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(dǎo)讀]以下內(nèi)容為可靠性知識共享學(xué)習(xí)會的會員朋友（張生鵬）的經(jīng)驗分享，非常感謝其支持與共享，謝謝！1?引言產(chǎn)品的可靠性是設(shè)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(chǎn)品的固有屬性，主要靠設(shè)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(chǎn)品在設(shè)計、材料和工...
以下內(nèi)容為可靠性知識共享學(xué)習(xí)會的會員朋友（張生鵬）的經(jīng)驗分享，非常感謝其支持與共享，謝謝！
1 ?引言產(chǎn)品的可靠性是設(shè)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(chǎn)品的固有屬性，主要靠設(shè)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(chǎn)品在設(shè)計、材料和工藝方面的缺陷；并對其達(dá)到的可靠性定量指標(biāo)進(jìn)行評估，為評估產(chǎn)品的戰(zhàn)備完好性、任務(wù)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(biāo)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(rèn)識到，單純依靠可靠性增長試驗，對于某些復(fù)雜或可靠性要求高的產(chǎn)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(chǎn)品研制過程中各項試驗（如性能試驗、功能試驗、聯(lián)機調(diào)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(jié)合起來，都納入到以可靠性增長為目標(biāo)的綜合管理之下，以擴(kuò)大樣本量, 選用適用的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行工程計算，評估產(chǎn)品的可靠性水平，經(jīng)濟(jì)、高效地促進(jìn)產(chǎn)品達(dá)到預(yù)訂的可靠性目標(biāo)。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(dá)標(biāo)”。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(nèi)在產(chǎn)品研制過程中，開展了大量的可靠性試驗，包括環(huán)境適應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行的，所用的環(huán)境因素、應(yīng)力類型和試驗設(shè)備都有交叉，并且試驗結(jié)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(dǎo)致產(chǎn)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(shù)體系進(jìn)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(chǎn)品的可靠性而進(jìn)行的各種試驗的總稱，旨在暴露產(chǎn)品的缺陷，為提高產(chǎn)品的可靠性提供必要信息并最終驗證產(chǎn)品的可靠性。換句話說，任何與產(chǎn)品故障或故障效應(yīng)有關(guān)的試驗都可以認(rèn)為是可靠性試驗。從失效產(chǎn)生的機理及其模型出發(fā)，對可靠性試驗進(jìn)行界定和分類，產(chǎn)品失效物理模型及對應(yīng)的可靠性試驗項目見表1所示。
4??展望與建議1)應(yīng)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(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進(jìn)，因此不必局限于模擬真實環(huán)境的試驗方法，應(yīng)盡量采取加速的應(yīng)力激發(fā)試驗方法。在經(jīng)費有限的情況下，應(yīng)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(yīng)力篩選，在研制階段早期充分暴露產(chǎn)品在設(shè)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(jìn)度和追加費用。2)應(yīng)弱化專門的可靠性試驗指標(biāo)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(yīng)將重點放在利用產(chǎn)品研制過程中各項試驗（如性能試驗、功能試驗、聯(lián)機調(diào)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(jié)合起來，都納入到以可靠性增長為目標(biāo)的綜合管理之下，以擴(kuò)大樣本量, 選用適用的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行工程計算，評估產(chǎn)品的可靠性水平，經(jīng)濟(jì)、高效地促進(jìn)產(chǎn)品達(dá)到預(yù)訂的可靠性目標(biāo)。3)應(yīng)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(zhuǎn)變，軍方更加強調(diào)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(diào)，避免重復(fù)試驗。重點是基于產(chǎn)品研制過程中的可靠性風(fēng)險識別結(jié)果，研究制定和實施針對高可靠性風(fēng)險點的試驗方法和專項專項驗證試驗方案，為降低產(chǎn)品的狀態(tài)鑒定風(fēng)險和提高產(chǎn)品的可靠性水平提供支撐。4)?應(yīng)加強小子樣、高可靠產(chǎn)品可靠度評估方法的研究。當(dāng)前，由于在裝備研制過程中很難獲取到產(chǎn)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(jié)果。針對小子樣、高可靠產(chǎn)品可靠度評估的難題，從失效物理模型的角度，認(rèn)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(chǎn)品的“規(guī)定的時間”指標(biāo)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(yīng)力（采用加速試驗的方法，用高應(yīng)力的壽命特征外推正常應(yīng)力下的額壽命特征），就可以達(dá)到利用極少的試驗子樣驗證極高的貯存可靠度的目的。
以上內(nèi)容，若有不正確，請指導(dǎo)修正，歡迎持續(xù)討論，謝謝！
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1 ?引言產(chǎn)品的可靠性是設(shè)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(chǎn)品的固有屬性，主要靠設(shè)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(chǎn)品在設(shè)計、材料和工藝方面的缺陷；并對其達(dá)到的可靠性定量指標(biāo)進(jìn)行評估，為評估產(chǎn)品的戰(zhàn)備完好性、任務(wù)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(biāo)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(rèn)識到，單純依靠可靠性增長試驗，對于某些復(fù)雜或可靠性要求高的產(chǎn)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(chǎn)品研制過程中各項試驗（如性能試驗、功能試驗、聯(lián)機調(diào)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(jié)合起來，都納入到以可靠性增長為目標(biāo)的綜合管理之下，以擴(kuò)大樣本量, 選用適用的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行工程計算，評估產(chǎn)品的可靠性水平，經(jīng)濟(jì)、高效地促進(jìn)產(chǎn)品達(dá)到預(yù)訂的可靠性目標(biāo)。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(dá)標(biāo)”。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(nèi)在產(chǎn)品研制過程中，開展了大量的可靠性試驗，包括環(huán)境適應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行的，所用的環(huán)境因素、應(yīng)力類型和試驗設(shè)備都有交叉，并且試驗結(jié)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(dǎo)致產(chǎn)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(shù)體系進(jìn)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(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，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(gòu)成復(fù)雜，不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)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(biāo)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(chǔ)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(xué)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(zhì)與宏觀性能的關(guān)系。當(dāng)前，失效物理模型大致可分為界限模型、耐久模型、應(yīng)力強度模型、反應(yīng)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(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，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(nèi)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(yīng)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(guān)的物理模型及與時間相關(guān)的物理模型。2.2.1 條件相關(guān)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(hù)條件。環(huán)境條件包括產(chǎn)品全壽命周期所經(jīng)受的各種氣候環(huán)境、力學(xué)環(huán)境、生物環(huán)境、電磁輻射環(huán)境、化學(xué)環(huán)境等因素。工作條件包括產(chǎn)品的功能模式、輸入/輸出信號、負(fù)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(dāng)應(yīng)力或能量超過某一界限，物體將可能進(jìn)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(yīng)力失效相關(guān)的失效機理，它描述了產(chǎn)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(nèi)部應(yīng)力的響應(yīng)，當(dāng)外部載荷所引起的應(yīng)力大于產(chǎn)品的內(nèi)在強度時，產(chǎn)品發(fā)生失效。界限模型的結(jié)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(biāo)。2）應(yīng)力強度干涉模型與結(jié)構(gòu)可靠性由于施加與產(chǎn)品上的載荷及結(jié)構(gòu)自身的強度均會呈現(xiàn)出一定的隨機性，失效是在應(yīng)力超過強度界限時發(fā)生的。因此需要用應(yīng)力強度干涉模型進(jìn)行描述。如果掌握了應(yīng)力和強度隨時間的分布，即可通過計算應(yīng)力和強度之間的干涉面積來計算結(jié)構(gòu)的失效概率，從而得到產(chǎn)品在一定載荷下的可靠度，見圖2所示。2.2.2 時間相關(guān)失效物理模型
時間相關(guān)模型是在條件相關(guān)模型（例如界限模型）基礎(chǔ)之上，主要描述產(chǎn)品所經(jīng)受的應(yīng)力在界限以內(nèi)，在t=0時刻工作于安全工作區(qū)內(nèi)，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(guān)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(guān)的失效機理，它描述了產(chǎn)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(dāng)產(chǎn)品的這一性能參數(shù)指標(biāo)超出了規(guī)定的范圍時，產(chǎn)品發(fā)生失效。對于實際產(chǎn)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(jìn)行積分以獲得產(chǎn)品到達(dá)失效時的使用壽命，這種模型也可以認(rèn)為是退化模型。2）反應(yīng)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(yīng)力作用下產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)所導(dǎo)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(kuò)散、蒸發(fā)、磨損和疲勞等失效機理。當(dāng)產(chǎn)品的有害反應(yīng)持續(xù)到一定程度時，失效隨之發(fā)生。典型的反應(yīng)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(chǎn)品的使用中工作環(huán)境一般是非恒定的，其損傷的數(shù)學(xué)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(yīng)力大小變化而退化機理或失效機理不變的退化過程，假設(shè)各級應(yīng)力引起的疲勞損傷可以是各級應(yīng)力引起損傷的線性累加。損傷累積分析的結(jié)果是產(chǎn)品在給定時間內(nèi)，各潛在點的累積損傷量。當(dāng)累積損傷量達(dá)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(chǎn)品的可靠性而進(jìn)行的各種試驗的總稱，旨在暴露產(chǎn)品的缺陷，為提高產(chǎn)品的可靠性提供必要信息并最終驗證產(chǎn)品的可靠性。換句話說，任何與產(chǎn)品故障或故障效應(yīng)有關(guān)的試驗都可以認(rèn)為是可靠性試驗。從失效產(chǎn)生的機理及其模型出發(fā)，對可靠性試驗進(jìn)行界定和分類，產(chǎn)品失效物理模型及對應(yīng)的可靠性試驗項目見表1所示。
4??展望與建議1)應(yīng)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(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進(jìn)，因此不必局限于模擬真實環(huán)境的試驗方法，應(yīng)盡量采取加速的應(yīng)力激發(fā)試驗方法。在經(jīng)費有限的情況下，應(yīng)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(yīng)力篩選，在研制階段早期充分暴露產(chǎn)品在設(shè)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(jìn)度和追加費用。2)應(yīng)弱化專門的可靠性試驗指標(biāo)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(yīng)將重點放在利用產(chǎn)品研制過程中各項試驗（如性能試驗、功能試驗、聯(lián)機調(diào)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(jié)合起來，都納入到以可靠性增長為目標(biāo)的綜合管理之下，以擴(kuò)大樣本量, 選用適用的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行工程計算，評估產(chǎn)品的可靠性水平，經(jīng)濟(jì)、高效地促進(jìn)產(chǎn)品達(dá)到預(yù)訂的可靠性目標(biāo)。3)應(yīng)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(zhuǎn)變，軍方更加強調(diào)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(diào)，避免重復(fù)試驗。重點是基于產(chǎn)品研制過程中的可靠性風(fēng)險識別結(jié)果，研究制定和實施針對高可靠性風(fēng)險點的試驗方法和專項專項驗證試驗方案，為降低產(chǎn)品的狀態(tài)鑒定風(fēng)險和提高產(chǎn)品的可靠性水平提供支撐。4)?應(yīng)加強小子樣、高可靠產(chǎn)品可靠度評估方法的研究。當(dāng)前，由于在裝備研制過程中很難獲取到產(chǎn)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(jié)果。針對小子樣、高可靠產(chǎn)品可靠度評估的難題，從失效物理模型的角度，認(rèn)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(chǎn)品的“規(guī)定的時間”指標(biāo)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(yīng)力（采用加速試驗的方法，用高應(yīng)力的壽命特征外推正常應(yīng)力下的額壽命特征），就可以達(dá)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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