基于加速试验的典型战储物资贮存寿命测算

张 迪，刘士通，张 强，刘少华

(1.军事交通学院研究生管理大队，天津300161;2.军事交通学院军事物流系，天津300161;3.76131部队，湖南 衡阳421000)

战备储备物资(以下简称“战储物资”)具有“长期储存、应急使用”的特点，在长期储存过程中容易受到各种环境因素的影响，造成战储物资性能发生变化，甚至失效，从而导致战储物资战备完好率下降［1］。

随着战储物资可靠性水平的不断提高，寿命测算面临着一个长寿命、高可靠试样的测算课题。如果按照传统的自然贮存试验技术进行评估，则往往难于在可行的时间内完成。此外，由于科技的高速发展，产品更新换代的速度愈来愈快，人们迫切需要在较短时间内获得产品的寿命信息。考虑到自然贮存试验周期长，性能退化量随时间变化缓慢等因素，自然贮存试验尚不能适应产品更新换代的要求。因此，加速寿命试验的研究在可靠性试验工程领域受到广泛重视。利用加速寿命试验法，可以在较短的时间内获得战储物资的性能退化参数，通过分析这些性能参数的退化规律可以测算出物资的贮存寿命，这是目前广泛应用的一种测算方法。

1 加速试验综述

加速试验法是通过分析物资在高应力水平下的失效数据或性能退化数据，评估正常应力下产品的可靠性特征，并确定正常应力下物资的贮存寿命。

按照施加应力方式的不同，加速试验通常分为恒定应力加速试验、步进应力加速试验和序进应力加速试验3种(如图1所示)［2］。恒定应力加速试验是将一定数量的试验件分成几组，每组在某一恒定加速应力水平下进行试验，直到各组均有一定数量的试验件发生失效为止。步进应力加速试验是将全部试验件先放在某一加速应力水平下进行试验，试验持续一段时间后，将失效试件退出试验，再将试验应力提高到更高水平，如此进行下去，直到一定数量的试验件发生失效为止。序进应力加速试验与步进应力加速试验相似，只是所施加的加速应力水平随着时间按一定规律连续上升，其中最简单的是沿直线上升。

按照试验采集数据的不同，又可分为加速寿命试验法和加速退化试验法。加速寿命试验(ALT)主要分析产品在高应力水平下的失效数据［3］，加速退化试验(ADT)主要分析产品在高应力水平下的性能退化数据［4］，两者都是利用这些数据外推产品在正常应力水平下的寿命特征。两者区别:加速退化试验以表征参数退化为判据，不依赖失效，充分利用失效前产品的表征参数信息，加速寿命试验是以故障为判据;加速退化试验是在性能退化预测的基础上，再利用加速寿命模型进行寿命预测;加速退化试验是基于预测机制，可以不进行到底，而加速寿命试验是基于评估机制，须进行到底。

图1 加速试验分类

由于恒定应力试验的理论与方法相比较更为成熟，且战储物资一般可靠性较高，不易在加速试验中出现故障或失效，因此本文采用恒定应力对战储物资进行加速退化试验。

2 贮存寿命测算步骤

(1)对战储物资进行贮存失效机理分析，确定加速试验施加的应力类型。应力是引起物资发生失效的外因，而外因通过内因发生作用，即通过整机产品内部发生物理、化学、电气和机械变化而导致失效。在战储物资贮存过程中，环境应力是影响贮存寿命最主要的因素，主要有温度、湿度、力学环境等。

(2)确定退化敏感参数和失效判据［5］。通过对战储物资进行贮存失效模式分析，确定物资在贮存退化过程中比较敏感的参数，并根据现有的国家标准，合理确定物资敏感参数的失效阈值，即失效判据。

(3)进行加速退化试验，定期检测物资敏感参数，将数据记录下来，并通过回归分析，建立退化轨迹模型。

(4)获取各应力水平下的伪失效寿命分布，并建立加速应力与寿命之间的关系模型，从而推导出正常应力水平下的贮存寿命。

3 贮存寿命测算模型构建

本文根据某课题组提供的某电子类战储物资加速试验数据［6］，进行分析并建立测算模型。加速试验数据提供了某数字电路的键合强度等性能指标在不同温度应力下随时间的变化关系。通过分析，键合强度随时间变化明显，所以本文将其设定为敏感参数。根据 GJB Z108A—2006［7］对电子元器件键合强度的要求，设定键合强度退化60%为失效判据。

3.1 拟合退化轨迹模型

试验数据［6］提供了4个不同温度应力下，键合强度退化率(R)与贮存时间(t)的变化关系，在每个温度水平下进行4组试验。将各温度水平下的试验数据转化为折线图，物资键合强度退化率与贮存时间具有良好的线性关系(如图2所示)。

图2 不同温度下键合强度随时间变化的退化率

利用SPSS软件的线性回归分析工具［8］，分别对各温度应力水平下测得的数据进行线性回归分析，经分析后发现具有良好的拟合度。通过SPSS分析数据，可得到各组数据满足的线性方程为

式中:y为键合强度退化率;t为贮存时间;a和b为常数。由于键合强度退化60%时判定该物资失效，即令y=60，可分别计算出各样本物资的伪失效寿命to，结果见表1。

表1 各温度应力水平下的伪失效寿命 h

3.2 拟合伪失效寿命分布

通过3.1节的计算得到物资在各温度应力水平下的伪失效寿命，然后分别对各温度应力下的伪失效寿命寻找其分布规律，从而确定各温度应力水平下伪失效寿命的期望。本文利用SPSS软件中的非参数检验模块，对各温度应力下的伪失效寿命数据进行单样本K-S检验，显示渐进显著性，显著性水平为0.05。分析结果显示各温度应力水平下的伪失效寿命服从正态分布(见表2)。

表2 非参数检验结果

3.3 确定正常温度下的贮存寿命

为测算正常应力下元器件的储存寿命，需要建立寿命—应力模型，将寿命与给定的应力联系起来，这样就可以用高应力下的储存寿命来外推正常应力下的储存寿命。

电子元器件的寿命与温度应力之间的关系可用 Arrhenius方程［9］来描述:

式中:d M/d t为反应速率;A为频数因子;Ea为激活能;k为常数;T为温度应力，K。

通过适当的变换将寿命特征与应力之间的非线性关系变成线性关系:

将表2中的数据进行线性转换，结果见表3，其中μ为伪失效寿命的期望值。

表3 线性转换后的数据

对表3中的数据进行线性回归分析，自动剔除不合理数据，计算得

取常温25℃，即 T=298.15 K，代入式(1)计算得该类物资在常温25℃下的贮存寿命μ=21.77年，与课题组试验报告中估计的21.21年十分接近［6］，从而验证了本文寿命测算方法的合理性。

4 结语

战储物资贮存寿命的测算是一个复杂、长期、动态的研究课题，对于"长期贮存、应急使用"的战储物资，合理测算其贮存寿命，对规范战储轮换工作，提高物资储备效益具有重要意义。本文以典型战储物资的贮存寿命为研究对象，利用加速退化试验法，对物资贮存寿命测算方法进行探索，为战储物资贮存寿命测算工作提供一种新的思路。

［1］ 陈学军，王丰，张连武.战储管理学［M］.北京:中国财富出版社，2013:3，304.

［2］ 茆诗松，王玲玲.加速寿命试验［M］.北京:科学出版社，2000:11

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［4］ Meeker W Q，Hamada M.Statistical tools for the rapid development＆ evaluation of high-reliability products［J］.IEEE Transactions on Reliability，1995，44(2):187-198.

［5］ 上官芝，付桂翠，万博.基于加速性能退化的元器件贮存寿命预测［J］.电子产品可靠性与环境试验，2009，27(5):32-36.

［6］ 总后战储物资储存寿命标准制定课题组.加速老化试验报告［R］.北京:中国人民解放军总后勤部，2013.

［7］ 张增照，宋太亮.GJB Z108A—2006电子设备非工作状态可靠性预计手册［S］.北京:中国人民解放军总装备部，2007.

［8］ 罗凤明，邱劲飚，李明华，等.如何使用统计软件SPSS进行回归分析［J］.电脑知识与技术，2008(1):293-294.

［9］ 李军，缪海杰.电子产品加速寿命试验研究［J］.电子测试，2011(11):33-35.