90年代后长寿命产品实验方法进一步探析
导读：从上世纪90年代开始，加速退化试验方法作为解决高可靠性、长寿命产品可靠性评估及贮存寿命评估问题的一种新方法迅速崛起。由本站硕士论文中心整理。
第一章绪论
可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。它是对产品无故障完成任务能力的度量。在科学技术迅猛发展的今天，产品的可靠性显得益发重要，它是评价产品最基本的价值指标之一，同时也是决定产品市场竞争力的重要指标之一。可靠性评估是可靠性工程的重要组成部分，它是一种获取产品在其寿命周期应用条件下某段特定时间内满足性能要求能力的有关信息的方法[}2}。可靠性评估是对产品可靠性进行定量控制的必要手段，其目的是衡量产品的可靠性是否达到预期的设计目标，验证产品可靠性设计的合理性，指出产品的薄弱环节，从为改进产品的设计制造工艺指明方向，加速产品研制的可靠性增长过程。科学的可靠性评估方法不仅可以使分析结果更为精确，Ifi} }_还可以有效地减少试验费用，缩短研制周期。传统的可靠性评估方法是基十大量失效寿命数据进行的，然}fIJ，由十科学技术的不断进步，设计、制造技术的不断提高，以及使用材料的不断改善，航空航天、电子工业等重要领域中出现了大量高可靠性、长寿命产品，比如铆原子钟、姿控飞轮、陀螺仪、金属化膜脉冲电容器和稀土永磁体等。对十这些产品，几乎无法通过截尾寿命试验或加速寿命试验收集到足够多的失效寿命数据，有时甚至会出现“零失效”现象，因此传统的可靠性评估方法势必造成“可信度危机”。近年来，大量研究表明产品的性能退化数据中包含着大量的寿命信息，基十性能退化数据的可靠性评估方法可以有效解决小子样、高可靠性、长寿命产品的寿命预测问题。鉴十此，本文对长寿命产品退化试验方法展开研究，以解决高可靠性、长寿命产品可靠性评估过程中的退化失效建模分析与实际应用问题。
1.1研究背景及意义
对十高可靠性、长寿命产品，由十时间和费用的约束，通过截尾寿命试验或加速寿命试验很难收集到足够多的寿命信息，甚至无法获得失效寿命数据，因此也无法有效地建立寿命分布模型，从I fIJ严重影响了产品的可靠性评估。近年来，基十性能退化数据的可靠性评估方法得到了迅速发展，研究人员从产品的性能退化数据中获取了大量的寿命信息，有效地弥补了高可靠性、长寿命产品可靠性评估过程中信息量不足的问题。但是对十某些高可靠性、长寿命产品，在正常应力下进行退化试验仍然需要花费大量的时间和费用，Ifu }_还难以测量到产品的性能退化数据。为了解决这个问题，研究人员通过提高应力水平，加快产品的退化速率，测量产品在高应力水平下的性能退化数据，并利用这些数据来评估产品的可靠性和预测产品在正常应力水平下的寿命。基十性能退化数据的可靠性评估方法是解决高可靠性、长寿命产品可靠性评估的一种有效方法，它通过分析产品的失效机理和退化失效规律，设计出与产品性能相关的退化试验，充分获取了与产品寿命信息相关的性能退化数据，并对这些数据进行建模、分析，进}fn利用外推方法评估产品的可靠性和预测产品在正常应力水平下的寿命。
20世纪60年代，Gertsbackh}3]等首次指出了使用性能退化数据评估产品可靠性的价值，经过40多年的发展，基十性能退化数据的可靠性评估方法逐步成熟。然}fn随着科学技术的发展，产品的设计、制造工艺和材料都取得了长足的进步，其失效机理也因此口趋复杂，许多现有的退化试验方法已经不能有效地获取产品的性能退化数据，基十这些有限的性能退化数据所建立的可靠性模型的合理性也有待进一步地验证。总结起来，现有的退化试验方法存在以下两个at待研究的问题:
(1)有效获取性能退化数据的问题。现有的退化试验方法几乎都是在等测量间隔时间的基础上进行的，试验中收集到的产品性能退化数据大多都是沿时间轴的横向递增(或递减)数据，}fn很少关心纵向数据，即每个测量间隔中不同样品的性能退化数据。因此，如何改进试验方法，进}fn有效地获取试验过程中的各种性能退化数据还是目前尚未解决的问题。
(2)数据一致性检验或模型验证问题。在现有的退化试验方法中，几乎都没有包含数据一致性检验过程或模型验证过程。然}fn，现今产品的失效机理口趋复杂，在退化试验中收集到的不同样品的性能退化数据是否属十同一总体或服从同一分布，产品可靠性评估过程中所建立的模型是否合理，通过该模型外推出的产品可靠性与寿命是否可信，都有待进一步的研究。
本文的研究正是基十以上的工程需求开展的。该研究工作不仅具有广泛的工程应用前景，有助十推动长寿命产品退化试验方法的发展。
1.2国内外研究现状
退化试验是近年来为研究高可靠性、长寿命产品可靠性}fn发展起来的一种新的可靠性评估试验方法。在这种试验中，产品的物理特性参数在运行过程中表现出一定的退化规律，例如疲劳、腐蚀或氧化等。对十核工业和航天工业等重要领域的高可靠性装置，在相对较短的试验时间内，甚至在加速应力的情况下，也几乎得不到失效寿命数据，因此，试图通过传统的寿命试验方法确定其寿命分布是非常困难的。为了克服这一困难，可以借助退化试验测量出产品在运行过程中的性能退化信息，由此推断出产品的寿命分布函数。目前一些研究人员对退化试验的截止准则[[4]、优化设计方法[f5,6似及如何利用退化试验设计实现产品可靠性增长f},sl、提高产品稳健性[f}l等问题进行了研究。
按照试验中施加的应力水平，退化试验可以分为常应力退化试验和加速应力退化试验，详细介绍请见第2.2节。下面分别从常应力退化试验方法和加速退化试验方法两个方面综述当前国内外的研究现状。
2.1常应力退化试验方法研究现状
对十高可靠性、长寿命产品，当失效观测量很少或根本没有时，常应力退化试验方法便成为了一种评估产品可靠性的有效方法。该试验方法中，当产品的重要性能参数逐渐退化到一个临界闽值时，产品就被定义为退化失效。
从20世纪60年代末起，国内外就陆续开始对常应力退化试验方法进行研究。1969年，Gertsbackh等首次指出了利用性能退化数据评估产品可靠性的价值，并提出了一种斜率和截距均为随机参数的简单线性模型。姚增起「}o]在研究了系统退化和系统可靠性的相关问题后，指出利用性能退化的观点来研究系统可靠性是一个全新的课题，它将会为系统可靠性研究开辟一条新的途径。Meeker等在研究高可靠产品的可靠性评估问题时也指出，常应力退化试验方法可以解决目前传统可靠性理论与工程应用不相适应的问题。
总之，常应力退化试验方法在过去的40多年里得到了工程师、统计学家和生产设计人员的普遍重视和不断发展。然}fn，对十某些高可靠性、长寿命产品，在正常应力水平下进行退化试验，仍然需要花费大量的时间和费用，并目_难以测量到其性能退化数据，因此，常应力退化试验方法在工程实际中应用较少，加速退化试验便在这样的背景下应运}fn生。
2.2加速退化试验方法研究现状
加速退化试验是指在保持失效机理不变的条件下，将产品置十比通常条件严酷的环境或工作应力下进行性能退化的试验。该试验的目的是确定系统、子系统、兀器件、材料的性能退化轨迹，从}fn通过外推的方法得到它们在设计或使用条件 (正常应力水平)下的寿命和可靠性。
对加速退化试验方法的研究始十20世纪80年代。1981年，Nelson分析了一种绝缘材料在不同应力水平下性能与退化的关系。他先假设了温度是唯一确定的退化随时间变化的加速因子，然后描述了绝对温度、中值击穿电压(退化量)与时间之间的关系，最后给出了加速退化试验得到的性能退化数据的模型与分析法，并在性能一退化关系的基础上估计了产品的寿命(失效时间)分布。
从上世纪90年代开始，加速退化试验方法作为解决高可靠性、长寿命产品可靠性评估及贮存寿命评估问题的一种新方法迅速崛起。Nelson最先对该领域开展研究，并在其应用领域、统计模型及数据分析等方面取得了卓有成效的研究成果。其后，加速退化试验方法迅速发展并在各类产品中得到了广泛的应用，包括发光二极管[[4]、逻辑集成电路「‘“]、电源「IS]碳膜电阻[16]、疲劳裂纹扩展「16,17]等。
按照试验中加速应力的施加方式，可以将加速退化试验分为恒定应力加速退化试验、步进应力加速退化试验和序进应力加速退化试验。其中恒定应力加速退化试验和步进应力加速退化试验是当前研究的重点，Ifn序进应力加速退化试验由十试验应力难以控制，在实际工程中应用较少，因此相应的研究工作也较少。
1.2.2.1恒定应力加速退化试验方法
恒定应力加速退化试验方法是指在恒定的加速应力下对产品进行退化试验，并利用试验中收集到的性能退化数据对产品进行可靠性建模及分析的方法。该试验方法将所有的试验样品分成若干组后，分别置十几个不同的应力水平下(均高十产品在正常条件下所承受的应力水平)同时进行退化试验，在整个试验过程中，对样品施加的应力水平保持不变，当试验时间达到规定时间或一定数量样品的性能退化量达到规定闽值时，试验停止。
在恒定应力加速退化试验研究方面，Boulanger}lg]等在假设产品的最大退化量是应力的函数并目_产品的退化量逐渐接近最大退化量的情况下，提出了一种恒定应力加速退化试验设计方法一一两步分析法，该试验设计方法首先确定了应力水平的选择以及各应力水平下试验样品的分配比例，然后在给定的应力水平下，优化了各试验样品退化量的测量时间。然Ifn，这种试验方法是在截尾时间未知的情况下进行的，因Ifn在实际应用中具有一定局限性。在假设试验为破坏性的情况下，Park}l}]等通过最小化正常应力水平下产品平均寿命的渐进方差，对恒定应力加速退化试验的应力水平数、各应力水平下试验样品的分配量及测量时间等进行了优化设计。Yu}2o}等提出采用直观法来确定恒定应力加速退化试验的最佳截尾时间，解决了恒定应力加速退化试验究竟需要进行多长时间才能获得足够多的性能退化数据以推断出正常应力水平下产品寿命这个实际问题，并将该方法应用到了发光二极管的可靠性评估中。L,1[21,22]研究了恒定应力加速退化试验的设计和优化方法，其基本思想是通过最小化正常应力水平下产品平均寿命的均方误差来确定试验中的应力水平数及各应力水平下试验样品的分配量。Yang等研究了利用变动失效闽值进行恒定应力加速退化试验设计的方法，该试验设计方法通过改变失效闽值获取了更多的寿命信息，建立了寿命与失效闽值及应力之间的关系，从Ifn评估出了正常应力水平和失效闽值下的产品寿命分布。该方法以正常应力水平和失效闽值下寿命的渐进方差为优化目标，对变动的失效闽值、应力水平数及各应力水平下试验样品的分配量进行了估计。Belie等介绍了一种用十混凝土的恒定应力加速退化试验方法，并详细介绍了试验过程、性能退化数据测量方法以及数据处理方法。Thomas等提出了一套恒定应力加速退化试验方案，该试验方案主要包括二个阶段:首先通过设计筛选试验，辨识加速因子;然后设计退化试验，应用收集到的性能退化数据评估产品寿命;最后如果分析结果满足精度要求，试验则停止，否则重新设计退化试验，以改进产品的寿命评估精度。此外，他们还讨论了恒定应力加速退化试验数据的建模和分析方法，并以锉离子电池为例进行了详细
的分析。Yu}2}'2}]以产品寿命在P分位点估计值的均方差为优化目标，以试验总费用为约束条件，确定了恒定应力加速退化试验中各应力水平下的试验样本量、性能退化量测量次数、测量间隔时间等。Polavarapu}2g'29}}}据MTTF最小原则，利用逆Weibull性能退化数据设计了一种恒定应力加速退化试验方案。该方案在以试验费用为约束的条件下，可转换为一个非线性整数规划的求解问题，通过求解该问题可得到各应力水平下的样本量、性能退化量测量次数及测量间隔时间，最后他将该试验方案运用到发光二极管的可靠性评估中，并对可靠性模型参数的敏感性和鲁棒性进行了分析。
国内关十这方面的研究工作大多集中在材料方面。徐先芝等针对当时氧化锌避雷器恒定应力加速退化试验方法中存在的问题进行了比较详细的探讨，并提出了改进建议。黄宝臣[}m]详细介绍了一种全紫外线恒定应力加速退化试验方法及其应用，并附带介绍了采用这一试验方法所获得的初步数据与结果。吕伟利「}a}等给出了利用人工恒定应力加速退化试验对产品进行可靠性评估的组织、实施方法，并以非金属材料为例，给出了试验数据的存贮可靠性计算方法。在湿热条件下，孙贵之[33]等利用恒定应力加速退化试验对防潮领域的新型材料PAP-D铝塑复合材料进行了分析，评估了该型材料在正常应力水平下的寿命及应用前景。张凯[[34]等综述了橡胶材料的各种恒定应力加速退化试验方法及其寿命预测方法，探讨了它们的特点和失真问题，并给出了相应的处理方法。胡文军[[35]等介绍了橡胶的热氧定应力加速退化试验方法和寿命预测方法。刘秀生[[36]等利用紫外线对漆膜进行恒定应力加速退化试验，测定了它的光泽、色差，并掌握了它们的变化规律。乔海霞[[37]等概述了聚合物基复合材料恒定应力加速退化试验的研究进展，从试验方法、退化机理等方面着重介绍了湿热退化、腐蚀侵蚀和人工气候退化，总结了在高置信度、高可靠度的条件下评估复合材料工作寿命的方法，并展望了复合材料恒定应力加速退化试验方法的研究工作。肖鑫f=}gl等简要概述了橡胶材料在承载和非承载状态下恒定应力加速退化试验方及其测试手段的新进展，总结了橡胶材料寿命评估模型在计算机仿真、动力学等领域的新进展。其它方面的研究工作还有，冯志刚[[39]等分析了美国和俄罗斯等发达国家关十导弹的恒定应力加速退化试验的研究情况及其试验思路，总结了国外的先进经验，并在此基础上提出了导弹贮存试验的一些构想。土亚顺[[40]在他的博士论文中详细讨论了基十逆Weibull模型的恒定应力加速退化试验设计优化方法，并通过案例将该方法与基十解析的恒定应力加速退化试验设计优化方法进行了对比，验证了其有效性。
1.2.2.2步进应力加速退化试验方法
恒定应力加速退化试验方法对各应力水平下的样本量有一定的要求，然}fn对十一些新研制的或价格昂贵的产品，能用十试验的样品只有少量的几个。为了克服这个困难，研究人员提出了步进应力加速退化试验方法，该类试验是将所有试验样品先置十较低(但高十正常应力水平)目_恒定的应力水平下工作一段时间后，逐级提高应力水平，当试验时间达到规定时间或一定数量样品的性能退化量达到规定闽值时停止试验。相对十恒定应力加速退化试验，它能够有效地减少试验时间，节省试验费用。
目前对步进应力加速退化试验的研究还比较少，Tseng}41]等利用步进应力加速退化试验对长寿命产品进行了分析，建立了统计模型，给出了数据拟合方法，并进行了模型诊断等分析，最后将这些模型和方法应用到某型LED灯管中，对其寿命进行了估计。在假设试验为破坏性的情况下，Park}42]等讨论了步进应力加速退化试验的最优设计方法，并将其与恒定应力加速退化试验设计方法进行了对比分析。Tang}4}]等根据试验费用最小原则，设计了一种两应力步进退化试验，给出了样本总量、低应力下测量次数、试验中测量总数的确定原则，并使用以产品退化过程为基础的随机模型，利用性能退化数据推导得到了产品可靠度的极大似然估计值和正常应力水平下的中值寿命及其渐进偏差。Liao}44]等假设产品的退化过程为Wiene:过程，在试验总费用的约束下，通过最小化产品寿命分布P分位点的渐进方差，确定了K步步进应力加速退化试验中各应力水平下的试验样本量、性能退化量测量次数、测试间隔时间等。Liao在文中还介绍了优化问题的求解算法，并对模型参数进行了敏感性分析。Gonzalez}45]等基十Weibull可靠性函数对III-V型高聚能太阳能电池的温度步进加速退化试验结果进行了分析，给出了其平均寿命及相应的置信区间。Tseng}4}]等讨论了基十Gamma过程的步进应力加速退化试验设计问题，给出了最优试验方案，并对方案的灵敏性和稳定性进行了分析。土德宏[[47]等介绍了半导体激光器寿命测试的理论依据，给出了由电流应力决定的寿命测试的数学模型，据此利用常温电流步进加速退化试验对A1GaInAs/A1GaAs/GaAs808nm大功率半导体激光器进行了分析，并根据模型推算出了器件在正常应力水平下的工作寿命。江亚顺[[48]等针对单一加速应力水平的极限问题，提出了双应力交叉步进加速退化试验方法，并将该方法应用到电子倍增器的可靠性评估中。
1.2.2.3序进应力加速退化试验方法
序进应力加速退化试验方法是指在序进的加速应力下对产品进行退化试验，并利用试验中收集到的性能退化数据对产品进行可靠性建模及分析的方法。序进应力加速退化试验方法与步进应力情形基本相似，区别在十其加载的应力水平是随时间连续上升的，该试验方法克服了步进应力加速退化试验中应力水平数难以事先确定的问题。序进应力加速退化试验可以视为步进应力加速退化试验的极限情形，这也是利用序进应力加速退化试验方法对产品进行可靠性分析的一个常用思路。
在实际应用中，由十序进应力加速退化试验对试验设备的要求很高，应力变化难以控制，因此目前还没有得到广泛的应用，相关的研究工作也较少目_多处十理论层次。Doksum等提出了基十Wiene:过程的序进应力加速退化试验方法，并将其用十估计产品的寿命分布，但是该方法仅考虑了线性漂移的情形，因此在实际应用中还具有一定的局限性。Peng}So]等基十累计损伤模型构建了非线性退化轨道的序进应力加速退化模型，并得到了该情形下退化轨道的首达时分布，进Ifn利用产品寿命分布外推出了产品在正常应力水平下的工作寿命，最后以LED灯管为例，进行了仿真分析，并指出该方法在模型验证等方面还有很多工作可做。
参考文献
[1]冯静，孙权，罗鹏程，金光，颜兆林，刘敬军.装备可靠性与综合保障[M].长沙:国防科技大学出版社，2008.
[2] Pecht M G, Kapur K C，康锐，张叔农.可靠性工程基础[M].北京:电子工业出版社，2011.
[3] Gertsbackh I B, Kordonskiy K B. Models of Failure [M].New York: Springer-Verlag, 1969.
[4] Tseng S T, Yu H F. A termination rule for degradation experiments [J].IEEE Transactions on Reliability, 1997, 46(1):130-133.
[5] Yu H F, Tseng S T. Designing a degradation experiment [J].http://sblunwen.com/gclw/ Naval Research Logistics, 1999, 46(6): 589-706.
[6] Wu S J, Chang C T. Optimal design of degradation tests in presence of cost constraint [J].Reliability Engineering&System Safety, 2002, 76(2): 109一11 _5.
[7] Yang G B. Reliability Enhancement Through Degradation Testing [D]. Wayne: Wayne State University, 2000.
[8] Yu H F, Chiao C H. An optimal designed degradation experiment for reliability improvement [J].IEEE Transactions on Reliablity, 2002, 51(4): 427-433.
[9] Chiao C H, Hamada M. Analyzing experiments with degradation data for improving reliability and for achieving robust reliability [J]. Quality and Reliability Engineering International, 2001，17(5): 333一344.
[10]姚增起.系统退化和系统可靠性研究[D].北京:中国科学院自动化研究所，1988.
[11]Meeker W Q, Hamada M. Statistical tools for the rapid development&evaluation of high-reliability products [J].IEEE Transactions on Reliability, 1995, 44(2): 187一198.
[12] Nelson W B. Analysis of performance degradation data from accelerated tests [J]. IEEE Transactions on Reliability, 1981，30(2): 149一1 _54.
[13] Nelson W B .Accelerated Testing: Statistical Models,Test Plans, and Data Analysis [M]. New York: John Wiley&Sons, 1990.
[14] Carey M B, Koenig R H. Reliability assessment based on accelerated degradation:a case study [J].IEEE Transactions on Reliability, 1991，40(5):499-506.
[15] Tang L C, Chang D S. Reliability prediction using nondestructive accelerated-degradation data: case study on power supplies [J] .IEEE Transactions on Reliability, 1995, 44 (4): 562一_566.
[16]吕伟利，土长华.用加速老化试验快速评估产品贮存可靠性的计算方法田. 电子产品可靠性与环境试验，1998, (3): 3-10.f=孙贵之，安振涛，高欣宝，李隆瑞.PAP-D型铝塑复合防潮材料湿热加速老化试验研究[J].表面技术，2004, 33(3): 27-28.
[17]张凯，黄渝鸿，马艳，周德惠.橡胶材料加速老化试验及其寿命预测方法[[J].化学推进剂与高分子材料，2004, 2(6): 44-48.
[18]胡文军，刘占芳，陈勇梅.橡胶的热氧加速老化试验及寿命预测方法[[J].橡胶工艺，2004, 51(10): 620-624.
[19]刘秀生，刘兰轩，谢鸽平.氟树脂耐加速老化性能的研究[[J].中国涂料，200_5, 20(6): 21-23.
[20] 导报，2007, 21(4): 48-51.
[21]肖鑫，赵云峰，许文，詹茂盛.橡胶材料加速老化实验及寿命评估模型的研究 进展[J].宇航材料.I艺，2007, 37(1): 6-10.
[22]志刚，方昌华，李静.国外导弹加速老化试验现状分析[fJl.导弹与航天运载 技术.2008, (2): 30-34.
[23]土亚顺.装备寿命预测的仿真基加速试验方案优化设计方法研究「D].长沙: 国防科学技术大学，2008.
摘要 8-9
ABSTRACT 9-10
第一章 绪论 11-19
1.1 研究背景及意义 11-12
1.2 国内外研究现状 12-17
1.2.1 常应力退化试验方法研究现状 13
1.2.2 加速退化试验方法研究现状 13-17
1.3 论文的主要内容及结构安排 17-19
第二章 传统的可靠性评估试验方法 19-31
2.1 寿命试验 19-26
2.1.1 截尾寿命试验 19-21
2.1.2 加速寿命试验 21-26
2.2 退化试验 26-30
2.2.1 常应力退化试验 26
2.2.2 加速退化试验 26-30
2.3 本章小结 30-31
第三章 利用缩减样本的退化试验方法 31-40
3.1 试验设计与数据收集 31-33
3.2 数据一致性检验 33-34
3.3 应用实例 34-38
3.3.1 失效机理分析 34-35
3.3.2 可靠性建模 35-36
3.3.3 可靠性评估 36-38
3.3.4 结果分析 38
3.4 本章小结 38-40
第四章 含验证信息的加速退化试验方法 40-48
4.1 试验设计与数据收集 40-42
4.2 模型验证 42
4.3 应用实例 42-47
4.3.1 可靠性建模 42-44
4.3.2 可靠性评估 44-46
4.3.3 可靠性模型验证 46-47
4.3.4 结果分析 47
4.4 本章小结 47-48
第五章 总结与展望 48-50
5.1 本文的主要贡献 48
5.2 进一步的研究展望 48-50
致谢 50-51
参考文献 51-56
作者在学期间取得的学术成果 56
您可能有工程项目硕士学位论文方面的购买需求，请到工程论文硕士论文频道选取：