舰载电子产品可靠性试验振动应力研究

鲁雪峰，金亚楠，樊九九

（1.华中光电技术研究所，武汉 430223； 2.中国电子技术标准化研究院，北京 100176）

引言

可靠性试验作为暴露产品缺陷、验证产品可靠性水平的重要手段，在舰载电子产品中应用广泛。常见的可靠性试验类型包括可靠性研制试验、可靠性增长试验、可靠性增长摸底试验、可靠性鉴定和验收试验。除可靠性研制试验不局限于综合应力外，其余类型均属于综合环境应力试验，采用的应力包括恒定温度、温度变化、湿度变化、恒定湿度、振动、电应力等[1]。

舰载电子产品开展可靠性试验的传统依据文件包括《海军电子装备可靠性试验实施方法》和GJB 899A-2009，二者在振动应力的规定上均采信了美军标MILHDBK-781A。本文基于舰载电子产品可靠性试验的工程实践，通过分析不同标准，从环境试验和可靠性试验的关系角度，发现了在振动应力施加方面的多个问题，提出了多项改进措施，为研制单位高效开展可靠性试验提供参考。

1 舰载电子产品可靠性试验振动应力分析

不同于机载产品和弹上产品的可靠性试验剖面，舰载产品的可靠性试验剖面均采用统一的试验剖面。根据GJB 899A-2009，舰载电子产品开展可靠性试验的试验剖面主要根据产品的安装位置选择，包括潜艇环境、水面舰船舱内有温控环境、水面舰船舱外环境、水面舰船舱内无温控环境。无论安装位置，其振动应力均包括战斗损伤频谱和运输随机频谱。具体情况如下[2-4]：

1.1 战斗损伤频谱

战斗损伤频谱的如图1所示，施加条件如下：

图1 战斗损伤频谱

1）频率范围：（4~60）Hz；

2）振幅：0.76 mm（±0.15）（（4~15）Hz），7.5 m/s2（15~60）Hz；

3）持续时间：10 min。

图1所示的战斗损伤频谱属于正弦振动，在低频段（4~15）Hz保持恒定位移，在高频段（15~60）Hz保持恒定加速度，交越频率为15 Hz。为了减小对振动台的损伤，通常采取平滑交越的方式，具体包括[5]：

1）交越频率点位移取0.76 mm，则相应的加速度为：

2）交越频率点加速度取7.5 m/s2，则相应的位移为：

由于在低频段有相应的位移允差要求，故通常采用的战斗损伤频谱是低频段（4~15）Hz恒定位移0.84 mm，高频段（15~60）Hz保持恒定加速度7.5 m/s2。需要说明的是，根据GJB 1060.1-1991、GJB 4.7-1983和GJB 150.16A-2009，这里的正弦振动条件并不是从炮击振动析出的，而主要是从舰载平台螺旋桨、推进轴系、旋转机械等振动环境析出的。因此，严格意义上讲，该频谱并能算是考虑战斗损伤环境的振动谱，而是考虑舰船行驶过程中存在螺旋桨、推进轴系、旋转机械等正弦振动环境。

1.2 运输随机频谱

运输随机频谱的如图2所示，施加条件如下[2-4]；

图2 运输随机频谱

1）频率范围：（10~200）Hz；

2）量级（总均方根值r.m.s）：10 m/s2；

3）持续时间：20 min。

与车载、机载平台类似，舰船在行驶过程中确实会产生一定量级的随机振动。运输随机频谱正是考虑这种随机振动环境对舰载电子产品可靠性的影响而提出的。需要说明的是，根据GJB 1060.1-1991、GJB 4.7-1983和GJB 150.16A-2009，并不存在这样的随机振动环境，这就为舰载电子产品的可靠性试验实施带来了若干问题。

2 舰载电子产品环境试验振动应力分析

舰载电子产品振动环境条件的论证主要依据GJB 1060.1-1991，振动环境试验主要依据标准是GJB 4.7-1983和GJB 150.16A-2009。其中GJB 1060.1-1991关于设备振动环境的描述与GJB 150.16-1986要求基本一致，主要是正弦振动。 GJB 4.7-1983的振动试验条件均属于正弦振动，但频率范围与GJB 150.16-1986的要求有差异。GJB 150.16A-2009则主要是增加了随机振动的要求。GJB 4.7-1983要求的振动试验参数见表1，GJB 150.16A要求的振动试验参数见表2。

表1 GJB 4.7-1983规定的振动试验参数[6]

表2 GJB 150.16A规定的振动试验参数[7]

由表1和表2可以得到以下结论：

1）安装在不同位置的产品其振动环境条件不同，如主体区和桅杆区的差异性；

2）安装在不同平台的环境条件可能相同,如潜艇平台和水面舰船平台；

3）振动的频率范围覆盖（1~110）Hz；

4）标准规定的振动环境条件以正弦振动为主。

3 舰载电子产品可靠性试验振动应力问题分析

舰载电子产品可靠性试验剖面采用的是温度、湿度、振动、电应力多应力综合环境。其中振动应力剖面如图1和图2所示，通常潜艇平台每24 h施加3 h振动，水面舰船每24 h施加6 h振动，每3 h为一个周期，前10 min施加战斗损伤频谱，随后每施加20 min运输随机频谱停机10 min，累计施加120 min。通过第2章和第3章对舰载电子产品环境试验和可靠性试验振动应力的分析，结合当前舰载电子产品可靠性试验振动应力施加的工程实践，主要存在如下问题：

1）GJB 899A给定的战斗损伤频谱命名不符合实际，容易造成误解。GJB 899A给定的正弦振动频谱量值及频率范围均与GJB 4.7-1983和GJB 150.16A-2009规定的舰船功能振动试验条件相当，且战斗损伤更多来自炮击振动环境；

2）GJB 899A给定的战斗损伤频谱未考虑不同安装位置所带来的振动条件差异。从表1和表2可知，主体区、桅杆区、首尾区的振动条件存在明显差异；

3）GJB 1060.1-1991并没有舰船随机振动条件。论证舰船总体振动条件时要注意该问题，避免提出不切实际的要求；[8]

4）GJB 150.16A-2009和GJB 899A-2009规定的随机振动条件存在明显差异。前者频率范围是（1~100）Hz，加速度功率谱密度峰值为0.001 g2/Hz，均方根值为1 g；后者频率范围是（10~200）Hz，加速度功率谱密度峰值为0.01 g2/Hz，均方根值为0.315 g。即可靠性试验的振动条件相比环境试验更为严酷，显然不符合常识；

5）GJB 150.16A-2009中规定的耐久振动在可靠性试验剖面中未考虑。标准中规定的振动形式包括正弦扫频振动、耐久振动和随机振动；

6）未按平台总体环境条件要求制定合理的可靠性试验剖面。平台总体环境条件要求即是开展环境试验的条件输入，也是可靠性试验剖面制定的顶层输入，而实践中往往直接参考标准，造成过应力试验；

7）当前的可靠性试验剖面未考虑不同舰船平台的差异性。文献[9]中分析获取的某舰载平台振动应力频率上限达到了600 Hz，用当前标准开展试验时则显然造成了欠试验。

4 工程实践案例及振动应力施加建议

某型航行数据记录仪可靠性试验实施过程中，可靠性试验进行到倒数第二循环时，发现其组成单元外存储体数据存储异常。经故障排查，故障定位为航行数据记录仪的外存储体内部板卡数据连接线磨损断裂，进而使得外存储体数据存储异常。通过更换新的导线，外存储体可恢复正常工作。根据经验并参考GJB/Z 34-1993和HB/Z 213-1992，板卡数据连接线断裂和隔热材料磨损的激发应力主要为力学环境。本次可靠性试验中的主要力学环境为振动应力。

根据产品安装平台环境条件规定，其环境条件要求中无随机振动要求。施加的随机振动条件已经对产品造成事实上的过应力，因此根据GJB 899A-2009的故障分类要求，可归为非责任故障。

同一平台的某轴系状态监测装置，其可靠性试验采用加速试验方案。由于产品的可靠性指标要求较高，且产品对振动应力较为敏感，在进行加速试验方案设计时，提供了三种方案供产品研制单位选择，包括：

1）方案一：若产品的耐振动能力较强，则按照GJB 150.16A-2009附录给定的加速因子计算公式，同步调整其振动应力施加时间；

2）方案二：若产品的耐振动能力较弱，则缩减GJB 899A-2009给定振动应力施加时间间隔，即3 h的振动周期内，10 min的正弦振动和120 min的随机振动连续施加；

3）方案三：考虑产品的平台环境条件要求，剔除掉随机振动部分，仅在可靠性试验中开展正弦振动。

最终方案三由于可操作性更强得到采纳，有力保障了产品可靠性试验的快速实施。实际上，关于舰载产品可靠性试验中振动应力的裁剪在文献[10]中已经有应用。

综上，舰载电子产品可靠性试验的实施过程中，应充分考虑舰载产品的环境条件要求，从分析平台振动环境出发，考虑产品的安装位置，合理裁剪标准给定的振动应力剖面，避免对产品造成过应力试验。

5 总结

可靠性试验不同于一般的环境试验、电磁兼容试验，其实施过程耗费的人力、物力、财力巨大，必须审慎的实施试验，尤其是对试验剖面的充分分析。本文聚焦于舰载电子产品可靠性试验剖面中的振动应力，通过充分分析不同标准振动应力的差异性，结合工程经验提出了当前可靠性试验振动应力施加过程中的多个问题，并结合工程实践案例给出了建议，为舰载电子产品可靠性试验的高效实施提供借鉴。