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加速寿命试验

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加速寿命试验

文章出处:加速寿命试验-苏州天标检测技术有限公司 发布时间:2020-05-14

加速寿命试验,是指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在超出正常应力水平的加速环境下获得的可靠性信息进行转换,得到试件在额定应力水平下可靠性特征的可复现的数值估计的一种试验方法。加速寿命试验采用加速应力进行试件的寿命试验,从而缩短了试验时间,提高了试验效率,降低了试验成本,其研究使高可靠长寿命产品的可靠性评定成为可能。按照试验应力的加载方式,加速寿命试验通常分为恒定应力试验、步进应力试验和序进应力试验。

 

简介:

加速寿命试验的统一定义最早由美罗姆航展中心于1967年提出,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在超出正常应力水平的加速环境下获得的信息进行转换,得到产品在额定应力水平下的特征可复现的数值估计的一种试验方法。简言之,加速寿命试验是在保持失效机理不变的条件下,通过加大试验应力来缩短试验周期的一种寿命试验方法。加速寿命试验采用加速应力水平来进行产品的寿命试验,从而缩短了试验时间,提高了试验效率,降低了试验成本。

进行加速寿命试验必须确定一系列的参数,包括(但不限于): 试验持续时间、样本数量、试验目的、要求的置信度、需求的精度、费用、加速因子、外场环境、试验环境、加速因子计算、威布尔分布斜率或β参数(β < 1表示早期故障,β > 1 表示耗损故障) 。用加速寿命试验方法确定产品寿命,关键是确定加速因子,而有时这是最困难的。一般用以下两种方法。

加速寿命试验技术相对于传统的寿命试验技术,效率高,成本低,是可靠性数学与可靠性工程领域的一个研究热点,对高可靠、长寿命产品的定寿延寿研究具有重要的应用价值。目前加速寿命试验技术在民用领域使用得很广泛,在军用武器装备的可靠性研究和寿命评估研究中也有较多应用,并取得了一定的研究成果。新形势下,军用后勤装备领域逐步出现长期储存的高可靠、长寿命装备,基于军事效益和经济效益的双重需求,对这类装备的储存寿命评估研究也逐步受到关注。随着研究的不断深入,加速寿命试验技术在该领域将具有广泛的应用前景。

 

加速模型:

加速寿命试验的基本思想是利用高应力下的寿命特征去外推正常应力水平下的寿命特征。实现这个基本思想的关键在于建立寿命特征与应力水平之间的关系。这种寿命特征与应力水平之间的关系就是通常所说的加速模型,又称加速方程。加速模型在通常情况下是一个非线性曲线,但是可以通过对寿命数据和应力水平进行适当的数学变换,如对数变换、倒数变换等,将其转换为线性模型。加速模型可以分为失效物理加速模型和数学统计加速模型两大��。

失效物理加速模型是通过与失效机理相关的物理原理推导得到的加速模型。失效物理加速模型的数学表达形式为己知,只是模型参数待定,所以,基于失效物理加速模型的加速寿命试验的基本任务就是通过试验对模型参数进行辨识。这类加速模型主要有Arrhenius 模型、逆幂律(Inverse Power Law,IPL)模型、单应力Eyring 模型、广义Eyring 模型。此外,由Arrhenius 模型和逆幂律模型组合可导出一种新的模型:温度-非热能(T-NT)模型。由Eyring 模型可导出温度-湿度(T-H)模型。

 

加速模型:

 

加速因子是加速寿命试验的一个重要参数。它是加速应力下产品某种寿命特征值与正常应力下寿命特征值的比值,也可称为加速系数,是一个无量纲数。加速因子反映加速寿命试验中某加速应力水平的加速效果,即是加速应力的函数。

国内外已对加速因子及其性质进行了深入研究。最初,指数分布、正态分布、Weibull 分布等寿命分布类型的加速因子被定义为产品在两种不同应力水平下的平均寿命之比,后来有学者进行研究指出其中的不合理性,认为加速因子是一种折算因子,其定义不仅依赖于寿命分布,还依赖于不同应力水平之间的折算原则。

目前,加速因子的研究方法大致有基于统计推断和基于预计技术两类,基于预计技术的方法虽然简单,但是不能给出加速因子的精确值,因而在寿命评估中不如基于统计推断的方法更有研究价值和发展前途。

近些年,不同寿命分布的加速因子的研究成果比较丰富。针对不同的加速模型,如Arrhenius模型、Eyring 模型、逆幂律模型、温度-湿度模型、温度-非热能模型等,已给出了相应计算加速因子的方法。这些研究成果为今后的研究和应用提供了思路和途径。

由于加速寿命试验带有较浓重的经验色彩,一些理论基础问题仍未得到解决。如:有效的加速寿命试验对加速因子的要求及与失效机理不变条件的关系;加速因子的性质和用途等。因此,对加速因子的研究不容忽视,有待更加精确、有效、简便的确定方法来推动寿命评估和可靠性评估理论的发展。 

类型:

按照试验应力的加载方式,加速寿命试验通常分为恒定应力试验、步进应力试验和序进应力试验三种基本类型,如图所示。它们分别表示了三种基本加速寿命试验的应力加载历程。

1、恒定应力试验(Constant-Stress Testing: CST)

其特点是对产品施加的“负荷”的水平保持不变,其水平高于产品在正常条件下所接受的“负荷”的水平。试验是将产品分成若干个组后同时进行,每一组可相应的有不同的“负荷”水平,直到各组产品都有一定数量的产品失效时为止。恒定应力试验的应力加载时间历程见图中的(a),优点是模型成熟、试验简单、易成功,缺点是试验所需试样多,试验时间较长。这种试验应用最广。

2、步进应力试验(Step-Up-Stress Testing: SUST)

此试验对产品所施加的“负荷”是在不同的时间段施加不同水平的“负荷”,其水平是阶梯上升的。在每一时间段上的“负荷”水平,都高于正常条件下的“负荷”水平。因此,在每一时间段上都会有某些产品失效,未失效的产品则继续承受下一个时间段上更高一级水平下的试验,如此继续下去,直到在最高应力水平下也检测到足够失效数(或者达到一定的试验时间)时为止。步进应力试验的应力加载时间历程见图 中的(b),优点是试验所需试样较少,加速效率相对较高,缺点是试验数据统计分析难度大。

3、序进应力加速寿命试验(Progressive Stress Testing: PST)

序进应力试验方法与步进应力试验基本相似,区别在于序进应力试验加载的应力水平随时间连续上升。图 中的(c)表示了序进应力加载最简单的情形,即试验应力随时间呈直线上升的加载历程。序加试验的特点是应力变化快,失效也快,因此序加试验需要专用设备跟踪和记录产品失效。这种试验方法优点是效率最高,缺点是需要专门的装置产生符合要求的加速应力,相关研究和应用较少。

 

进行试验的条件

 

若加速寿命与实用寿命的失效模式相同,即可运用加速寿命试验。但实际上,有时失效模式相同,失效机构(Mechanism)却不同,或即使失效机构亦相同,但失效判定条件或使用条件变动的话,加速性就变化。在长期的研发改进过程中,产品的设计或制造方法都可能发生变化,顾客的使用条件方可能发生变化;或是以规定的技术方法所生产的产品,也因存在无法控制的因素影响,造成失效机构的改变,这些都可能造成无法利用加速寿命试验。

例如,电子管的寿命满足Arrhenius的关系式,所以可提高阴极温度,实施加速寿命试验。例如,电视机用布朗管若使阴极温度成为额定值的100%,可实施加速因子为2.2倍至3倍的加速寿命试验。但不论是阴极温度低于额定,或不从阴极取电流而使用电子管时,都会显著减短寿命。两者之失效模式都是电子放射不良,但其间的差异在于失效机构不同。电子管常因阴极活性物质的减少而使电子放射特性劣化,但阴极温度减低的话,管内不纯气体的作用亦会使电子放射特性劣化;若不取电流而动作的话,阴极内部生成的中间层化合物电阻增大,亦使电子放射特性劣化,所以即使判定寿命的失效模式相同,失效机构也不同。故电子管须检讨实际使用时阴极温度的偏差、间歇动作等条件,才能决定实施加速寿命试验之方法。

除了以上所提的问题外,在规划加速寿命试验时须综合考虑下列问题,才能选定加速寿命试验的条件,以决定其适用的范围:

1、施加应力之大小不同可能形成不同的失效模式,在此种情形下,应力加速法之使用受到限制。

2、失效发生时间与施加应力强度之间,可能因应力大小之不同或因机械操作条件不同而有不同的关系,放在加速寿命试验规划之初,就应该注意到此种应力加速适用范围的问题。

3、可在若干不同的试验方法及不同的失效分析基准之中,选用加速因子较大的方法,以较短试验时��评估寿命的效用。

4、产品在实地使用状况下,应力的变动大,失效发生的条件方可因使用者不同而异;或即使是反应机构相同的失效,分散亦颇不均匀,因此利用实验数据推定实际使用寿命时,应尽量指定累积失效率加以推定,以避免因数据不充足造成错误的分析。

比较

高加速寿命试验和加速寿命试验的比较

高加速寿命试验不用于确定产品的寿命。因为我们关心的是使产品尽可能提高可靠性,可靠性量值的测定并不重要。然而,对于具有耗损时间的机械产品,尽可能准确地知道其寿命是非常重要的。

高加速寿命试验比起加速寿命试验来,一个重要优势就是在找寻影响外场使用的缺陷方面的速度较快。完成一个典型的高加速寿命试验仅需2-4天,而且我们找寻的最终将变成外场使用问题的缺陷的成功率非常高。

加速寿命试验比起高加速寿命试验的一个优势是,我们不需要任何环境设备。通常,台架上试验就足够了。并且许多情况下,在用户的设施上就能进行该试验。另一个好处就是试验能同时确定产品的寿命,而这一点对高加速寿命试验来说却做不到。

 

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