专利名称：一种基于物理模型的陀螺贮存寿命加速试验方案确定方法
技术领域：
本发明提出一种基于物理模型的陀螺贮存寿命加速试验方案确定方法，特别涉及一种陀螺贮存寿命加速试验方案的确定方法，属于贮存寿命设计及试验的可靠性技术领域。
背景技术：
陀螺是惯性导航系统的核心元件。陀螺的工作精度、制造成本、可靠性和稳定性，是决定惯性导航系统工作精度、制造成本、可靠性和稳定性的最重要因素之一。对比现有各种常用陀螺特性，动力调谐陀螺仪(Dynamically Tuned Gyro,以下简称DTG)以其结构简单，抗冲击能力强，可靠性高，寿命长等优点广泛使用于航空航天、船舶、智能机器人领域。
陀螺产品制造精度高，具有高可靠性，贮存寿命长等特点，如果在正常贮存条件下进行寿命试验，试验时间和试验费用往往是不可接受的。所以，为评定陀螺产品的贮存寿命，进行贮存寿命加速试验就成了必然选择。对于陀螺产品贮存寿命加速试验是指陀螺经历了加速稳定阶段，在正常贮存条件下，保持陀螺参数在多环境因素作用下时变机理一致的情况下，利用比通常条件更严酷的环境条件或工作应力，加速陀螺性能参数的变化，以便在短时间内获得必要的信息，确定其参数变化的轨迹，从而通过外推的方法来评估陀螺在正常应力条件下的贮存寿命的过程。加速试验方案包括应力水平，样本量，测试间隔和总的测试时间等要素。不同的加速退化试验方案得到的可靠性及评估结果有很大区别，试验费用也各不相同。如何设计试验方案使试验评价结果最准确。试验代价最小，是加速试验应用中面临的一个重要问题。现在工程中常用的加速寿命试验或加速退化试验一般采用经验或摸底试验的方法对加速试验的加速因子进行估计，确定试验时间，进而得到试验方案。这种加速试验设计方法很难对加速因子进行准确估计，特别对于新产品，缺乏相似产品的试验数据，设计得到的加速试验时间要么过长，造成费用的浪费，要么过短，产品参数还未发生明显变化。所以，工程上需要提出一种新的加速试验设计方法，在试验前对加速试验加速因子进行较准确估计，从而准确的设计试验时间。
发明内容
针对陀螺产品本身具有高可靠长寿命的特点，和工程上需要对加速因子进行更加准确估计的情况。本发明实施例提供了一种基于物理模型的陀螺贮存寿命加速试验方案确定方法。本发明提出一种基于物理模型的陀螺加速寿命试验方案确定方法的目的是弥补一般加速试验，只能利用摸底试验或在试验后才能求解加速因子，从而导致试验时间设计往往不准确的不足，从而在试验前对加速试验加速因子进行较准确估计。以陀螺参数的物理模型为基础，利用机理解析的方法对一定温度下加速试验的加速因子进行求解，并利用其设计加速试验方案。
本方法首先根据陀螺相关变化机理研究，给出的以阿伦尼斯模型为基础的陀螺参数加速变化的物理模型，并确定其参数；然后根据陀螺产品制造的分散系数和试验加载应力的情况，确定加速试验的分散系数；再次根据物理模型和参数失效阈值推导其不同温度下的加速因子估计值；最后根据加速因子确定需要验证贮存寿命的加速试验时间，及其它加速试验方案的要素。本发明提出的陀螺加速试验方案确定方法能够成立所需要的假设(这些条件是加速退化试验能够进行的前提假设，只有这些假设成立，试验才能进行)如下假设I、陀螺各参数均具有可退化性，且各参数的加速变化模型(物理模型)能够很好地拟合该参数的变化轨迹。假设2、陀螺在进行高温加速退化试验过程中保持失效机理不变，且与正常使用环境下的失效机理相同。
基于上述假设，本发明提出一种基于物理模型的陀螺加速寿命试验方案确定方法，如图I所示，该方法具体步骤如下步骤一根据陀螺参数变化机理研究结果推导得到参数的加速变化的物理模型。由于本加速试验主要研究陀螺贮存寿命，加速应力仅限于高温，所以主要利用阿伦尼斯模型对各参数建立加速变化的物理模型；步骤二 根据陀螺产品制造的分散系数和试验加载应力的情况，确定加速试验的分散系数，从而使步骤四中确定加速试验时间时，更加准确；步骤三以步骤一中的陀螺参数物理模型为基础，引入各参数的失效阈值，同时带入不同的加速试验温度以求解得到该试验温度下的加速因子估计值；步骤四根据步骤三中得到的不同温度下的加速因子，可求得不同温度下陀螺一定贮存寿命对应所需要的加速试验时间，并在此基础上对加速验证试验的应力水平，样本个数，观测点个数和具体试验剖面进行设计；其中，在步骤一中所述的“阿伦尼斯模型”是D=A0exp [- Δ E/ (kT)]式中,D为退化特征值,Atl为常数，k为波尔兹曼常数,Λ E为失效机理激活能,T为绝对温度。该模型反映了产品参数特征值与施加应力(温度)之间的关系，且在此模型基础上，可方便的求解加速因子，具体求解方法会在后面的步骤中介绍。其中，在步骤一中所述的根据陀螺参数变化机理研究结果推导得到参数的加速变化的物理模型，其推导方法及过程如下a.对陀螺参数代表的物理含义和产生部分结构和工作原理进行分析，分析那些部件发生改变会对该参数产生影响，即分析内部变化会对参数变化产生的影响。b.对贮存条件下陀螺参数误差变化机理分析。在贮存条件下，即在不通电密封存放条件下，湿度、气压、电应力、磁场等外界环境应力对参数产生的影响。c.根据以上分析，找到误差来源的关键机理，从底层模型逐步推导该参数的物理模型。如参数力矩器标度因数，影响其变化主要机理是力矩器线圈结构不稳定及永磁体磁性变化。在贮存条件下，即在不通电密封存放条件下，湿度、气压、电应力、磁场等外界环境应力一般不会对陀螺力矩器标度因数产生影响，主要考虑贮存过程中的环境温度及时间变化对其误差参数的影响。而力矩器永磁体磁性变化模型为如下公式
权利要求
1.一种基于物理模型的陀螺加速寿命试验方案确定方法，假设陀螺各参数均具有可退化性，且各参数的加速变化模型即物理模型能够很好地拟合该参数的变化轨迹；陀螺在进行高温加速退化试验过程中保持失效机理不变，并与正常使用环境下的失效机理相同，其特征在于该方法具体步骤如下 步骤一根据陀螺参数变化机理研究结果推导得到参数的加速变化的物理模型；由于本加速试验主要研究陀螺贮存寿命，加速应力仅限于高温，所以主要利用阿伦尼斯模型对各参数建立加速变化的物理模型； 步骤二 根据陀螺产品制造的分散系数和试验加载应力的情况，确定加速试验的分散系数，从而使下述步骤四中确定加速试验时间时，更加准确； 步骤三以步骤一中的陀螺参数物理模型为基础，引入各参数的失效阈值，同时带入不同的加速试验温度以求解得到该试验温度下的加速因子估计值； 步骤四根据步骤三中得到的不同温度下的加速因子，求得不同温度下陀螺一定贮存寿命对应所需要的加速试验时间，并在此基础上对加速验证试验的应力水平,样本个数,观测点个数和具体试验剖面进行设计。
2.根据权利要求I所述的一种基于物理模型的陀螺加速寿命试验方案确定方法，其特征在于在步骤一中所述的“阿伦尼斯模型”是D=A0exp [- Δ E/ (kT)] 式中，D为退化特征值，A0为常数，k为波尔兹曼常数,Δ E为失效机理激活能，T为绝对温度；该模型反映了产品参数特征值与施加应力即温度之间的关系，且在此模型基础上，能方便的求解加速因子。
3.根据权利要求I所述的一种基于物理模型的陀螺加速寿命试验方案确定方法，其特征在于在步骤一中所述的根据陀螺参数变化机理研究结果推导得到参数的加速变化的物理模型，其推导方法及过程如下 a.对陀螺参数代表的物理含义和产生部分结构和工作原理进行分析，分析那些部件发生改变会对该参数产生影响，即分析内部变化会对参数变化产生的影响； b.对贮存条件下陀螺参数误差变化机理分析；在贮存条件下，即在不通电密封存放条件下，湿度、气压、电应力和磁场外界环境应力对参数产生的影响； c.根据以上分析，找到误差来源的关键机理，从底层模型逐步推导该参数的物理模型。
4.根据权利要求I所述的一种基于物理模型的陀螺加速寿命试验方案确定方法，其特征在于在步骤二中所述的确定加速试验的分散系数，其具体做法如下 试验分散系数考虑的分散性主要有两方面一是产品试验应力和产品工作应力或实际贮存应力的差异带来的寿命分散；二是结构材料和制造质量不同造成的寿命分散；若分别以&与Kd表示应对应的分散系数和结构材料与制造质量对应的分散系数，则 K=Kl · Kd 其中，在确定试验应力后，确定I ;而产品结构材料和制造质量的分散系数Kd是根据实际使用情况和历史数据给出。
5.根据权利要求I所述的一种基于物理模型的陀螺加速寿命试验方案确定方法，其特征在于在步骤三中所述的根据步骤一中参数物理模型为基础，引入各参数的稳定性阈值，同时带入不同的加速试验温度以求解得到该试验温度下的加速因子估计值，其求解加速因子估计值，其具体做法如下 在步骤三中所述的根据步骤一中参数物理模型为基础，引入各参数的失效阈值，同时带入不同的加速试验温度以求解得到该试验温度下的加速因子估计值，其求解加速因子估计值的具体做法如下 а.在加速退化问题中，加速因子的定义为对给定的退化量a>0，在应力水平Si,Sj(i幸j)下，产品的a退化累积时间分别为tai，，则称
6.根据权利要求I所述的一种基于物理模型的陀螺加速寿命试验方案确定方法，其特征在于在步骤四中所述的根据步骤三中得到的不同温度下的加速因子，求得不同温度下陀螺需要保证的贮存寿命对应所需要的加速试验时间，其求得的方法如下 在步骤四中所述的根据步骤三中得到的不同温度下的加速因子，求得不同温度下陀螺需要保证的贮存寿命对应所需要的加速试验时间，其求得的方法如下 假设所需验证的陀螺贮存寿命时间为tK，加速因子为h (a)，K为步骤二中的试验分散系数，则其该温度下的加速试验时间为
7.根据权利要求I所述的一种基于物理模型的陀螺加速寿命试验方案确定方法，其特征在于在步骤四中所述的对加速验证试验的应力水平，样本个数，观测点个数的设计方法如下 在步骤四中所述的对加速验证试验的应力水平，样本个数，观测点个数的设计方法如下 a.由于本加速寿命试验为验证试验，主要目的是验证参数加速变化的物理模型是否符合变化规律，所以为验证模型的目的，仅需在I个温度下进行加速验证试验，且该温度应为陀螺保持失效机理一致性的最高极限温度； b.由于陀螺加工精度很高，各参数变化分散性很小，且陀螺样件制作成本很高，所以每个温度下仅需放置广3个样本满足试验要求； c.观测点设置时，主要依据是该温度下的试验时间和测试所需的时间；观测点选取等间隔分布，且为能够描绘参数退化轨迹，要求总的观测点不少于15个。
全文摘要
一种基于物理模型的陀螺加速寿命试验方案确定方法，其步骤如下一根据陀螺参数变化机理研究结果推导得到参数的加速变化的物理模型；二根据陀螺产品制造的分散系数和试验加载应力的情况，确定加速试验的分散系数，从而使步骤四中确定加速试验时间时，更加准确；三以步骤一中的陀螺参数物理模型为基础，引入各参数的稳定性阈值，同时带入不同的加速试验温度以求解得到该试验温度下的加速因子估计值；四根据步骤三中得到的不同温度下的加速因子，求得不同温度下陀螺稳定期对应所需要的加速试验时间，并在此基础上对加速验证试验的应力水平，样本个数，观测点个数和具体试验剖面进行设计。该方法能估计试验所需时间，试验设计方案合理可信。
文档编号G01C25/00GK102778240SQ20121024506
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者康锐, 张辉睿, 许丹, 陈云霞 申请人:北京航空航天大学