舰载武器装备产品温度-湿度两应力加速老化试验方法研究

史朝龙

（海军驻北京航天科工集团公司第三研究院军事代表室，北京 100074）

舰载武器装备产品温度-湿度两应力加速老化试验方法研究

史朝龙

（海军驻北京航天科工集团公司第三研究院军事代表室，北京 100074）

老化是舰载武器装备上的材料、电子设备发生失效或性能退化的主要因素。加速老化试验属于可靠性试验范畴，是评价产品寿命和预测产品退化趋势的主要方式之一。在分析舰载武器服役环境和出现的老化问题的基础上，利用Peck加速模型和基于性能退化数据的评估方法，提出了一种温度-湿度两应力加速老化试验方法，并给出了应用算例。

老化；加速老化试验；舰载武器装备

概述

老化是产品在贮存、运输和使用过程中，由于使用年限的增长以及受到各种内外环境因素的综合作用，性能逐渐变坏直至失去使用价值的过程。通常发生在非金属材料、电子元器件及机电产品上，表现为材料外观改变、物理性能和力学性能降低，元器件的电性能降低，以及电子设备的主要性能超差等现象。老化的最终表现是产品的使用性能变差、使用寿命缩短。

老化试验是通过采集产品的使用数据，进行性能分析和寿命评估，可以提供产品比较可靠的使用寿命信息的试验。按试验场所不同可以分为自然老化试验和人工老化试验；按试验对象层次不同可以分为材料老化试验、器件老化试验和单机老化试验；按试验应力大小不同可以分为常规老化试验和加速老化试验。加速老化试验按应力类型不同又可以分为单应力（一般为温度）加速老化试验和两应力或多应力加速老化试验。

目前，基于单应力的加速老化试验应用较普遍。由于产品在实际使用过程中，所处的环境条件较复杂，温度、湿度、氧、臭氧、光、振动、化学性侵蚀、砂尘、微生物侵蚀、盐雾等均不同程度地影响产品的老化性能。对于舰载武器装备，海洋的“三高”环境是影响装备性能的主要外部因素，但是受加速模型的制约，本文主要研究了一种基于温度-湿度两应力的加速老化试验方法。

1 舰载平台环境

舰载武器装备在出厂验收合格并投入部队使用后，需要经历各种各样的使用环境，其典型的寿命剖面如图1所示。综合来看，主要有3种典型的使用环境：①在储备库房中进行长期存放的贮存环境；②进行空间转移的运输环境；③承担作战执勤的战备值班环境。将舰载平台环境与贮存环境和运输环境进行比较如表1所示。可见，舰载环境比贮存环境和运输环境更加严酷，主要体现在高温、高湿、高盐等“三高”环境和复杂海况、长期的低频振动等方面。

图1 舰基导弹的寿命剖面

表1 舰基导弹典型服役环境因素比较

表2 某型舰载武器装备故障分类

2 舰载武器装备的老化问题

由于舰载武器装备的安装部位不同、防护水平不同、工作状态不同，其受到环境因素的影响程度也不同。但是，对于安装在舰面甲板上武器装备，直接暴露于各种海洋环境条件下，无疑是环境条件最恶劣，故障最多发的。排除人为操作失误、偶然故障、锈蚀等故障原因，材料和元器件老化是舰载武器装备主要的故障模式之一。

例如，统计某型舰载武器装备故障现象及同类故障出现的次数如表2所示。按设备类型不同故障分为A、B、C、D四类。通过质量测试和故障成因分析，这些故障主要原因有三个：人为原因、偶然故障和元器件老化。如C4均为人为装配出现失误引起的故障，D3、D4为偶然故障引起的可靠性问题，其余参数超差类故障一般与元器件的老化有关。随着使用时间的累积，加上环境条件和工作条件的影响，单机设备中非金属材料会老化、电子元器件的性能会下降或漂移，最终可能导致设备整体功能失效或性能降低，影 响武器装备的使用寿命。

3 基于温度-湿度两应力的加速老化试验方法

按可靠性水平和维保方式的不同，可以将舰载武器装备上的所有产品分为3类：第1类是长期贮存或战备值班对其可靠性和寿命影响不大，高可靠、长寿命的产品；第2类是进行定期检测，当出现偶然故障时可进行维修的产品；第3类是性能参数有变化趋势的产品，为满足武器装备所需的贮存和战备值班可靠性可采取定期更换的措施。针对第3类产品，可以开展加速老化试验，研究其性能退化趋势和可靠寿命问题。

同一类产品的老化趋势是基本一致的，可以作出以下假设：同一类产品样本的老化轨迹相似，可以使用具有相同形式的曲线方程来进行描述；由于产品样本之间具有随机波动性，因此不同产品样本的退化曲线的方程系数不同。

由上述假设可知，这种随机波动性使产品的性能退化量到达预先设置的失效阈值所需要的时间（即失效寿命），也具有某种程度的随机性，因此可以利用某种特定分布来描述这种随机性。图2给出了产品退化轨迹与其寿命分布之间的关系图，图中Df为失效阈值，t1、t2、……，分别是不同试验样本达到失效阈值的时间。由于这些时间不是样本的实际失效时间，因此称其为伪失效寿命。

表3 性能退化数据

基于性能退化数据的评估方法的基本思路是：通过对观测到的性能退化数据进行预处理后，分别拟合各应力水平下老化轨迹曲线。首先定义老化失效阀值，结合老化轨迹曲线，计算各应力水平下的寿命，然后根据各应力水平下的寿命分布参数拟合加速模型中的未知参数，进而可外推其在正常环境条件下的寿命，具体评估方法如下：

1）试验数据的收集及预处理。n个产品在步降应力S1，S2，…，Sk加速退化试验数据结构如表3所示。yij（j=1，2，…，q）为第i个样本第j次检测的退化数据。对得到的原始数据进行处理，包括剔除野点，错误数据等，从而得到有效的性能退化数据。

2）拟合退化轨迹。根据得到的有效性能退化数据，绘出性能退化量随时间变化的曲线，对于大多数电子产品，其退化轨迹一般可使用以下几种线性模型来进行有效的拟合：

图2 退化轨迹与寿命分布关系示意图

3）预测伪寿命。假设失效阈值为Df，根据上一步求得的不同应力下各个样本的退化轨迹方程，外推出每样本的达到失效阈值Df的时间Ti，即伪失效寿命时间数据。

4）伪失效寿命分布类型及分布参数。对得出伪失效寿命时间数据进行分布假设检验，然后根据其服从的分布类型，估计出每一应力水平下样本失效寿命时间分布的总体参数。

假设在应力Sk下的伪失效寿命Tki（i=1，2，…，n）服从指数分布，则平均寿命参数的极大似然估计为

D.S.Peck在1986年提出的描述温度-湿度的加速模型Peck模型，兼顾了温度和湿度的作用，适于湿热老化试验。

式中：H是相对湿度；T是绝对温度；K是波尔兹曼常数；E是激活能；a、b、c是常数；

5）正常应力下的失效寿命评估。通过加速模型，找出失效寿命总体参数与应力水平之间的关系，外推出样本在正常应力下的各种可靠性参数。如将正常应力水平S0代入即可得，于是正常应力条件S0下的可靠度函数

4 算例

图3 退化趋势拟合曲线

以4块电源板为试验对象，编号为1#～4#。采用均匀正交设计法取4组不同温度-湿度值，分别为（80，55）、（90，85）、（100，25）、（110，65）。将4块电源板在4组环境条件下各进行400h的试验，分别测试10次，获取电压变化数据。描绘出四组应力下产品的退化趋势如图3所示，拟合参数如表4所示。

表4 湿热老化试验退化曲线拟合参数

将拟合直线代入Peck模型

该产品的老化失效分布函数为

失效概率分布图见图4。

图4 失效概率分布图

5 总结

本文在分析舰载武器服役环境和出现的老化问题的基础上，利用Peck加速模型和基于性能退化数据的评估方法，提出了一种温度-湿度两应力加速老化试验方法，并给出了应用算例，验证了该方法的可行性。在实际应用中，还需针对具体产品进行FMECA分析，确定关键部件和老化指标，并依据产品实际工作条件确定加速老化试验时间、试验应力水平、电应力的施加频率等。经加速老化试验得到产品飞老化失效模型，可以作为确定产品失效寿命和关键部件更换周期的依据。

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史朝龙（1974，10-），男，毕业于哈尔滨工业大学管理与工程专业，研究生，工程师，现从事武器系统质量管理及相关技术研究工作。

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