劉加凱，齊杏林，徐敬青，范志鋒

（軍械工程學(xué)院彈藥工程系，河北 石家莊 050003）

1 引言

電子引信的貯存壽命，是引信重要的戰(zhàn)技指標(biāo)之一，此項(xiàng)指標(biāo)目前采用自然貯存試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)（ALT：Accelerated Life Test）兩種考核方法。雖然自然貯存試驗(yàn)?zāi)軌颢@得準(zhǔn)確的產(chǎn)品壽命，但要十幾年以后才能取得相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所需時(shí)間太長(zhǎng)，不能滿足當(dāng)前引信技術(shù)飛速發(fā)展的需要。所謂加速壽命試驗(yàn)，是在既不改變失效機(jī)理又不增加新的失效因素的前提下，通過提高試驗(yàn)應(yīng)力，加速失效過程，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和一定的物理模型和統(tǒng)計(jì)方法，推算額定的環(huán)境應(yīng)力條件下產(chǎn)品壽命等可靠性指標(biāo)的試驗(yàn)。該試驗(yàn)由于有一定的理論根據(jù)，所以得到廣泛的重視和應(yīng)用。相對(duì)于自然貯存試驗(yàn)來說，加速壽命試驗(yàn)滿足縮短試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)省人力和物力，快速評(píng)價(jià)產(chǎn)品可靠性水平的客觀、迫切的需求[1]。

隨著設(shè)計(jì)、制造方法以及使用材料的不斷提高與改善，產(chǎn)品的可靠性越來越高，壽命越來越長(zhǎng)。目前在引信的加速壽命試驗(yàn)中，所用的試驗(yàn)應(yīng)力相對(duì)較為保守（如在機(jī)電引信的加速壽命試驗(yàn)中，所用的最高溫度應(yīng)力為80℃，而對(duì)于電子部件，引起其元器件失效的失效機(jī)理在500 K（227℃）下基本是一致的[2]；對(duì)于機(jī)械部件，其失效機(jī)理在更高的溫度范圍內(nèi)基本一致），因此試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，通常需要幾個(gè)月、半年甚至一年的時(shí)間，不利于快速評(píng)價(jià)產(chǎn)品因設(shè)計(jì)改變或工藝變更而對(duì)產(chǎn)品可靠性和質(zhì)量所造成的影響[3]。

高加速壽命試驗(yàn)（HALT：Highly Accelerated Life Test）是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一種激發(fā)試驗(yàn)，這種試驗(yàn)不強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)環(huán)境的真實(shí)性，而是在保證失效機(jī)理不變的情況下，強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)的激發(fā)效率。對(duì)于當(dāng)今高技術(shù)和高復(fù)雜度的電子產(chǎn)品和機(jī)電產(chǎn)品，要發(fā)現(xiàn)其潛在的故障較難，尤其是一些“潛伏”極深或不易根除的間隙故障，通過HALT可以快速地激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，實(shí)現(xiàn)研制過程中可靠性水平的快速提高[4]。HALT不能直接應(yīng)用于產(chǎn)品的壽命評(píng)估，這是因?yàn)楫a(chǎn)品的壽命數(shù)據(jù)要求精確的加速因子和很多的失效數(shù)據(jù)[5]。HALT采取逐步增加應(yīng)力的方法進(jìn)行，應(yīng)力層次較多，試驗(yàn)時(shí)間較短，因而其加速因子難以確定（或至少是不精確的）；HALT通常在產(chǎn)品量產(chǎn)前進(jìn)行，樣本量較小，因而試驗(yàn)的失效數(shù)也較少，而失效數(shù)是產(chǎn)品壽命評(píng)估置信度的一個(gè)關(guān)鍵因子，失效數(shù)越少，置信度越低。盡管如此，HALT結(jié)果中的有效信息仍可用于引信壽命評(píng)估中，從而縮短試驗(yàn)周期，降低成本。

2 HALT在引信壽命評(píng)估中的應(yīng)用

雖然通過HALT不能夠單獨(dú)進(jìn)行引信的壽命評(píng)估，但有兩種方法可以利用HALT結(jié)果中的有效信息來評(píng)估引信的壽命，一種是利用HALT來改進(jìn)引信的加速壽命試驗(yàn)，另一種是用HALT數(shù)據(jù)來關(guān)聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)[6]。

2.1 利用HALT來改進(jìn)引信的加速壽命試驗(yàn)

a）選擇積極的加速因子

影響電子引信貯存壽命的環(huán)境因素主要是溫度和相對(duì)濕度，而目前電子引信通常采用密封包裝，透溫不透濕，因此一般選取溫度作為引信的加速壽命試驗(yàn)中的試驗(yàn)應(yīng)力。溫度應(yīng)力水平選擇是否合適，將關(guān)系到加速壽命試驗(yàn)的成敗。如果選擇的應(yīng)力水平過高，可能會(huì)改變產(chǎn)品的失效機(jī)理；應(yīng)力水平過低，又會(huì)使試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)，失去加速試驗(yàn)的意義。

最高應(yīng)力水平的確定，主要考慮在進(jìn)行加速試驗(yàn)時(shí)需要提高溫度應(yīng)力的水平，應(yīng)力水平越高則所需的時(shí)間越短，加速效果越好。不同種類的引信，它的失效模式也是不同的，但對(duì)于每種引信來說，前提條件是不能改變其失效機(jī)理，自然貯存試驗(yàn)的失效機(jī)理與加速試驗(yàn)的失效機(jī)理應(yīng)該是相同的。由于存在不能改變失效機(jī)理這一條件的制約，溫度應(yīng)力的提高受到了限制[7]。

HALT一般在引信的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，當(dāng)完成HALT之后，可以獲得引信的高溫工作極限和破壞極限，并通過對(duì)失效引信進(jìn)行根因分析，確定其主要失效機(jī)理，進(jìn)而確定引信加速壽命試驗(yàn)中所能夠應(yīng)用的最高應(yīng)力。如通過對(duì)某引信的電子頭組件進(jìn)行HALT，其溫度步進(jìn)試驗(yàn)從50℃開始進(jìn)行，步長(zhǎng)為10℃，當(dāng)溫度到達(dá)120℃后，步長(zhǎng)改為5℃，每步保持25 min。該電子頭組件的高溫工作極限為155℃，高溫破壞極限為175℃，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，所激發(fā)出的產(chǎn)品失效模式與正常條件下一致，且失效機(jī)理并未改變。因此可以提高目前引信的加速壽命試驗(yàn)最高溫度應(yīng)力水平，從而縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率[8]。

根據(jù)HALT所確定的加速壽命試驗(yàn)最高溫度應(yīng)力，不能超過引信的高溫工作極限（如果超過后引信處于不能正常工作狀態(tài)，不能確定引信在正常條件下是否失效）。對(duì)于機(jī)電引信，不僅要考慮其機(jī)械部件和電子部件失效機(jī)理不發(fā)生改變的最高溫度應(yīng)力，還要考慮其它材料元件（如塑料）的最高溫度應(yīng)力。

b）估算試驗(yàn)所需的時(shí)間

對(duì)于加速壽命試驗(yàn)，特別是步進(jìn)加速壽命試驗(yàn)，每步試驗(yàn)時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)試驗(yàn)效果具有重要的影響。如果每步時(shí)間選擇過短，則產(chǎn)品的失效數(shù)較少，影響壽命評(píng)估的置信度，太低的置信度最終導(dǎo)致可靠性數(shù)據(jù)的不確定性；如果每步時(shí)間選擇過長(zhǎng)，則會(huì)使整體試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)，失去加速試驗(yàn)的意義。

在溫度應(yīng)力試驗(yàn)中，產(chǎn)品的失效服從Arrhenius公式，當(dāng)產(chǎn)品的失效機(jī)理一致時(shí)，產(chǎn)品失效具有相同的激活能。當(dāng)完成引信的HALT之后，對(duì)失效引信進(jìn)行根因分析，確定其與正常應(yīng)力條件下一致的失效機(jī)理，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)激活能，并利用Nelson原理，對(duì)試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行折算[9]。若進(jìn)行恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，則將試驗(yàn)時(shí)間折算到試驗(yàn)應(yīng)力水平上；若進(jìn)行步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，則將試驗(yàn)時(shí)間折算到各步試驗(yàn)應(yīng)力水平上，根據(jù)試驗(yàn)要求，合理分配各步試驗(yàn)應(yīng)力所需的時(shí)間。通過對(duì)加速壽命時(shí)間進(jìn)行估算，盡管不精確，但是仍對(duì)試驗(yàn)的進(jìn)行具有重要的指導(dǎo)意義。

步進(jìn)應(yīng)力到恒定應(yīng)力試驗(yàn)的時(shí)間折算方法如下：

在溫度步進(jìn)時(shí)，引信的壽命滿足Nelson原理，即樣品的剩余貯存壽命僅與當(dāng)時(shí)已累積的失效部分和當(dāng)時(shí)的應(yīng)力水平有關(guān)，而與累積方式無關(guān)。

引信的壽命分布F（t）服從威布爾分布，從數(shù)學(xué)意義上來說在低應(yīng)力Ti下試驗(yàn)時(shí)間ti（ti為在應(yīng)力Ti下所進(jìn)行的試驗(yàn)時(shí)間）的累積失效概率相當(dāng)于在應(yīng)力 Ti+1下工作時(shí)間累積失效概率FTi+1即：

由威布爾分布函數(shù)式得：

溫度Ti與引信特征壽命 ηi滿足 Arrhenius方程：

根據(jù)式（2）、（3）可得：

由于HALT中溫度步進(jìn)試驗(yàn)是若干個(gè)應(yīng)力水平下的累積作用結(jié)果，即第i級(jí)產(chǎn)品所承受的應(yīng)力包括了前i-1級(jí)應(yīng)力下的作用，因此在應(yīng)力Ti下進(jìn)行的實(shí)際試驗(yàn)時(shí)間與前i-1級(jí)應(yīng)力下的試驗(yàn)時(shí)間有關(guān)。如果把前i-1級(jí)應(yīng)力下所進(jìn)行的試驗(yàn)都相應(yīng)地看作是第i級(jí)應(yīng)力下的試驗(yàn)，那么就必須把前i-1級(jí)應(yīng)力下的試驗(yàn)時(shí)間用上面的時(shí)間折算公式分別折算到第i級(jí)應(yīng)力下的相應(yīng)試驗(yàn)時(shí)間，這樣第i級(jí)應(yīng)力Ti下產(chǎn)品的實(shí)際試驗(yàn)時(shí)間τi應(yīng)是這些試驗(yàn)時(shí)間的累積，再加上試驗(yàn)時(shí)間ti即：

同樣，利用時(shí)間折算方法，可以將步進(jìn)應(yīng)力所用的時(shí)間折算到任一恒定應(yīng)力條件下所用的時(shí)間。

2.2 利用HALT數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)

在引信的HALT完成后，可以用HALT中發(fā)現(xiàn)的失效來跟蹤引信壽命周期中的類似失效。一旦發(fā)現(xiàn)了某個(gè)失效，那么此失效的加速因子就可以根據(jù)應(yīng)力水平和時(shí)間很容易地計(jì)算出來，我們也可以了解同樣的環(huán)境中出現(xiàn)同類失效的時(shí)間。通過對(duì)不同的幾個(gè)產(chǎn)品完成這些工作后，就可以建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)并利用HALT結(jié)果來進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)于新的同類引信的失效，可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢并獲得達(dá)成此失效的時(shí)間。

3 小子樣引信的壽命評(píng)估

引信在研制過程中，其樣本量較少，利用傳統(tǒng)的加速壽命試驗(yàn)，不僅需要較長(zhǎng)的時(shí)間，而且壽命評(píng)估的置信度較低。

當(dāng)引信樣本量較小時(shí)，可采用改進(jìn)的恒定加速壽命試驗(yàn)方法。為了增加試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，將試驗(yàn)樣本分成兩份，采用雙箱對(duì)比試驗(yàn)，且兩箱中的溫度應(yīng)力不同[10]。根據(jù)對(duì)某電子引信進(jìn)行HALT，可確定其最高溫度應(yīng)力為140℃，因此可將兩箱中的溫度分別設(shè)置為T1=120℃，T2=140℃。根據(jù)Arrhenius公式，T2相對(duì)于T1的加速因子為：

式中，L1、L2為引信分別在T1=120℃，T2=140℃溫度應(yīng)力下失效的平均時(shí)間。

通過對(duì)引信進(jìn)行兩個(gè)溫度下的加速壽命試驗(yàn)，得到產(chǎn)品在兩種溫度條件下的平均壽命分別為L(zhǎng)1、L2，根據(jù)式（6）計(jì)算出B，從而可以計(jì)算出在較高溫度（140℃或120℃）條件下較常溫（25℃）條件下的加速因子AF，進(jìn)而計(jì)算出產(chǎn)品在常溫條件下的中位壽命。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)HALT在引信壽命評(píng)估中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，HALT在引信壽命評(píng)估方面的應(yīng)用包括兩個(gè)方面，即利用HALT改進(jìn)加速壽命試驗(yàn)和利用HALT數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)失效。并利用改進(jìn)的加速壽命試驗(yàn)對(duì)小子樣條件下的引信壽命評(píng)估方法進(jìn)行了研究，能夠在小子樣條件下計(jì)算出引信的中位壽命。

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