doppler navigation system developing company

[1]GJB 150，军用设备环境试验方法[S].

[2]HANK C. 环境可靠性试验概述[C]. 美国：美国R&M 年会，1996.

[3]王志忠，范永明，刘汉生. 多普勒导航系统研制中应用GJB 150的成功尝试[C]//GJB150实施十周年研讨会论文集.1997.