一种综合加速试验谱构建方法研究

李迪凡，李泽华，李景育,2，杨万均，龙仕腾,2，罗来正,2

（1.中国兵器工业第五九研究所，重庆 400039；2.海南万宁大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，海南 571522）

引言

电子设备类在贮存和运输过程中，不可避免的受到环境因素特别是温湿度和振动的影响，大量研究结果表明温湿度和振动是影响设备结构、功能甚至寿命的重要因素，据统计由这些因素引起的故障占设备总故障数的75 %。目前对于这类产品的考核方式主要有自然环境试验和实验室加速试验两类，自然环境试验能较真实可靠的反映产品所受历程，但具有试验时间长的缺点，而实验室加速试验能够缩短试验和评价的周期，但往往只强化单一环境因素，不能模拟其真实综合环境效应，且容易造成“过试验”和“欠试验”，目前所开展的温湿度加速试验大部分是按照既定的程序和标准如GJB 150.9A进行，而在GJB 150.9A中明确规定“本试验不能重现与自然环境相关的所有湿度的影响，也不能重现与低湿度环境相关的湿度影响，本试验不能重现复杂的温湿度环境，而是提供一个通用应力环境以暴露装备可能出现的问题”。可见按照现有标准开展的温湿度加速试验，不能真实再现产品自然环境效应，达不到等效评价试验效果，因此如何将产品贮存运输环境谱转化为具有等效效果的实验室模拟加速试验谱，对产品的考核与验证具有越来越重要的意义。我国针对自然环境谱与实验室加速试验谱开展了相当多的研究，获得了依托较为完备如气象资料编制自然环境谱的方法等各类环境谱的编制方法，王艳艳等研究了自然环境谱转化为加速试验环境谱的方法，但所开展的研究对温湿度如何转化描述较少，加速试验谱正确性缺乏依据[1-9]。

本文在参照相应方法的基础上，利用电子设备运输和贮存实测试验数据为基础，运用等环境当量转化方法，提炼出了一套较为完整的数据处理和转化方法，并用橡胶样品对试验谱进行了试验验证。

1 温湿度加速试验谱构建方法

分析贮存环境温湿度试验数据后发现温湿度的昼日变化规律近似或类似呈正余弦函数变化，温度是从物体的高温部分向低温部分传递，所以温度建模遵守热力学热传导傅里叶定律，湿度传递主要是以扩散方式进行，而大多数扩散行为都遵循热传导傅里叶定律，因此温度和湿度模型在结构上相同。本方法是基于实测环境温湿度试验数据基础上，利用等环境当量方法，通过构建温湿度模型，确定应力值及上限和试验时间后，建立加速试验谱。

1.1 试验条件参数设计

分析贮存环境条件温湿度数据，参考GJB 8894 《自然环境因素测定方法》，可以对温湿度数据进行统计获得相应的环境因素量值。

1.2 构建自然环境“温度-湿度-时间”试验模型

归纳自然贮存温度数据，获取温度应力剖面，通过分析自然温度的温差来设计加速贮存试验温度变化的幅度，利用模型进行等效温度应力下的时间刻度求取利用正弦函数拟合数据。

构建自然环境“温度-湿度-时间”试验弦函数，由于温度和湿度可耦合形成连续的n个应力水平，且有“温度-时间”与“湿度-时间”互为正余弦函数关系，自然环境“温度-时间”试验弦函数如式（1）：

式中：

TZ—各时刻温度值；

Tmax—温度最大值；

Tmin—温度最小值；

Z—自然时刻。自然环境“湿度-时间”试验弦函数如式（2）：

式中：

HZ—各时刻湿度值；

Hmax—湿度最大值；

Hmin—湿度最小值。

1.3 构建加速贮存试验函数

采用经验分布函数的方法构造得到“温度-时间”和“湿度-时间”变化曲线，保持波动幅度不变，保持形状参数不变，通过分析全年的自然贮存环境谱，先求得其在自然贮存环境下一个试验周期（1年）内的日均温度变化幅值，如：

△T自然=Tmax自然-Tmin自然=10.2 K

为保持机理不变，取整为10 K，设定加速贮存试验变化幅值（即Tmax-Tmin）亦为：

△T加速=Tmax加速-Tmin加速=10 K

同理，设定加速贮存试验湿度变化幅值为△H加速=Hmax-Hmin=22 %。

1.4 确定温湿度试验应力中位值及上限

借鉴目前国内外电子元器件常用加速试验温度经验，最高温度不超过80 ℃，而实测的停放环境下设备最高局部温度为73 ℃。

综合以上分析，选取的温度应力上限由实测温度73 ℃，按照温度的±2 ℃冗余设计，可设定上限75 ℃；湿度依据试验不直接凝露的原则可设为上限不超过95 RH%。

1.5 加速试验函数确定

然后强化加速贮存试验温度（应力）中位值为343 K，则构建出的加速贮存试验的“温度-时间”函数式（3）：

式中：

Tj—各时刻加速试验温度值；

Tmid—加速试验温度中位值，为343 K；

j—加速试验时刻。

同理，强化加速试验湿度（应力）中位值为80 %，则构建加速贮存试验的湿度-时间函数式（4）：

式中：

Hj—各时刻加速试验湿度值；

Hmid—加速试验湿度中位值。

于是，根据本实施例构建一个24（小时）节点的日循环加速贮存试验周期试验参数（见表1），该参数对应的加速贮存试验“温度-时间”试验曲线见图1（a），对应的加速贮存试验“湿度-时间”试验曲线见图1（b）。

表1 构建的日循环加速贮存试验周期试验参数

1.6 试验周期

理论试验总时间t按照循环次数设定，考虑到设计余量，结合自然贮存的存储年限，根据“温度-湿度-时间”函数式，利用温度、湿度的耦合规律函数模型确定加速贮存试验时间tj总时长。试验时间可按以下公式估算：

式中：

e—自然常数；

tZ—自然时段（tZ＝1*365天*24 h=8 760 h）。

则由此可推算出循环数为30，试验环境剖面见图1所示。

图1 户外等环境当量加速试验单次循环剖面示意图

2 振动加速试验谱构建方法

2.1 实测数据处理方法

振动频谱处理方法只是将振动时域数据转为用功率谱密度函数表达的频谱数据，接下来，还需要对多个样本的振动频谱数据进行统计分析，给出能具有一定覆盖性的包络线，将包络线按不同频段划分后处理为振动规范谱。具体分析处理步骤如下：

首先，将获取的车辆不同位置、不同路面类型、不同行驶速度的多个振动数据样本的PSD曲线合并归纳成一条PSD曲线。

其次，对应于每个车辆位置的x、y、z轴，绘制所有路面类型所有速度的PSD包络线的叠加图，以及叠加图的包络线。

最后，参照GJB/Z 126-99《振动、冲击环境测量数据归纳方法》中对最终得到的PSD包络线进行频段划分，然后采用统计分析方法对频段内PSD平直谱进行估计，得到车辆随机振动规范谱Gk。

获取的振动环境数据一般为时域数据，而振动环境试验时多用频谱控制，因此，测量获得数据首先需要进行频谱分析处理，转化成用功率谱函数描述的振动试验条件。

在分析处理振动数据时，对较为平稳的随机振动数据可通过功率谱密度分析进行频谱转化。随机振动在频率域用功率谱密度函数来描述。对给定时间长度为T的平稳随机振动记录x(t)，其功率谱密度（或称自谱密度）?转换见式（5）：

式中：

设备在运输过程中会经历各种不同的路面，不同速度振动情况，文中以设备按40 km/h在铺面路行驶为例说明实测数据转化方法。

振动信号采样频率为2 048 Hz，分析频率为500 Hz，频率分辨率为1 Hz。每个方向作为一个域，单独设计一个条件，根据相关设计规范，当样本数大于13时，采用对数正态分布假设估计，当样本数不大于13时，采用无参数上限统计估计（最大值包络）用于试验的最高期望环境谱值。功率谱密度和包络情况如图2，运输振动条件见表2。

图2 铺面路功率谱密度图

表2 铺面路振动环境

2.2 振动加速试验谱的转换

2.2.1 加速运试验振动量级的确定

加速模拟试验主要激发设备的疲劳失效，设备在经过可靠性设计后，经历振动载荷时内部应力响应接近疲劳极限，应力循环次数为107，为保证加速试验过程中的失效机理不变，其加速因子应小于100。根据试验要求及验证试验结果，确定加速因子为10。

典型车载设备公路运输加速模拟试验，采取随机振动试验模拟。依据逆幂律模型的失效机理，当部件暴露于稳态动载荷x（t）（周期的或随机的，其均值为0），均方根为σ（x）之下，其失效所需时间tF可近似用“逆幂律”表述如下：

式中：

b和c—取决于部件类型的常数。

逆幂律通常用来建立机械和电气设备与工作载荷作用时间有关的失效模型，它也适用于环境载荷，包括动态载荷。如果有两个谱型相同但均方根值不同的动态载荷，两者产生相同的破坏势所需的暴露时间的关系可由方程（7）得出：

对按自谱定义的随机振动，方程（8）变为：

对电气电子元件，根据逆幂律模型，推荐对所有类型的振动使用b=4，除非有数据证明使用其它值是合适的。本次加速试验的加速因子AF为10，由公式（9）可得：

通过实测规范谱G1(f)可计算获得G2(f)。将铺面路实测谱代入公式（9）获得铺面路加速试验谱如表3。

表3 铺面路加速振动谱

2.2.2 试验时间的确定

车辆在行驶过程中，可按照实际路面行驶里程进行比例分配。产品两年设计行驶里程为2 000 km，其中铺面路占设计行驶里程的80 %，即S=1 600 km，车辆铺面路设计行驶时速为V=40 km/h，则所经历铺面路振动环境的时间为t=S/V=40 h，铺面路振动环境加速模拟试验试验时间为t1=t/10=4 h。

3 综合加速试验谱

综合试验谱是在结合电子产品在运输和贮存环境时所遭受的环境温度、湿度和振动因素转化而成，试验谱主要包括温湿度加速阶段和振动加速阶段综合而成，由于车载设备在实际使用过程中温度、湿度和振动等因素同时作用，没有严格的先后顺序，其主要目的是快速暴露样品问题，定位薄弱环节，因此设计的试验谱将温度、湿度和振动因素同时作用于样品，试验的剖面如图3所示，本试验周期以72 h为一个循环周期，每个周期结束后，对样品的性能参数进行检测。温湿度试验谱如表1的日循环加速贮存试验周期试验参数，振动试验谱如表2，不同路面的振动谱。

图3 试验剖面示意图

4 结论

利用电子设备开展了自然环境贮存及运输试验后结果表明，其产生的故障数量和故障机理基本相同，根据设计的加速试验谱加速，自然环境试验后出现故障的时间与加速试验后出现故障时间与试验谱的倍率基本相对应，二者试验结果误差不超过1 %，能够满足样品的加速试验要求。对于具有快速考核要求的试验产品，在保证样品失效机理不变的条件下采用本试验方法能够加快试验进程，极大地缩短了时间；设计的试验方法具有通用性，可适用于不同地域、不同时间、不同路况、不同速度和不同车型下的电子设备贮运试验；本文构建的加速试验方法，试验结果证明解决了按制定标准开展试验不能真实反映设备工况环境的问题，具有实用性，试验验证结果与贮存试验结果一致。