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干货分享 | 浅析产品定量加速试验方法

       随着科技进步、国内外可靠性工程技术水平的不断提高以及用户对产品的可靠性要求越来越高,出现了越来越多高可靠性、长寿命的产品,如高可靠性的航空航天、兵器、轨道交通、高端装备等,其使用寿命或贮存寿命比较长,要获得此类产品的寿命数据,用传统的基于概率统计理论的可靠性试验对其可靠性/寿命进行评估,通常需要较长的试验时间或较大的试验样本,传统可靠性试验方法因时间长、成本大,操作性往往不强,在工程上难以满足其进度和成本要求。

      为缩短试验周期,减少试验费用,人们迫切需要在较短时间内获得产品的可靠性/寿命信息,因此,产品的加速试验方法就此应运而生。

一、加速试验的目的

1、采用加大应力的方法促使产品在短期内达到相同的失效效果,以预测其在正常工作条件或储存条件下的可靠性/寿命;

2、通过加大应力,快速找出产品潜在的设计薄弱环节,提供产品的可靠性/寿命信息,实现产品可靠性提高/寿命延长。

二、加速试验的累计损伤理论

任何类型的加速试验都基于加速损伤理论。产品在其寿命周期内所经历的应力可对其造成渐进的累积损伤。这种损伤有时可能造成产品现场失效,有时则不会。

任何类型的加速试验方法都是通过增加试验应力的方式,使其对产品造成损伤,该损伤应与产品寿命期内预期应力造成的累积损伤等效。

下图1描述了定性与定量加速试验的累积损伤原理,为方便起见,所有的应力(工作应力极限、破坏应力极限等)都用绝对值表示。

干货分享 | 浅析产品定量加速试验方法(图1)

图1 累积损伤、退化的概率密度函数及试验类型


三、加速试验的分类

基于累积损伤模型,试验中获取的相关信息以及产品的使用状态假设,加速试验方法被分成三种类型:

A类(定性加速试验):用于发现故障模式和(或)故障现象;

B类(定量加速试验):用于预计产品正常使用时的失效分布;

C类(定量时间和事件压缩试验):用于预计产品正常使用时的失效分布。

注:其中B类和C类加速试验方法可以使试验时间缩短。B类加速试验需基于某一特定的失效机理,通常情况下,可应用于产品的寿命加速。针对C类加速试验方法需要在试验前对其使用方式进行研究并对其具体的使用条件进行假设,可应用于失效率加速。


A类加速试验实际上最典型的就是可靠性强化试验(即常说的HALT/HASS试验)。本文限于篇幅,将重点对B类和C类定量加速试验方法进行阐述。


四、定量加速试验方法

4.1 B类定量加速试验方法概述

B类定量加速试验是使用应力累积损伤方法确定产品预期寿命期的可靠性水平。产品预期损伤值与其使用时要求值之间的必要裕度决定了产品的可靠性水平。该类定量加速试验在比产品预期寿命短得多的时间内实现预期的累积损伤。

B类加速试验使用基于具体失效机理(失效模式)确定的定量加速因子,该加速因子确定了产品在特定试验应力与其使用环境应力下所能经受的时间之间的关系。产品的失效或失效模式分布是通过收集各项加速试验的信息确定的。该试验信息为建立产品的使用寿命模型提供依据,可用于量化各种可靠性指标的加速性。

在这种方式下,可通过在任何预期的应力水平下评估单个失效模式发生的概率或可靠度来评估整个产品的可靠性。如果需要使用其他试验类型(比如可靠性增长试验,可靠性验证试验)来分析数据时,已确定的加速因子可以用于重新计算加速试验中的失效次数以便表征产品在使用环境条件下的失效次数,并用于计算其可靠性。

从该类定量加速试验中获取信息的另一种方式是在特定的环境条件和失效模式下开展试验直至受试样品发生失效。这种方式可以确定合理的产品失效分布及合适的加速因子,可用于计算特定失效模式发生的概率。B类试验的应力水平比产品使用时要求的应力水平高,但低于加速极限试验所施加的应力水平,如图1所示。这个试验应力水平可以处于设计规范规定的应力极限与破坏应力极限之间。该类试验持续时间应足够长,以期引起的累积损伤比产品在寿命期内经受的预期应力而引起的累积损伤大并确保有一定的裕度。这个裕度可以用来确定产品在时间(tL)内的可靠度R(tL)。

可以通过提高比特定使用应力(工作应力、环境应力)高的试验应力来缩短试验时间。试验应力水平产生了与产品预期寿命期内等同的累积损伤效应,但是可以很显著地缩短试验周期。

4.2 C类定量加速试验方法概述

C类试验主要用于评估以耗损型为主要故障模式的部组件的寿命时间,比如开关、键盘、继电器,连接器或轴承等。

C类时间压缩试验通常也用于确定:

a)系统集成问题(如软件与硬件集成或交互作用);

b)特定工作状态下的失效模式,如任何机械或电气周期性动作历程的工作循环;

c)应力范围宽的特定环境条件下的失效模式,但需要确定一个阈值,目的是为了使产品经受低于阈值的应力以免对其造成显著的损伤。

对于时间压缩或事件压缩试验而言,应力水平的增加是通过延长应力施加的持续时间或频次而不是增加其应力量值来实现的。


五、定量加速试验模型

定量加速试验,主要是通过加大试验量级,短时间内使产品达到累积损伤,以评估产品实际使用条件下的寿命分布。

通过在加速应力条件下获得的寿命数据,对数据进行拟合处理,获得加速因子并外推得到预期工作环境条件下的寿命,要进行这样的数据处理,需要根据产品的使用工况(单应力或多应力)建立相应的加速试验模型,例如温度模型、温湿度模型、振动模型、快速温变模型、温湿度-振动模型、高温-振动模型、电应力模型等,见如下示例模型:

干货分享 | 浅析产品定量加速试验方法(图2)

温湿度加速Peck模型见式

干货分享 | 浅析产品定量加速试验方法(图3)

温度循环加速W-E模型见式

干货分享 | 浅析产品定量加速试验方法(图4)

振动/电应力加速逆幂模型见式

干货分享 | 浅析产品定量加速试验方法(图5)

温湿度-振动综合应力加速模型见式

干货分享 | 浅析产品定量加速试验方法(图6)

六、定量加速试验案例说明

本案例通过将B类和C类定量加速试验结合,来验证某型产品的10年使用期限。

①某型产品使用频次分析

某型产品年工作时间为250天,每天使用次数为6次,则每年使用次数为1500次。每次使用约0.5小时,每天3小时通电工作、2小时为通电待机,每天通电时间共计5小时。每年通电工作时间为3*250=750(小时)、通电待机时间为2*250=500(小时),非通电时间为8760-750-500=7510(小时)。

②10年使用期限加速试验验证

考虑到该型产品外观尺寸并不大(900mm*600mm*1100mm),组成结构相对简单,可根据《有源医疗器械使用期限注册技术审查指导原则》“评价路径1”的要求、产品的使用频率和强度、储存和使用环境,以及产品的每天非工作、通电待机、通电工作的周期状态情况,将产品放入试验箱内进行加速试验验证。

产品10年使用期限的加速试验验证方案如下:

1)验证对象

某型产品;

2)样机数量

3台;

3)验证方式

放入步入式温湿度箱内进行加速寿命试验;

4)加速模型

考虑到该型产品在使用过程中主要受到温湿度应力对其使用期限的影响,参考GB/T 34986-2017《产品加速试验方法》,该型产品10年使用期加速寿命试验模型选用Hallberg-Peck模型进行通电状态(待机和工作模式)和非通电状态下(贮存模式)的温湿度加速寿命试验,通电状态加速温湿度应力选取55℃-85%RH,非通电状态加速温湿度应力选取60℃-90%RH,相对于基准温湿度25℃-50%RH进行通电待机、通电工作和贮存三种状态下的加速寿命试验验证该型产品10年使用期。

Peck模型见式(1):


干货分享 | 浅析产品定量加速试验方法(图7)

式中:

μl—在温度应力为 (单位为K)和相对湿度应力为RH%条件下的退化速度;

A—频数因子;

Ea—激活能,以eV为单位,此处经验数值为0.6~2.51;

K—玻尔兹曼常数,8.6×10-5 eV/K;

n—逆幂指数。

5)加速试验时长

通电状态(待机和工作)下,取加速温湿度55℃/85%RH,加速因子约25倍(通常需要根据模型详细计算),样机加速试验时长约为20天。

非通电状态下,取加速温湿度60℃/90%RH,加速因子约40倍(通常需要根据模型详细计算),样机加速试验时长约为80天。

6)工作模式

产品处于非工作、通电待机、通电工作(模拟临床使用)的周期状态;在通电工作中,样机应模拟其正常使用状态运行。

7)试验过程检测

试验前中后需对样机的功能性能指标进行测试,试验前后需对样机进行安全性测试。

8)失效定义

当基本功能性能测试指标或电气安全测试项目中任意一项测试未通过时,判定整机失效。


七、小结

对于高可靠、长寿命指标要求的产品,定量加速试验可以通过提高比典型应力(环境应力和工作载荷)高的试验应力来缩短产品可靠性指标/寿命验证时间,具有传统试验不可比拟的优势。本文对定量加速试验的理论及常用的加速模型进行了概述,并提供相关案例简单进行示例说明,以期对相关从业者具有一定的参考意义。


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