弹上电子产品加速寿命试验设计与应用＊

2013-10-16文建国郭桂友

舰船电子工程 2013年2期

文建国郭桂友

（1.海军航空工程学院烟台 264001）（2.海军装备部装备采购中心北京 100071）

1 引言

导弹具有“长期贮存，一次使用”的特点，因此准确评判其实际使用寿命并及时开展延寿工作，是保持其战备完好性，充分发挥其作战性能的必然要求［1～3］。电子产品作为导弹的重要组成部件，其寿命长短直接影响导弹的贮存使用寿命。目前国内对其寿命的评估，所依据的为生产厂方提供的标准环境条件下的贮存寿命或贮存可靠度指标，缺乏合理性和客观性。随着加速寿命试验在军工领域的应用［4］，提供了一条评估弹用电子产品贮存寿命的有效途径。与自然贮存使用环境下寿命试验相比，加速寿命试验的优点有：试验时间短、试验条件可控、便于实现等。因此，该试验方法在美国、俄罗斯等技术先进国家的导弹武器产品贮存延寿上起到了十分重要的作用［5］。

2 加速寿命试验

2.1 加速寿命试验的概念

加速寿命试验是指，在超过正常使用环境条件的应力水平下对样品进行的寿命试验。即在不改变产品的故障产生机制又不增加新的故障机制的前提下，提高试验应力，加速产品的故障进程，缩短试验时间；然后再根据试验结果，估计出正常应力下的产品寿命的一种试验方法。根据试验应力的加载方式，可将加速寿命试验分为三种类型，即恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验和序进应力加速寿命试验［6］。

2.2 加速寿命试验的基本前提

2.2.1 失效机理的一致性

失效机理的一致性是指在不同的应力水平下产品的失效机理保持不变。通常，失效机理的一致性是通过试验设计保证的，即要求加速寿命试验中的最高应力等级不能高于产品的破坏极限。

2.2.2 失效过程的规律性

失效过程的规律性是指产品寿命与应力之间存在一个确切的函数关系式，即加速模型。

2.2.3 失效分布的同一性

失效分布的同一性指在不同的应力水平下产品的寿命服从同一分布，这是寿命数据处理的基本前提。

2.3 加速寿命试验的模型

针对不同类型的应力设计的加速寿命试验，通过加速寿命试验所得到的受试部件的寿命数据，可建立部件寿命特征与环境应力的关系模型，它反映了不同应力对部件寿命的影响，根据这种关系建立的模型就是加速寿命模型。加速寿命模型是受测部件的寿命特征与环境应力的关系模型，反映了不同应力对部件寿命的影响，是进行试验设计、数据处理的判据。

2.3.1 Arrhenius模型［7］

当环境应力为温度时，一般认为寿命特征与应力之间的关系符合Arrhenius模型：

式中：L为其特征某种寿命；A是与装备特性、几何形状和试验方法有关的常数；E为激活能，与材料设备有关；K为波尔兹曼常数；T为热力学温度。

2.3.2 逆率模型［8］

当环境应力为非热应力时，比如受电、载荷、腐蚀介质影响，其特征寿命与应力之间符合下式：

式中：L为其特征某种寿命；A是与装备特性、几何形状和试验方法有关的常数；S为环境应力；n为特征常数。

2.3.3 温湿度模型［9］

当环境应力为温度、湿度共同作用时，一般认为寿命特征与应力之间的关系符合：

式中：L为其特征某种寿命；A是与装备特性、几何形状和试验方法有关的常数；E为激活能，与材料设备有关；K为波尔兹曼常数；T为热力学温度；H 为湿度应力；B为常数。

2.3.4 复合应力模型［10］

当有多个环境应力时，可建立复合应力模型：

式中：L为其特征某种寿命；ai为未知参数；xi为第i个环境应力；a0为常数。

3 加速寿命试验方案设计

3.1 加速寿命试验设计原则

表1 失效模式以及应力激发效果

根据弹上电子产品服役环境应力分析可知，其在整个服役周期内要受到诸多环境因素的影响，其中主要为温度、湿度和振动。而且在不同的贮存环境下，环境应力的影响程度不同，比如在贮存环境下，影响贮存寿命的主要因素为温度。有时候环境应力的影响不是单一因素，而是多因素共同作用的结果。要合理设计试验方案，在开始加速寿命试验之前，必须考虑电子产品的主要失效模式和失效机理，根据失效模式来确定试验中使用的应力类型。对于弹上电子产品来说，失效模式大体可以分为表1中所列的几种。对于这些常见失效模式，选择不同形式来加速试验产品的老化和失效。主要应力类型包括：温度、温度循环、湿度和随机振动。根据不同的环境条件和失效模式，选用不同的应力组合对于加速激发产品老化和故障具有不同的效果。表1列出了弹用电子产品主要的失效模式，以及四种不同应力类型对特定失效模式的激发效果。（这里设定“√”表示激发效果较好，“—”代表激发效果一般，“×”代表激发效果不太好。）

3.2 弹上电子产品加速寿命试验方案

弹上电子产品的服役环境可主要分为三种典型的环境：在有暖库房中长期存放的贮存环境、进行阵地转移的运输环境和承担战备任务的值班环境，现将这几种环境下的环境应力进行分析。

3.2.1 贮存环境

贮存环境是指导弹在贮存过程中所处的环境，是贮存过程中影响导弹电子产品诸因素的总和。由于导弹一般都贮存在充有氮气的包装箱内，而且在包装箱内还存放着干燥剂，且定时更换以减除水分的影响，可认为湿度恒定。因此在贮存期间，对弹上电子产品寿命产生影响的环境因素主要是温度。考虑温度应力对导弹电子产品的影响，加速寿命试验设计方案如下：

可取弹用典型的电子元器件，将该元器件分为4组，每组20个，分别对其施加70℃、80℃、90℃、100℃的温度应力，定期用测试设备对其进行性能测试。所测得任何一项测试不合格即认为该电子产品失效，并按顺序记录失效时间、数量和失效形式。假定存寿命与温度应力之间关系服从Arrhenius模型，这样可根据不同温度下的失效数据，计算出该类型元器件的自然贮存寿命。

3.2.2 运输环境

导弹在从出厂到部队、从贮存地点到技术阵地、从技术阵地到使用平台等转移过程中，不可避免地要受到运输环境的影响。运输环境是指在运输过程中对产品产生直接或间接影响的诸因素的总和。运输工具（空运、陆运与水运）、装卸固定情况、运输线路状况（空运的气候状况、陆运的道路状况与水运的水文状况）、运输速度等的不同，对运输状态下的弹上电子产品所产生的影响也不同。运输环境对弹上电子产品的影响，主要取决于运输过程中的诱发因素，有振动、冲击等。因为弹用电子元器件经历的运输时间相对其整个寿命周期来说很短，运输时依靠包装箱的保护，温、湿度变化较小，对其影响相对较小，故在此过程中只考虑振动应力对弹用电子元器件寿命的影响，试验设计方案如下：

将弹用电子元器件分为4组，每组20个，保持温度为25℃不变，分别施加功率谱密度为0.02g2／Hz、0.04g2／Hz、0.06g2／Hz、0.08g2／Hz的随机振动应力，其振动如图1所示，并定期用测试设备对其进行测试，当任何一项测试不合格即认为自动驾驶仪失效，并按顺序记录失效时间，数量和失效形式。运输寿命与振动应力之间关系服从逆率模型。

3.2.3 战备值班环境

图1 振动试验功率谱密度示意图

战备值班环境是指导弹在执行战备任务时在发射平台上所处的环境，是各种自然因素和诱发因素的总和。以机载导弹为例，在导弹挂机飞行时，通常都以裸弹状态置于飞机挂点上，环境具有高温的特点。飞机飞行过程中，由于要作许多机动动作、并受到气流影响，这样导弹上的电子产品还要受到振动载荷的作用。因此在加速试验中考虑温度、振动应力变化对其寿命的影响，试验设计方案如下：

取弹用典型的电子元器件，将其分为16组，每组20个，保持湿度为75%不变，施加的16个组合应力水平见表2，定期用测试设备对其进行单元测试，当任何一项测试不合格即认为其失效，并按顺序记录失效时间、数量和失效形式。假定其寿命与应力之间关系服从复合应力模型。