型号可靠性试验工作思路

夏丽娇　中国信息通信研究院泰尔终端实验室工程师

泰尔检测

型号可靠性试验工作思路

夏丽娇中国信息通信研究院泰尔终端实验室工程师

对国内目前在型号研制过程中开展可靠性试验的工作情况和面临的问题进行了分析，结合国外在可靠性试验技术研究和工程实践方面的新进展，给出了3种先进的可靠性试验技术的基本原理和应用阶段，最后提出了在新型号中开展可靠性试验工作的新思路。

型号；可靠性试验；综合评价；工作思路

1　引言

温度试验是电气安全测试中的一项基本试验，且温升测试也是应用最广，最容易出现测试误差的试验，很多产品都会在涉及温度的测试中出现这样那样的问题，其测量的方法和精度会对产品的合格性评定产生决定性的影响。温升试验通常包括表面温升和绕组温升两个项目。对于电机、变压器等有绕组的电器部件，如采用非接触式的红外测温仪法和在变压器表面布点的热电偶法，则只能对绕组表面的温升进行测量，并不能获取整个绕组的温度实际变化情况，而且这两种方法测量误差较大，对环境要求极高，因此建议作为绕组温升测试过程中的辅助验证手段。而采用电阻法测量绕组温升，是通过测量绕组发热时的电阻值变化来进行计算，其准确性高，且能获取绕组内部的温度实际变化情况。本文以一次CNAS能力验证比对试验为例，介绍了采用电阻法测量绕组温升的具体试验步骤和注意事项。

我国型号研制过程中的可靠性试验工作一般是按照GJB450-1988《装备研制与生产的可靠性通用大纲》和GJB450A-2004《装备可靠性工作通用要求》的要求开展的。自20世纪90年代以来，通过可靠性试验工作的开展，极大地提高了我国装备武器的可靠性，促进了部队战斗力的提升。但是，随着科学技术的不断发展，元器件和产品的设计水平有了很大提高，军品和民品设备型号的可靠性和寿命的要求也越来越高，对设备型号研制的可靠性试验工作带来了极大的挑战。

2　国外型号研制开展的可靠性试验工作情况

20世纪90年代以来，美军在更高的层次上强化了可靠性的基础性、全局性的战略地位和作用。在武器装备型号研制与实施并行工程过程中，强调可靠性专业与传统专业的一体化。仿真化：美军在20世纪90年代颁发的防务采办条例DoDD5000.1“防务采办系统”规定：试验与评价应与建模与仿真活动结合进行，以有助于了解和评估技术成熟度和互用性，便于与野战部队综合，并能根据文件规定的能力需求和在系统威胁评估中描述的敌方能力来确定系统性能。

在美国防务采办改革以来，建模与仿真技术在可靠性领域的应用也越发广泛。在制定航空设备的可靠性要求过程中，建模与仿真是决定满足用户需求所必需的可靠性水平和范围的一种有效的技术；利用建模与仿真技术还可以确定费用、进度与性能的要求，以及可靠性、维修性和保障性在满足寿命周期费用条件下的优化组合参数；在可靠性设计中，通过建模了解产品中各零部件、组件、设备和软件与整个产品的关系，并通过仿真来验证这种关系的正确性，分析产品可靠性设计的薄弱环节，改进设计、提高产品的可靠性。此外，功能可靠性仿真将系统可靠性与性能在统一的环境和模型下进行分析，有效地解决了航空设备缺少数据的问题。

加速化：目前已知的可靠性加速试验根据试验目的将可靠性加速试验分为加速寿命试验（ALT）、可靠性强化试验（RET）、高加速寿命试验（HALT）、高加速应力筛选（HASS）和基于故障物理的可靠性加速试验等试验项目，各试验项目根据各自的目的均有较为明确的工作内容和要求。根据可靠性加速试验的目的及使用用途，可以将现有的可靠性加速试验分为三种类型，一种是通过施加高应力，实现在相对较短时间内确定产品寿命的加速寿命试验（ALT）；第二种是通过施加高应力，实现短时间内找出产品的缺陷，如可靠性强化（RET）和高加速应力筛选（HASS）等；第三种是通过步进施加越来越高、最终远超出规范规定的最高应力的应力，快速发现设计缺陷，与改进缺陷相结合，并确定产品应力极限，如HALT。第二类试验中的RET和HASS均使用远高于规范的规定的应力，属于目前流行的高加速应力试验范围。而第三类试验的HALT则是在实现第二类的目的基础上，进而确定产品的应力极限，是一种更为有效的高加速应力试验。目前，国内外均对这两类可靠性加速试验开展了大量的研究工作。

对于上述3类可靠性加速试验，若从加速试验所应用的原理，以及试验结果是定性还是定量地反映产品所达到的可靠性水平等方面进行分类，可将上述三类加速试验分为两大类：定性加速试验和定量加速试验。其中，定性加速试验的目的是对产品施加加速应力，在对故障模式、原因分析的基础上，通过改进设计，提高产品的可靠性水平，如可靠性强化试验；定量加速试验的目的是通过对产品施加加速应力，加快产品失效，对产品的可靠性水平进行评价，如加速寿命试验和基于故障物理的可靠性加速试验。目前，国内外均对这两类可靠性加速试验开展了大量的研究工作。从而能够有效地缩短定型阶段在实验室开展可靠性验证试验的试验时间。

综合化：现代武器系统日趋复杂，高可靠长寿命的机载产品越来越普遍，为了适应机载产品可靠性水平不断提高的局面，美国于20世纪90年代以来不断改革试验与鉴定策略，提出了“综合试验与评价”的方法。该方法通过在研制初期开展建模仿真、虚拟试验等方式从设计上保证产品达到较高的可靠性并得到相关的产品数据，在研制过程中开展加速试验来缩短试验时间，并且利用研制过程中的数据对产品进行可靠性综合评估，从而能够有效地缩短定型阶段在实验室开展可靠性验证试验的试验时间。

3　可靠性试验新技术简介

通过国外可靠性试验技术的最新发展可以看出，可靠性试验的新技术基本上可以归纳为3类，即可靠性仿真试验、可靠性强化试验和可靠性加速试验。

3.1可靠性仿真试验

可靠性仿真试验是采用计算机建模技术构造产品的电子样机，同时利用可靠性仿真技术分析产品在寿命期内所遇到的环境条件对产品的作用效果，得出产品的薄弱环节信息，以期在设计早期阶段消除故障薄弱环节，能够缩短产品的研制周期并提高产品的固有可靠性。同时利用可靠性仿真试验能够得到产品的故障数据，这些数据能够为评估产品的可靠性提供支持，从而能够缩短产品定型阶段的实验室可靠性试验时间。

可靠性仿真试验首先将产品所经受的环境条件（温度和振动等）分解到产品各个组成部分，同时利用局部载荷/应力的响应原理和应力-损伤原理开展可靠性仿真，得出产品的潜在故障位置，故障模式和故障机理等信息，这些信息能够确定产品的薄弱环节，分析产品的可靠性指标是否满足规定的要求，同时利用基于遗传算法的可靠性设计优化技术确定产品的设计改进方案等，从而为产品的设计改进提高依据；同时这些信息还能够确定加速试验条件和确定筛选条件等，从而为后续开展可靠性加速试验及可靠性综合评价提供支持。

可靠性仿真试验技术主要应用于产品研制初期，随着研制过程的深入可迭代进行。可靠性仿真试验在数字样机设计完成时即可开展。

3.2可靠性强化试验

可靠性强化试验的理论依据是故障物理学（Physics of Failure），把故障或失效当作研究的主要对象，通过试验发现产品的薄弱环节，同时对薄弱环节采取纠正措施，使产品达到一个健壮的水平，从而保证产品在实际使用中表现出较高的可靠性。可靠性强化试验是一种定性的可靠性加速试验，不能回答产品通过试验后其可靠性MTBF是否满足规定的要求，只能定性的说明通过该项试验产品的可靠性有一定水平的提高。

可靠性强化试验是一种步进应力试验，其试验过程是将设计阶段的小样本的产品暴露在一系列依次提高的某种应力（如温度或振动）台阶上，在每一应力台阶完成后，进行故障检测，对发生的故障采取纠正措施，直至达到产品的设计极限。这种试验被用来在一个比较短的时间周期内发现故障并进行风险研究，也用于确定产品在有效寿命期内抗随机故障的能力。

可靠性强化试验主要适用于产品研制阶段的中期。可靠性强化试验的对象主要是采用了新设计、新材料或新工艺的产品，它可广泛应用于电子、机电产品。

3.3可靠性加速试验

可靠性加速试验是一种利用可靠性仿真试验技术的定量可靠性加速试验，该项技术首先以产品寿命周期的环境载荷和产品的自身设计条件作为输入，系统地分析确定产品潜在故障位置、故障模式、故障机理等信息，准确定位薄弱环节及其主要影响机理；其次根据薄弱环节和主要故障机理确定可靠性加速试验模型；最后通过确定的可靠性加速试验模型设计可靠性加速试验方案，通过开展加速试验定量的描述产品的可靠性水平。可靠性加速试验由于在试验方案设计过程中采用了计算机仿真试验的分析数据，因此能够用较少的样本量来进行可靠性加速试验并保证试验结果的准确性。可靠性加速试验需要在产品的物理样机上进行，因此该项试验主要在产品研制阶段的后期进行。

4　型号中开展可靠性试验工作的新思路

目前国内型号在开展可靠性鉴定试验过程中已经遇到了试验时间过长、试验经费过高，以及实验室试验结果与外场使用结果有一定差异等问题，为了保证可靠性试验工作能够在大运上顺利高效地开展，需要改变目前仅在定型阶段对产品进行可靠性鉴定试验的方式，而是要将产品的可靠性验证工作延伸到产品研制的整个阶段，将可靠性验证和评价工作融入到产品的设计工作中，实现可靠性的全过程控制和评价，保证交付使用的产品达到规定的可靠性要求。

因此，对于后续型号研制过程中的可靠性试验工作，应根据国内以往型号可靠性验证与评价工作的经验，结合国外可靠性验证与评价技术的发展趋势，在试验理念、控制措施、考核方式上重点突出“结果考核和过程控制并重”、“试验鉴定向综合评价转变”，即利用可靠性仿真试验、可靠性强化试验、可靠性加速试验、可靠性摸底试验、可靠性鉴定试验和科研试用这四种方法在产品的不同层次和不同阶段开展相应的试验，最后综合利用各类试验数据对产品的可靠性进行评价和验证，以最佳的费效比开展可靠性试验工作。

在型号的整个研制过程中，采用仿真试验—定量加速试验和强化试验—系统综合的方式开展可靠性综合评价与验证工作，即在研制的每一阶段，对产品研制单位提出工作要求，充分利用各种工作要求产生的信息对产品的可靠性进行评价，这种评价结果将作为产品转阶段的依据。具体评价过程和方法如下：

4.1初样设计阶段

（1）按照设计方案建立可靠性模型。

（2）利用环境载荷预计系统，对初样设计开展基于故障物理的可靠性仿真试验，并结合应力实测确定系统的潜在关键故障和薄弱环节，为系统设计改进提供依据。该信息也作为各单元开展可靠性加速试验、可靠性强化试验的参考。对于基本具备S型状态的初样产品，也可开展可靠性强化试验，激发产品的薄弱环节并进行设计改进。

（3）利用改进的可靠性预计结果、仿真试验结果和可靠性研制试验信息，并结合常规可靠性工作项目的输出结果（比如FME（C）A/FTA分析、相似产品的内外场可靠性信息等），对产品的可靠性进行综合评估，判定系统是否达到转段要求。

4.2正样设计阶段

（1）对正样设计开展基于故障物理的可靠性仿真试验，进一步确定产品的潜在关键故障和薄弱环节，为系统设计改进提供输入，并评价系统在耐环境能力和耐久性方面设计的合理性。该仿真结果也是各单元开展可靠性加速试验方案的重要输入之一。

（2）对于开展了可靠性仿真试验的关键重要产品在模块级或设备级开展可靠性强化试验，验证仿真试验结果的准确性和提高产品的健壮性，为后续定量可靠性加速试验的开展奠定基础。

（3）在设备级产品开展基于故障物理的可靠性加速试验，通过可靠性加速试验，验证仿真试验结果，进一步暴露产品的设计缺陷，为产品改进、提高产品的可靠性水平提供支持。

（4）收集科研试运行数据，对发生的故障进行分析。

（5）基于本阶段的可靠性仿真试验结果、加速试验结果、试运行前可靠性增长摸底试验结果和科研试运行数据综合评价产品的可靠性水平，并判定是否达到转段要求。若产品的可靠性未达到转段所规定的水平，则根据仿真试验和加速试验数据等确定的薄弱环节和关键模块，对产品进行设计改进，直到产品的可靠性满足转段要求。

4.3设计定型阶段

（1）采用系统模拟试验方式进行系统（系统的组成设备均完成HASS）的设计定型可靠性鉴定试验，通过该项试验不仅可以给出系统的可靠性结论；同时，根据各组成单元在系统试验中的具体表现，结合前期的可靠性仿真试验、可靠性加速试验和现场试验结果，给出各组成单元的可靠性评价结论。上述结论是产品进行设计定型的依据之一。

（2）收集定型试运行的可靠性数据，完成产品试运行可靠性评估。采用现场试运行数据统计的可靠性评估结果和根据实验室试验数据再次综合对系统在设计定型时的可靠性水平进行评估，该评估结果是飞机进行设计定型的依据之一。

（3）如经过评价，产品的可靠性未达到设计定型阶段规定的水平，则根据系统模拟试验所暴露的薄弱环节对产品进行设计改进，直到产品的可靠性满足设计定型要求。

4.4小批试用阶段

（1）跟踪产品实际使用状况，对试用过程中的可靠性信息进行分析，跟踪试用过程中故障产品的归零情况，在试用阶段结束时给出产品的可靠性水平评估结论。

（2）根据该阶段的可靠性评估结果，对前期可靠性评价和验证结果的相关性进行分析，对产品可靠性总体水平的达标情况进行分析。

5　结束语

本文对国内目前在型号研制过程中开展可靠性试验的工作情况和面临的问题进行了简要分析，结合国外在可靠性试验技术研究和工程实践方面的新进展，给出了3种先进的可靠性试验技术的基本原理和应用阶段，最后提出了在新型号中开展可靠性试验工作的新思路。

［1］国防科学技术工业委员会.装备研制与生产的可靠性通用大纲：GJB450-1988［S］.北京：国防科学技术工业委员会，1988，3.

［2］中国人民解放军总装备部.装备可靠性工作通用要求：GJB450A-2004［S］.北京：中国人民解放军总装备部，2004，3.

［3］.Neill Doertenbach.Highly Accelerated Life Testing-Testing with a Defferent Purpose［C］.2000 Proceedings of IEST. 2001，8.

2016-08-29）