浅谈加速试验技术

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一、从模拟试验到加速试验
从国外20世纪50年代初采用单应力模拟的研制试验与鉴定试验，到20世纪70年代开始采用综合应力模拟试验，模拟试验一直都是保障可靠性的主要试验手段。模拟试验通过模拟任务的真实环境来确保可靠性，其效率问题一直都是可靠性工程领域关注的焦点问题。
针对这一问题，1967年美罗姆航展中心提出了加速寿命试验方法(Accelerated life testing，ALT)，1988年HoBBs提出了高加速寿命试验(Highly accelerated life testing，HALT)和高加速应力筛选(Highly accelerated stress screening，HASS)。这三项加速试验分别与常规的可靠性验证试验、可靠性增长试验、环境应力筛选相对应，如下图所示，形成了完整的加速试验的技术体系。高加速寿命试验与高加速应力筛选也称为激发试验，采用加速应力高效激发潜在缺陷，消除缺陷，提高可靠性，属于工程试验范畴；加速寿命试验则以评价可靠性为目的，属于统计试验范畴。

二、加速试验的基本组成
高加速应力筛选与传统的环境应力筛选(ESS)相对应，主要应用于生产阶段，快速暴露产品在生产过程中的各种制造缺陷，剔除存在早期缺陷的产品。由于常规的环境应力筛选本身就是一类激发试验，因此高加速应力筛选与环境应力筛选没有清晰的界线，两者在内涵上没有质的区别，因此其研究意义远远不如高加速寿命试验和加速寿命试验。
由于高加速寿命试验应用于研制阶段，实现高效可靠性增长，波音公司在应用该技术时称之为可靠性强化试验(Reliability enhancement testing，RET)，目前国内广泛采用了这一术语。可靠性强化试验突出了这类试验的特点，与传统的可靠性增长对应，并且可以避免高加速寿命试验与加速寿命试验在术语上相混淆。可靠性强化试验为高可靠长寿命工程提供了高可靠的增长技术。
加速寿命试验是在进行合理工程及统计假设的基础上，利用与物理失效规律相关的统计模型对加速条件下获得的失效数据进行转换，得到试件在正常应力水平下可靠性特征的试验方法。采用加速寿命试验可以缩短试验时问，降低试验成本，进而使高可靠长寿命的验证与评价成为可能。
对于某些高可靠长寿命装备，即使采用加速寿命试验方法，有时也难于得到失效数据，使得基于失效数据分析的加速寿命试验方法得不到预期结果，因此基于故障退化模型的加速退化试验技术应运而生。加速退化试验(Accelerated degradation testing，ADT)通过提高应力水平来加速性能退化，搜集在高应力水平下的性能退化数据，利用这些数据来预测常规使用应力下的退化寿命。加速退化试验克服了加速寿命试验在零失效方面的应用困难，是目前新兴的长寿命预测方法，在高可靠长寿命研究中具有广阔的应用前景。一般认为，加速退化试验是加速寿命试验的一个发展分支。加速寿命试验和加速退化试验为高可靠长寿命工程提供了长寿命的预测与验证技术。
三、可靠性强化试验现状
可靠性强化试验在国外已经开展了近20年的研究与应用工作，并形成了一些规范和指南，关于可靠性强化试验理论、技术与试验系统的学术交流活动也非常活跃，其中影响较大的是由IEEE/CPMTASTR技术委员会和IEEE Reliability society主办的Accelerated stress Testing&Reliability(ASTR)会议，每年在美国不同地区举办，主题涉及可靠性强化试验理论、试验技术和试验系统等。此外，美国QualMark公司加速可靠性试验中心等研究机构还定期开设RET学术交流与技术讲座。
在可靠性强化试验指南与规范方面，美国各加速试验服务机构均有白己的规范，其中具有较高影响的主要有:美国波音公司故障防治策略大纲中关于可靠性强化试验的文件D6一57067，以及美国QualMark公司的HALT Guidelines和HASS Guidelines。
在可靠性强化试验设备方面，美国John Hanse最先研制了超高应力试验系统(ultra high stress，UHS)，采用气锤反复冲击式激振和液氮制冷方式实现振动与温度综合试验，但是其低频激励能量分布存在一定缺陷。针对上述缺点，美国QualMark公司从该类系统的气锤、振动台面和控制系统入手，设计了动态性能良好的QualMark ASx气锤，以多孔型台面代替原有的实体台面，采用更加合理的控制策略，形成的新型高效振动试验设备主要有低频韦、一展系统(Extended low frequency，ELF)、全轴振动系统(Omni一axial vibration system，ovs)和全轴振动台面系统(omni一axial vibration table top，ovTT)等。此外，Enda公司研制的失效模式确认试验系统(Failure mode verification testing，FMvT)和Screening Systems公司研制的移动振动筛选系统(Mobile vibration screening，Mvs)等也取得了不同程度的成功。
从20世纪80年代末开始，美国在各工业部门开始推广应用可靠性强化试验技术，到目前已广泛地应用于通信、电子、电脑、医疗、能源、交通、航空、航天和军事等领域。目前，国外大多数为机械、电子工业提供设计、制造和试验服务的公司，已经把可靠性强化试验作为一项很重要的服务内容。据QualMark公司1995年5月至1996年3月问的统计，该公司为来白19个工业部门的33个公司的47种产品提供了可靠性强化试验服务。美国Garwood实验室为航空航天、军事工业所提供的一项重要服务就是可靠性强化试验，客户包括雷神
飞机公司、波音公司、Northrop Grumman公司和Meggitt Safety Systems公司等。美国的wyle实验室、美国的Telphonic公司和在欧洲最具实力的德国TUV provide service公司等都将RET作为一种重要的可靠性试验服务。
国内从20世纪90年代中后期开始进行可靠性强化试验的研究。在引进气动式强化试验设备的基础上，“十五”开始进行相关预研，针对可靠性强化试验的理论问题和关键技术开展了专项研究，在吸收国外方法的基础上形成了较为完整的应用方法，并针对某型卫星有效载荷、激光捷联定位定向系统、空空导弹匕控组件等开展了较为系统的应用。“十一五”开始开展强化试验系统关键技术的研究，在气动振动台优化方面进行探索，并在电动振动台上研究频谱可控的超高斯随机振动环境控制技术。可靠性强化试验在航空产品的高可靠性增长中也获得了应用。
四、加速寿命试验现状
加速寿命试验分为恒定应力试验、步进应力试验和序进应力试验。首先发展起来的是恒定应力试验方法，该方法把全部样品分成儿组，每组样品都、在某个恒定加速应力水平下进行试验。最初的步进应力试验方法是机械耐久性试验(如疲劳试验)中所应用的阶跃载荷法，1961年贝尔实验室在电了产品的可靠性研究中提出了半导体器件的步进温度应力试验法。步进应力试验把全部样品放在某个加速应力水平下进行试验，然后将试验应力步进增加到下一更高的应力水平下继续试验，如此进行直至结束试验。这种方法降低了对试样数量的要求，具有比恒定应力试验更高的加速效率。1958年开始在电子产品的可靠性研究中尝试了序进应力试验方法，由于序进应力试验的加载应力随时问连续不断地上升，可以更快地激发试样失效，从而进一步提高了试验效率。
国外对加速寿命试验的研究始于20世纪60年代，其研究主要包括统计分析方法、优化设计技术、工程应用三个层面。20世纪70年代初，加速寿命试验技术进入我国，立即引起了统计学界与可靠性工程界的广泛兴趣，一直处于边研究边应用的状态。目前有关恒定应力试验统计分析的研究主要围绕如
何提高统计分析精度的问题大量开展。步进应力试验统计分析的关键问题则是如何从步进试验的失效数据中分离出每个加速应力水平下的寿命信息，常见的分析模型包括Nelson的CEM模型，以及由此发展的其他模型。在步进应力试验的统计分析中，算法复杂性和非流程化是目前存在的主要问题，使得步进应力试验的工程应用难度增大。
加速寿命试验技术已经在武器装备、航空航天和民用机电产品等诸多领域的长寿命问题研究中获得成功应用。西方国家在进行导弹的定寿延寿时广泛应用了加速寿命试验技术。美国的“民兵导弹贮存计划”采用加速试验技术为导弹贮存寿命提供48个月的使用寿命预报。俄罗斯在导弹延寿中采用加速试验技术形成了“综合集成方法”，利用该方法对C一300防空导弹进行贮存寿命研究，只用6个月的加速试验即获得了贮存寿命10年的结论。目前加速寿命试验技术的应用对象涉及导弹、发动机、轴承、低压电动机和He一Ne激光器等。随着恒定应力试验方法的逐渐成熟，我国已于1981年颁布了恒定应力试验的4个国家标准(GB2689.1~4-1981)。
五、加速退化试验现状
加速退化试验的研究首先是从退化试验(Degradation testing，DT)开始的，利用正常条件下的退化数据进行故障建模研究，预测产品寿命。由于实际退化往往历程漫长，因此通过退化试验对长寿命问题进行研究在时问上往往不能承受。加速退化试验技术是退化试验与加速试验方法交义融合的结果。加速退化试验的研究始于20世纪80年代，同样也包括统计分析方法、优化设计技术与工程应用等方面。在加速退化试验研究中，目前常用的分析模型包括退化量分布模型、退化轨迹模型、物理退化模型，其中退化轨迹模型应用较广，包括混合效应退化轨迹、随机扩散退化轨迹和非参数退化轨迹等。与加速寿命试验类似，加速退化试验也存在优化设计的问题，研究如何设计优化的试验方案，实现约束条件下对性能退化的最优建模分析，也是统计分析的逆问题。与加速寿命试验相比，加速退化试验的统计分析模型更加复杂，因此解析优化的方法应用难度更大，因此基于仿真的优化设计方法对于加速退化试验具有更为重大的研究价值。

从总体上看，加速退化试验的理论和方法目前还处于探索阶段，研究时问不长，大多数的研究是针对具体应用问题提出的具体模型和方法，缺少一般性的指导理论和方法，应用研究也主要集中在发光二极管、逻辑集成电路、电源和绝缘体等元件和材料。随着理论、方法与应用研究的不断深入，加速退化试验对于解决高可靠长寿命的评价问题必将发挥重要的作用。


参考文章:陈循，张春华.加速试验技术的研究、应用与发展


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