對裝備可靠性試驗工作體系的探討
時間：2021-08-19 16:23:55
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[導讀]以下內容為可靠性知識共享學習會的會員朋友（張生鵬）的經驗分享，非常感謝其支持與共享，謝謝！1?引言產品的可靠性是設計、制造出來的，是管理出來的，也是試驗出來的。可靠性作為產品的固有屬性，主要靠設計制造來保證，但必須通過試驗予以驗證和評估?？煽啃栽囼灥哪康氖前l(fā)現(xiàn)產品在設計、材料和工...
以下內容為可靠性知識共享學習會的會員朋友（張生鵬）的經驗分享，非常感謝其支持與共享，謝謝！
1 ?引言產品的可靠性是設計、制造出來的，是管理出來的，也是試驗出來的?？煽啃宰鳛楫a品的固有屬性，主要靠設計制造來保證，但必須通過試驗予以驗證和評估?？煽啃栽囼灥哪康氖?/span>發(fā)現(xiàn)產品在設計、材料和工藝方面的缺陷；并對其達到的可靠性定量指標進行評估，為評估產品的戰(zhàn)備完好性、任務成功性、維修人力費用和保障資源費用提供信息。美軍將可靠性指標作為評估武器裝備作戰(zhàn)適用性的重要參數(shù)，美軍在實踐中也認識到，單純依靠可靠性增長試驗，對于某些復雜或可靠性要求高的產品，需要耗費大量資源，工程上是行不通的（MIL-STD-781D《可靠性鑒定和驗收試驗》也已于1996年廢止）。因此，美軍越來越重視綜合利用各種試驗信息，利用產品研制過程中各項試驗（如性能試驗、功能試驗、聯(lián)機調試、環(huán)境試驗、可靠性試驗、定型試驗及現(xiàn)場試驗等）的資源與信息，把非可靠性試驗與可靠性試驗結合起來，都納入到以可靠性增長為目標的綜合管理之下，以擴大樣本量, 選用適用的數(shù)學模型進行工程計算，評估產品的可靠性水平，經濟、高效地促進產品達到預訂的可靠性目標。美軍作戰(zhàn)試驗鑒定局在其《2016財年年度報告》中指出：“要求項目須采用可靠性增長規(guī)劃，不斷評估其可靠性增長情況，使武器裝備在初始作戰(zhàn)試驗鑒定中達標”。得益于對全壽命周期可靠性試驗數(shù)據(jù)的有效管理，利用可靠性增長曲線來監(jiān)控系統(tǒng)可靠性已成為美軍慣例。目前，國內在產品研制過程中，開展了大量的可靠性試驗，包括環(huán)境適應性試驗、強度剛度試驗、可靠性試驗及壽命試驗等，目前這些試驗項目都建立了自成體系的試驗標準和規(guī)范。顯而易見，雖然這些試驗隨著階段的不同其目的和針對性都有所不同，但無疑這些試驗都是在實驗室受控的環(huán)境條件下進行的，所用的環(huán)境因素、應力類型和試驗設備都有交叉，并且試驗結果也是可以相互借鑒的。本文依據(jù)可靠性的基本定義，從導致產品失效的物理模型分析出發(fā)，對可靠性試驗的類型及技術體系進行闡述，可以為型號更好的制定可靠性試驗工作計劃提供參考。
2 ?裝備的可靠性參數(shù)及失效物理模型概述
3??裝備可靠性試驗工作項目探析可靠性試驗是為了了解、評價、分析和提高產品的可靠性而進行的各種試驗的總稱，旨在暴露產品的缺陷，為提高產品的可靠性提供必要信息并最終驗證產品的可靠性。換句話說，任何與產品故障或故障效應有關的試驗都可以認為是可靠性試驗。從失效產生的機理及其模型出發(fā)，對可靠性試驗進行界定和分類，產品失效物理模型及對應的可靠性試驗項目見表1所示。
4??展望與建議1)應注重研制階段的可靠性試驗?？煽啃匝兄圃囼灥哪康氖前l(fā)現(xiàn)產品的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進，因此不必局限于模擬真實環(huán)境的試驗方法，應盡量采取加速的應力激發(fā)試驗方法。在經費有限的情況下，應注重和強化研制階段的研制試驗，以及工藝過程中的環(huán)境應力篩選，在研制階段早期充分暴露產品在設計、元器件、零部件、原材料及工藝等方面的各種缺陷，失效可靠性增長，以保證可靠性工作的效果和充分性，以免影響進度和追加費用。2)應弱化專門的可靠性試驗指標的考核試驗。面對裝備長壽命、高可靠度要求，按目前的可靠性試驗方式難以驗證，周期和成本都無法承受。因此，應將重點放在利用產品研制過程中各項試驗（如性能試驗、功能試驗、聯(lián)機調試、環(huán)境試驗、可靠性試驗、定型試驗及現(xiàn)場試驗等）的資源與信息，把非可靠性試驗與可靠性試驗結合起來，都納入到以可靠性增長為目標的綜合管理之下，以擴大樣本量, 選用適用的數(shù)學模型進行工程計算，評估產品的可靠性水平，經濟、高效地促進產品達到預訂的可靠性目標。3)應從單特性試驗向多特性一體化試驗方向發(fā)展。隨著新的試驗鑒定模式的轉變，軍方更加強調制定鑒定定型試驗的總體方案，以明確試驗考核的總體要求。因此，在制定可靠性試驗計劃以及安排可靠性試驗工作時，需要加強各種試驗之間的綜合、協(xié)調，避免重復試驗。重點是基于產品研制過程中的可靠性風險識別結果，研究制定和實施針對高可靠性風險點的試驗方法和專項專項驗證試驗方案，為降低產品的狀態(tài)鑒定風險和提高產品的可靠性水平提供支撐。4)?應加強小子樣、高可靠產品可靠度評估方法的研究。當前，由于在裝備研制過程中很難獲取到產品故障時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，也就很難得到可靠度的統(tǒng)計評估結果。針對小子樣、高可靠產品可靠度評估的難題，從失效物理模型的角度，認為可行的途徑包括：一是增加試驗時間（通過引入試驗長度因子的概念，將產品的“規(guī)定的時間”指標乘以一定的試驗長度因子作為實際考核的試驗時間）；二是增加試驗應力（采用加速試驗的方法，用高應力的壽命特征外推正常應力下的額壽命特征），就可以達到利用極少的試驗子樣驗證極高的貯存可靠度的目的。
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1 ?引言產品的可靠性是設計、制造出來的，是管理出來的，也是試驗出來的?？煽啃宰鳛楫a品的固有屬性，主要靠設計制造來保證，但必須通過試驗予以驗證和評估?？煽啃栽囼灥哪康氖?/span>發(fā)現(xiàn)產品在設計、材料和工藝方面的缺陷；并對其達到的可靠性定量指標進行評估，為評估產品的戰(zhàn)備完好性、任務成功性、維修人力費用和保障資源費用提供信息。美軍將可靠性指標作為評估武器裝備作戰(zhàn)適用性的重要參數(shù)，美軍在實踐中也認識到，單純依靠可靠性增長試驗，對于某些復雜或可靠性要求高的產品，需要耗費大量資源，工程上是行不通的（MIL-STD-781D《可靠性鑒定和驗收試驗》也已于1996年廢止）。因此，美軍越來越重視綜合利用各種試驗信息，利用產品研制過程中各項試驗（如性能試驗、功能試驗、聯(lián)機調試、環(huán)境試驗、可靠性試驗、定型試驗及現(xiàn)場試驗等）的資源與信息，把非可靠性試驗與可靠性試驗結合起來，都納入到以可靠性增長為目標的綜合管理之下，以擴大樣本量, 選用適用的數(shù)學模型進行工程計算，評估產品的可靠性水平，經濟、高效地促進產品達到預訂的可靠性目標。美軍作戰(zhàn)試驗鑒定局在其《2016財年年度報告》中指出：“要求項目須采用可靠性增長規(guī)劃，不斷評估其可靠性增長情況，使武器裝備在初始作戰(zhàn)試驗鑒定中達標”。得益于對全壽命周期可靠性試驗數(shù)據(jù)的有效管理，利用可靠性增長曲線來監(jiān)控系統(tǒng)可靠性已成為美軍慣例。目前，國內在產品研制過程中，開展了大量的可靠性試驗，包括環(huán)境適應性試驗、強度剛度試驗、可靠性試驗及壽命試驗等，目前這些試驗項目都建立了自成體系的試驗標準和規(guī)范。顯而易見，雖然這些試驗隨著階段的不同其目的和針對性都有所不同，但無疑這些試驗都是在實驗室受控的環(huán)境條件下進行的，所用的環(huán)境因素、應力類型和試驗設備都有交叉，并且試驗結果也是可以相互借鑒的。本文依據(jù)可靠性的基本定義，從導致產品失效的物理模型分析出發(fā)，對可靠性試驗的類型及技術體系進行闡述，可以為型號更好的制定可靠性試驗工作計劃提供參考。
2 ?裝備的可靠性參數(shù)及失效物理模型概述
2.1 裝備可靠性參數(shù)
根據(jù)GJB451A-2005對可靠性的定義，可靠性是指產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力，因此，裝備可靠性代表了型號無故障工作的一種能力。由于裝備構成復雜，不同產品的結構和作戰(zhàn)使用要求差異較大，需采用不同的可靠性參數(shù)指標來表征其可靠性，例如發(fā)射飛行可靠度、貯存期、平均故障間隔時間（MTBF）和平均維修時間（MTTR）等。2.2 裝備失效物理模型
可靠性試驗的基礎原理是失效物理，失效物理是研究電子元器件及其材料失效機理的一個綜合學科，從微觀角度研究元器件及其材料的失效原因，從似乎微小過程的描述中建立物理模型，描述元器件及其材料的微觀本質與宏觀性能的關系。當前，失效物理模型大致可分為界限模型、耐久模型、應力強度模型、反應論模型、累積損傷模型、失效耦合模型及競爭失效模型等。根據(jù)可靠性的定義，可靠性是指產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力。因此也可以將可靠性試驗中的失效分為以下兩類：一是不能在規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能；二是不能在規(guī)定的條件下完成規(guī)定的功能。相應的，根據(jù)失效類型，可以將失效物理模型分為兩大類：即與條件相關的物理模型及與時間相關的物理模型。2.2.1 條件相關失效物理模型
規(guī)定的條件在試驗中體現(xiàn)為試驗所施加的環(huán)境條件、工作和使用維護條件。環(huán)境條件包括產品全壽命周期所經受的各種氣候環(huán)境、力學環(huán)境、生物環(huán)境、電磁輻射環(huán)境、化學環(huán)境等因素。工作條件包括產品的功能模式、輸入/輸出信號、負載條件、工作能源、實際操作（如啟動特性、工作循環(huán)）等方面。1）界限模型當應力或能量超過某一界限，物體將可能進入不穩(wěn)定、不安全、不可靠的狀態(tài)，此臨近狀態(tài)叫做臨界狀態(tài)，如圖1所示。界限模型適用于與過應力失效相關的失效機理，它描述了產品在一定的工作和環(huán)境條件下由外部載荷所引發(fā)的內部應力的響應，當外部載荷所引起的應力大于產品的內在強度時，產品發(fā)生失效。界限模型的結果只有考核通過或不通過兩種，無法給出定量的可靠性指標。2）應力強度干涉模型與結構可靠性由于施加與產品上的載荷及結構自身的強度均會呈現(xiàn)出一定的隨機性，失效是在應力超過強度界限時發(fā)生的。因此需要用應力強度干涉模型進行描述。如果掌握了應力和強度隨時間的分布，即可通過計算應力和強度之間的干涉面積來計算結構的失效概率，從而得到產品在一定載荷下的可靠度，見圖2所示。2.2.2 時間相關失效物理模型
時間相關模型是在條件相關模型（例如界限模型）基礎之上，主要描述產品所經受的應力在界限以內，在t=0時刻工作于安全工作區(qū)內，并并隨時間的推移而積累到一定量時才發(fā)生失效的情形。如，金屬材料的電遷移失效、集成電路的柵氧層與時間相關的擊穿失效等。1）耐久模型耐久模型適用于與耗損型失效相關的失效機理，它描述了產品在一定的工作環(huán)境和條件下性能參數(shù)隨時間的衰減變化規(guī)律，當產品的這一性能參數(shù)指標超出了規(guī)定的范圍時，產品發(fā)生失效。對于實際產品在使用中工作環(huán)境不是恒定的情況，需要對性能參數(shù)的變化進行積分以獲得產品到達失效時的使用壽命，這種模型也可以認為是退化模型。2）反應論模型從微觀的角度看，物體的損壞或退化都是由在各種應力作用下產生的化學反應所導致的原子分子變化。這種變化過程表現(xiàn)出氧化、析出、電解、擴散、蒸發(fā)、磨損和疲勞等失效機理。當產品的有害反應持續(xù)到一定程度時，失效隨之發(fā)生。典型的反應論模型如Coffin-Manson模型、Arrhenius模型和Erying模型等。3）累積損傷模型在實際產品的使用中工作環(huán)境一般是非恒定的，其損傷的數(shù)學模型廣為采用的是線性損傷累計模型或叫Miner法則，即對于應力大小變化而退化機理或失效機理不變的退化過程，假設各級應力引起的疲勞損傷可以是各級應力引起損傷的線性累加。損傷累積分析的結果是產品在給定時間內，各潛在點的累積損傷量。當累積損傷量達到1時，失效就會發(fā)生。3??裝備可靠性試驗工作項目探析可靠性試驗是為了了解、評價、分析和提高產品的可靠性而進行的各種試驗的總稱，旨在暴露產品的缺陷，為提高產品的可靠性提供必要信息并最終驗證產品的可靠性。換句話說，任何與產品故障或故障效應有關的試驗都可以認為是可靠性試驗。從失效產生的機理及其模型出發(fā)，對可靠性試驗進行界定和分類，產品失效物理模型及對應的可靠性試驗項目見表1所示。
4??展望與建議1)應注重研制階段的可靠性試驗?？煽啃匝兄圃囼灥哪康氖前l(fā)現(xiàn)產品的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進，因此不必局限于模擬真實環(huán)境的試驗方法，應盡量采取加速的應力激發(fā)試驗方法。在經費有限的情況下，應注重和強化研制階段的研制試驗，以及工藝過程中的環(huán)境應力篩選，在研制階段早期充分暴露產品在設計、元器件、零部件、原材料及工藝等方面的各種缺陷，失效可靠性增長，以保證可靠性工作的效果和充分性，以免影響進度和追加費用。2)應弱化專門的可靠性試驗指標的考核試驗。面對裝備長壽命、高可靠度要求，按目前的可靠性試驗方式難以驗證，周期和成本都無法承受。因此，應將重點放在利用產品研制過程中各項試驗（如性能試驗、功能試驗、聯(lián)機調試、環(huán)境試驗、可靠性試驗、定型試驗及現(xiàn)場試驗等）的資源與信息，把非可靠性試驗與可靠性試驗結合起來，都納入到以可靠性增長為目標的綜合管理之下，以擴大樣本量, 選用適用的數(shù)學模型進行工程計算，評估產品的可靠性水平，經濟、高效地促進產品達到預訂的可靠性目標。3)應從單特性試驗向多特性一體化試驗方向發(fā)展。隨著新的試驗鑒定模式的轉變，軍方更加強調制定鑒定定型試驗的總體方案，以明確試驗考核的總體要求。因此，在制定可靠性試驗計劃以及安排可靠性試驗工作時，需要加強各種試驗之間的綜合、協(xié)調，避免重復試驗。重點是基于產品研制過程中的可靠性風險識別結果，研究制定和實施針對高可靠性風險點的試驗方法和專項專項驗證試驗方案，為降低產品的狀態(tài)鑒定風險和提高產品的可靠性水平提供支撐。4)?應加強小子樣、高可靠產品可靠度評估方法的研究。當前，由于在裝備研制過程中很難獲取到產品故障時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，也就很難得到可靠度的統(tǒng)計評估結果。針對小子樣、高可靠產品可靠度評估的難題，從失效物理模型的角度，認為可行的途徑包括：一是增加試驗時間（通過引入試驗長度因子的概念，將產品的“規(guī)定的時間”指標乘以一定的試驗長度因子作為實際考核的試驗時間）；二是增加試驗應力（采用加速試驗的方法，用高應力的壽命特征外推正常應力下的額壽命特征），就可以達到利用極少的試驗子樣驗證極高的貯存可靠度的目的。
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