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加速壽命試驗

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加速壽命試驗

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加速壽命試驗

文章出處:加速壽命試驗-蘇州天標檢測技術有限公司 發布時間:2020-05-14

加速壽命試驗,是指在進行合理工程及統計假設的基礎上,利用與物理失效規律相關的統計模型對在超出正常應力水平的加速環境下獲得的可靠性信息進行轉換,得到試件在額定應力水平下可靠性特征的可復現的數值估計的一種試驗方法。加速壽命試驗采用加速應力進行試件的壽命試驗,從而縮短了試驗時間,提高了試驗效率,降低了試驗成本,其研究使高可靠長壽命產品的可靠性評定成為可能。按照試驗應力的加載方式,加速壽命試驗通常分為恒定應力試驗、步進應力試驗和序進應力試驗。

 

簡介:

加速壽命試驗的統一定義最早由美羅姆航展中心于1967年提出,加速壽命試驗是在進行合理工程及統計假設的基礎上,利用與物理失效規律相關的統計模型對在超出正常應力水平的加速環境下獲得的信息進行轉換,得到產品在額定應力水平下的特征可復現的數值估計的一種試驗方法。簡言之,加速壽命試驗是在保持失效機理不變的條件下,通過加大試驗應力來縮短試驗周期的一種壽命試驗方法。加速壽命試驗采用加速應力水平來進行產品的壽命試驗,從而縮短了試驗時間,提高了試驗效率,降低了試驗成本。

進行加速壽命試驗必須確定一系列的參數,包括(但不限于): 試驗持續時間、樣本數量、試驗目的、要求的置信度、需求的精度、費用、加速因子、外場環境、試驗環境、加速因子計算、威布爾分布斜率或β參數(β < 1表示早期故障,β > 1 表示耗損故障) 。用加速壽命試驗方法確定產品壽命,關鍵是確定加速因子,而有時這是最困難的。一般用以下兩種方法。

加速壽命試驗技術相對于傳統的壽命試驗技術,效率高,成本低,是可靠性數學與可靠性工程領域的一個研究熱點,對高可靠、長壽命產品的定壽延壽研究具有重要的應用價值。目前加速壽命試驗技術在民用領域使用得很廣泛,在軍用武器裝備的可靠性研究和壽命評估研究中也有較多應用,并取得了一定的研究成果。新形勢下,軍用后勤裝備領域逐步出現長期儲存的高可靠、長壽命裝備,基于軍事效益和經濟效益的雙重需求,對這類裝備的儲存壽命評估研究也逐步受到關注。隨著研究的不斷深入,加速壽命試驗技術在該領域將具有廣泛的應用前景。

 

加速模型:

加速壽命試驗的基本思想是利用高應力下的壽命特征去外推正常應力水平下的壽命特征。實現這個基本思想的關鍵在于建立壽命特征與應力水平之間的關系。這種壽命特征與應力水平之間的關系就是通常所說的加速模型,又稱加速方程。加速模型在通常情況下是一個非線性曲線,但是可以通過對壽命數據和應力水平進行適當的數學變換,如對數變換、倒數變換等,將其轉換為線性模型。加速模型可以分為失效物理加速模型和數學統計加速模型兩大??。

失效物理加速模型是通過與失效機理相關的物理原理推導得到的加速模型。失效物理加速模型的數學表達形式為己知,只是模型參數待定,所以,基于失效物理加速模型的加速壽命試驗的基本任務就是通過試驗對模型參數進行辨識。這類加速模型主要有Arrhenius 模型、逆冪律(Inverse Power Law,IPL)模型、單應力Eyring 模型、廣義Eyring 模型。此外,由Arrhenius 模型和逆冪律模型組合可導出一種新的模型:溫度-非熱能(T-NT)模型。由Eyring 模型可導出溫度-濕度(T-H)模型。

 

加速模型:

 

加速因子是加速壽命試驗的一個重要參數。它是加速應力下產品某種壽命特征值與正常應力下壽命特征值的比值,也可稱為加速系數,是一個無量綱數。加速因子反映加速壽命試驗中某加速應力水平的加速效果,即是加速應力的函數。

國內外已對加速因子及其性質進行了深入研究。最初,指數分布、正態分布、Weibull 分布等壽命分布類型的加速因子被定義為產品在兩種不同應力水平下的平均壽命之比,后來有學者進行研究指出其中的不合理性,認為加速因子是一種折算因子,其定義不僅依賴于壽命分布,還依賴于不同應力水平之間的折算原則。

目前,加速因子的研究方法大致有基于統計推斷和基于預計技術兩類,基于預計技術的方法雖然簡單,但是不能給出加速因子的精確值,因而在壽命評估中不如基于統計推斷的方法更有研究價值和發展前途。

近些年,不同壽命分布的加速因子的研究成果比較豐富。針對不同的加速模型,如Arrhenius模型、Eyring 模型、逆冪律模型、溫度-濕度模型、溫度-非熱能模型等,已給出了相應計算加速因子的方法。這些研究成果為今后的研究和應用提供了思路和途徑。

由于加速壽命試驗帶有較濃重的經驗色彩,一些理論基礎問題仍未得到解決。如:有效的加速壽命試驗對加速因子的要求及與失效機理不變條件的關系;加速因子的性質和用途等。因此,對加速因子的研究不容忽視,有待更加精確、有效、簡便的確定方法來推動壽命評估和可靠性評估理論的發展。 

類型:

按照試驗應力的加載方式,加速壽命試驗通常分為恒定應力試驗、步進應力試驗和序進應力試驗三種基本類型,如圖所示。它們分別表示了三種基本加速壽命試驗的應力加載歷程。

1、恒定應力試驗(Constant-Stress Testing: CST)

其特點是對產品施加的“負荷”的水平保持不變,其水平高于產品在正常條件下所接受的“負荷”的水平。試驗是將產品分成若干個組后同時進行,每一組可相應的有不同的“負荷”水平,直到各組產品都有一定數量的產品失效時為止。恒定應力試驗的應力加載時間歷程見圖中的(a),優點是模型成熟、試驗簡單、易成功,缺點是試驗所需試樣多,試驗時間較長。這種試驗應用最廣。

2、步進應力試驗(Step-Up-Stress Testing: SUST)

此試驗對產品所施加的“負荷”是在不同的時間段施加不同水平的“負荷”,其水平是階梯上升的。在每一時間段上的“負荷”水平,都高于正常條件下的“負荷”水平。因此,在每一時間段上都會有某些產品失效,未失效的產品則繼續承受下一個時間段上更高一級水平下的試驗,如此繼續下去,直到在最高應力水平下也檢測到足夠失效數(或者達到一定的試驗時間)時為止。步進應力試驗的應力加載時間歷程見圖 中的(b),優點是試驗所需試樣較少,加速效率相對較高,缺點是試驗數據統計分析難度大。

3、序進應力加速壽命試驗(Progressive Stress Testing: PST)

序進應力試驗方法與步進應力試驗基本相似,區別在于序進應力試驗加載的應力水平隨時間連續上升。圖 中的(c)表示了序進應力加載最簡單的情形,即試驗應力隨時間呈直線上升的加載歷程。序加試驗的特點是應力變化快,失效也快,因此序加試驗需要專用設備跟蹤和記錄產品失效。這種試驗方法優點是效率最高,缺點是需要專門的裝置產生符合要求的加速應力,相關研究和應用較少。

 

進行試驗的條件

 

若加速壽命與實用壽命的失效模式相同,即可運用加速壽命試驗。但實際上,有時失效模式相同,失效機構(Mechanism)卻不同,或即使失效機構亦相同,但失效判定條件或使用條件變動的話,加速性就變化。在長期的研發改進過程中,產品的設計或制造方法都可能發生變化,顧客的使用條件方可能發生變化;或是以規定的技術方法所生產的產品,也因存在無法控制的因素影響,造成失效機構的改變,這些都可能造成無法利用加速壽命試驗。

例如,電子管的壽命滿足Arrhenius的關系式,所以可提高陰極溫度,實施加速壽命試驗。例如,電視機用布朗管若使陰極溫度成為額定值的100%,可實施加速因子為2.2倍至3倍的加速壽命試驗。但不論是陰極溫度低于額定,或不從陰極取電流而使用電子管時,都會顯著減短壽命。兩者之失效模式都是電子放射不良,但其間的差異在于失效機構不同。電子管常因陰極活性物質的減少而使電子放射特性劣化,但陰極溫度減低的話,管內不純氣體的作用亦會使電子放射特性劣化;若不取電流而動作的話,陰極內部生成的中間層化合物電阻增大,亦使電子放射特性劣化,所以即使判定壽命的失效模式相同,失效機構也不同。故電子管須檢討實際使用時陰極溫度的偏差、間歇動作等條件,才能決定實施加速壽命試驗之方法。

除了以上所提的問題外,在規劃加速壽命試驗時須綜合考慮下列問題,才能選定加速壽命試驗的條件,以決定其適用的范圍:

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

2、失效發生時間與施加應力強度之間,可能因應力大小之不同或因機械操作條件不同而有不同的關系,放在加速壽命試驗規劃之初,就應該注意到此種應力加速適用范圍的問題。

3、可在若干不同的試驗方法及不同的失效分析基準之中,選用加速因子較大的方法,以較短試驗時??評估壽命的效用。

4、產品在實地使用狀況下,應力的變動大,失效發生的條件方可因使用者不同而異;或即使是反應機構相同的失效,分散亦頗不均勻,因此利用實驗數據推定實際使用壽命時,應盡量指定累積失效率加以推定,以避免因數據不充足造成錯誤的分析。

比較

高加速壽命試驗和加速壽命試驗的比較

高加速壽命試驗不用于確定產品的壽命。因為我們關心的是使產品盡可能提高可靠性,可靠性量值的測定并不重要。然而,對于具有耗損時間的機械產品,盡可能準確地知道其壽命是非常重要的。

高加速壽命試驗比起加速壽命試驗來,一個重要優勢就是在找尋影響外場使用的缺陷方面的速度較快。完成一個典型的高加速壽命試驗僅需2-4天,而且我們找尋的最終將變成外場使用問題的缺陷的成功率非常高。

加速壽命試驗比起高加速壽命試驗的一個優勢是,我們不需要任何環境設備。通常,臺架上試驗就足夠了。并且許多情況下,在用戶的設施上就能進行該試驗。另一個好處就是試驗能同時確定產品的壽命,而這一點對高加速壽命試驗來說卻做不到。

 

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