本发明涉及设备加速试验相关
技术领域：
，特别是指一种电子装备多因素加速因子计算方法。
背景技术：
：现代科学技术的发展和工业水平的提高，加快了电子装备的材料、元器件和工艺质量以及可靠性的改进速度，并且对可靠性试验技术也提出了新要求。因此，如何评估高可靠、长寿命产品的可靠性是目前可靠性工程领域亟待解决的重要问题。对于平均故障间隔时间(mtbf，meantimebetweenfailure)长达数千甚至上万小时的产品，进行传统的可靠性试验无论是从周期上，还是经费上都是无法承受的。所以，为了探索更加高效的方法以获取高可靠电子装备，迫切需要研究加速可靠性试验方法。目前的加速试验主要为基于模型的试验方法，所用的模型包括物理模型和统计模型。但该方法的应用受到加速模型的限制，只适用于元器件及材料级产品。而对于电子装备，由于其包含大量的器件和材料，结构较为复杂。并且在其全寿命周期内经历的任务阶段及面临的环境因素多样，包括自然环境因素、诱发环境因素以及通电工作应力的共同作用，并且不同部件的环境敏感应力不同，导致多因素综合作用对电子装备的失效模式和失效机理的影响更为复杂。为满足装备的研制要求，开展多因素加速可靠性试验是一个必然发展趋势，其中的一个关键技术是解决电子装备在温度、湿度、振动、电应力及其组合模型等多应力条件下的加速因子计算难题。因此，在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：当前的加速寿命试验针对结构以及寿命影响因素复杂的电子设备难以获得准确有效的加速因子。技术实现要素：有鉴于此，本发明的目的在于提出一种电子装备多因素加速因子计算方法，能够根据失效机理以及应力作用方式的不同，提出不同的应力损伤模型，进而计算得到准确有效的加速因子，为后续相关的加速试验提供可靠的依据和前提。基于上述目的本发明提供的一种电子装备多因素加速因子计算方法，包括：针对影响电子设备寿命的不同因素，分别构建单点应力损伤模型并且计算得到对应的加速因子；基于电子装备的特点以及单点应力损伤模型，构建整个电子装备基于竞争失效的故障模型；基于构建的竞争失效故障模型，根据统计等效原则计算得到电子装备的加速因子。可选的，所述构建单点应力损伤模型并且计算得到对应的加速因子的步骤包括：若失效是由于单因素单失效机理的应力导致的，则需要计算单应力条件下的加速因子；其中，对于温度应力，通过阿伦尼斯模型得到温度应力对应的加速模型；对于温度循环应力，利用manson-coffin模型计算得到加速因子；对于振动应力，通过逆幂律模型计算得到加速因子；对于腐蚀模型，通过法拉第定理及腐蚀损伤相等原则，计算得到加速因子。可选的，所述构建单点应力损伤模型并且计算得到对应的加速因子的步骤包括：若失效是由单点的不同失效机理在独立条件下导致的，则所述构建单点多应力失效机理独立损伤模型并且计算得到对应的加速因子的步骤包括：采用miner损伤累积法则构建不同失效机理对该单点的累积损伤模型；计算表达式如下：其中，d为多应力损伤量，l为应力的种类数，ti为第i种应力损耗的寿命，ti为第i种应力的寿命；在多应力独立作用下，计算单点多应力独立累积损伤下的第一单点寿命值；在多应力独立加速条件下，计算单点多应力独立累积损伤在加速条件下的第二单点寿命值；将第一单点寿命值除以第二单点寿命值，计算得到单点多应力失效机理独立损伤加速因子。可选的，当失效形式为电子装备互联部位的热疲劳失效和振动疲劳失效，得到累积损伤模型，计算表达式为：d＝dc+df＝1；其中，tc为热循环应力c单独作用下的应力损伤寿命；tf为振动应力f单独作用下的应力损伤寿命；在双应力独立作用下，互联部位的应力损伤寿命t为：在多应力加速条件下，热循环应力c及振动应力f对应的加速因子分别为ac，af，则互联部位等效加速寿命ta为：对于互联部位热循环应力和振动应力累积损伤失效情况，其加速因子计算式为：可选的，所述构建单点应力损伤模型并且计算得到对应的加速因子的步骤包括：若失效是由单点的不同失效机理相互耦合导致的，则所述构建单点多应力失效机理耦合损伤模型并且计算得到对应的加速因子的步骤包括：根据单点多应力失效机理耦合条件下的应力损伤机理，构建耦合条件下的累积损伤模型；在多应力耦合作用下，计算单点多应力耦合累积损伤下的第三单点寿命值；在多应力耦合加速条件下，计算单点多应力耦合累积损伤在加速条件下的第四单点寿命值；将第三单点寿命值除以第四单点寿命值，计算得到单点多应力失效机理耦合损伤加速因子。可选的，当失效形式为电子装备合金结构的疲劳-蠕变失效时，耦合条件下的累积损伤模型为：d＝dc+df＝dcr；其中：tc为蠕变应力c作用下的应力损伤寿命；tf为疲劳应力f作用下的应力损伤寿命；dcr表示临界总损伤，当d>dcr时发生失效；当d<dcr结构处于安全状态；基于最简单的累积损伤理论认为总损伤达到1时结构失效，但实验发现临界损伤并不等于1，其数值与损伤应力的施加顺序有关；在双应力耦合作用下，电子装备合金结构的应力损伤寿命t为：并设在多应力耦合加速条件下，蠕变应力c及疲劳应力f对应的加速因子分别为ac，af，则合金结构等效加速寿命ta为：对于电子装备合金结构疲劳-蠕变应力耦合累积损伤失效情况，其加速因子计算式为：可选的，所述构建基于竞争失效的故障模型的步骤还包括：基于竞争失效模型，在已知组成电子装备部件、器件等单点寿命分布及其参数的情况下，综合底层信息计算电子装备整机的寿命分布及其参数。可选的，所述构建基于竞争失效的故障模型的步骤还包括：通过构建的竞争失效故障模型，基于电子装备在加速状态下的失效与自然贮存失效的等效关系，获取其的加速因子；对于电子装备，其组成部件、器件的寿命分布为逆高斯分布，其平均无故障工作时间为：ti＝μi；系统的平均寿命计算式为：在加速条件下，系统的等效加速寿命为：其中，μa为电子装备在多应力加速条件下的等效加速寿命；a为电子装备的加速因子；μs表示电子装备实际使用条件下平均寿命；μi表示电子装备所包含失效单点i下的平均寿命；ai为失效单点i多应力加速条件加速因子，n为电子装备所包含的失效单点数量；计算得出逆高斯(ig)寿命分布电子装备的加速因子为：从上面所述可以看出，本发明提供的电子装备多因素加速因子计算方法，针对于当前结构及失效模式复杂的电子装备，通过在温度、湿度、振动以及电应力及其组合等各种应力条件下的失效机理和形式进行分析和构建相应的应力失效模型，进而能够根据不同的因素以及相应的故障模型，相应的根据系统的寿命模型计算得到电子装备的加速因子，使得计算得到的加速因子完全适用于整机装备的加速试验，从而克服不同部件之间的失效差异，进而使得电子装备的加速试验更加准确、可靠。附图说明图1为本发明提供的电子装备失效机理及失效模式的相互关系的示意图；图2为本发明提供的电子装备多因素加速因子计算方法的一个实施例的流程图；图3为本发明提供的单点多应力失效机理独立条件下累积损伤加速因子计算的流程图；图4为本发明提供的单点多应力失效机理耦合条件下累积损伤加速因子计算的流程图；图5为本发明提供的电子装备多应力加速因子计算综合方案示意图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”“第三”“第四”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。本申请针对当前加速试验中整机设备例如整机电子设备难以准确计算得到加速因子的问题，提出一种多因素情况下计算加速因子的方法。而为了更加清楚的理解本申请方案的特点及效果，首先需要分析设备失效机理以及相应损伤模型。参照图1所示，为本发明提供的电子装备失效机理及失效模式的相互关系的示意图。由图可知，电子装备失效的应力、失效模式及失效机理之间呈现如下关联映射关系：应力→失效机理→失效模式。这种关联映射关系不是单纯的直线关系，例如：敏感应力2经由失效机理m导致失效模式2发生；敏感应力1经由失效机理1导致失效模式1发生；而应力2和应力m共同作用经由失效机理2同样也可导致失效模式1发生。所以电子设备最终的失效是由多种可能的因素导致的。而为进行电子装备多应力加速因子计算，首选需要建立多因素应力损伤模型。申请人发现，典型电子装备多应力损伤可分为单点应力损伤模型和系统应力损伤模型。对于单点损伤模型，需要分为两种情况：1)失效点的失效是由于单因素单失效机理的应力损伤作用；2)失效点的失效是多因素多失效机理的应力损伤作用。对于单点多因素应力损伤，又可分为两种情况：1)如果假设各种失效机理之间互相独立，不发生相互影响，需要采用损伤累计方法来处理；2)如果考虑不同失效机理的耦合作用，需要采用考虑耦合项的多因素应力累积损伤加速因子综合方法。对于电子装备系统，由于考虑的是多个失效点的应力损伤的综合，需要采用故障竞争方法来处理。参照图2所示，为本发明提供的电子装备多因素加速因子计算方法的一个实施例的流程图。所述电子装备多因素加速因子计算方法包括：步骤101，针对影响电子设备寿命的不同因素，分别构建单点应力损伤模型并且计算得到对应的加速因子；也即任何系统首先是由单点构成，所以先构建并计算单点的加速因子，而且需要针对不同的影响因素分析分析计算。步骤102，基于电子装备的特点以及单点应力损伤模型，构建整个电子装备基于竞争失效的故障模型；通过竞争失效的模式使得整个电子装备中的单点相互关联起来，然后得到适用于整个电子装备的故障模型。步骤103，基于构建的竞争失效故障模型，根据统计等效原则计算得到电子装备的加速因子。由上述实施例可知，所述电子装备多因素加速因子计算方法针对于当前结构及失效模式复杂的电子装备，通过在温度、湿度、振动以及电应力及其组合等各种应力条件下的失效机理和形式进行分析和构建相应的应力失效模型，进而能够根据不同的因素以及相应的故障模型，相应的根据系统的寿命模型计算得到电子装备的加速因子，使得计算得到的加速因子完全适用于整机装备的加速试验，从而克服不同部件之间的失效差异，进而使得电子装备的加速试验更加准确、可靠。在本申请一些可选的实施例中，若失效点的失效是由于单因素单失效机理的应力损伤作用导致的，则只需开展各单应力条件下的加速因子测定即可。其中，典型的单因素应力损伤机理包括高分子材料的老化、焊点的热疲劳、结构的振动疲劳及金属材料的腐蚀等。因此，本申请以温度应力、温度循环应力、振动应力以及腐蚀应力为例进行计算说明。其中，温度应力对应加速因子的测定包括：瑞典物理学家svantearrhenius研究了温度激发类化学过程，在研究温度对酸催化蔗糖水解转化反应的基础上总结出：某产品的性能退化速率与激活能的指数成反比，与温度倒数的指数成反比，在大量数据的基础上总结出了著名的经验公式，即阿伦尼斯模型：ξ＝aee/kt(1)其中，ξ为产品寿命特征，如平均寿命、中位寿命、特征寿命等；a是未知常数；e表示产品激活能，与材料有关；k为波尔兹曼常数，值为8.617×10-5ev/k；t为绝对温度，单位为k。阿伦尼斯模型主要用于以温度为加速应力的加速寿命试验的数据分析，可以将模型两边取对数，进一步得到加速模型lnξ＝a+bt(2)其中，a＝lna，b＝e/k都是未知参数，需要进行估计或者根据经验设置。阿伦尼斯模型表明寿命特征的对数是温度倒数的线性函数。该模型在电子产品的加速寿命试验中得到了广泛的应用。但是，这种模型只考虑了温度应力对物质的化学及物理性质变化的影响，因此仅适用于单应力加速。可选的，除了通过加速寿命试验获得产品的激活能外，还可以采用基于热分析技术的测试得到产品的激活能。例如，利用动态热机械分析仪得到的高分子材料试件的测试频率f和相应的玻璃化转变温度tg，两者的关系遵循wlf方程：其中，r为理想气体常数，取值为8.345j/mol/k；c为常数。将f、tg等试验数据带入进行回归分析，便可计算得到激活能e。在另一些可选的实施例中，针对于温度循环应力，其加速因子的测定方法包括：温度循环最常用的加速模型是coffin－manson模型，其加速因子是其中，δt1，δt2为不同的温度变化幅值，q是与失效机理有关的常数，常见的q值见表1所示。表1材料加速系数表材料q柔性材料、焊锡1～3硬的合金材料3～5易碎的材料，si，sio2，si3n46～9进一步，由于coffin－manson的温度循环加速因子只考虑了温度变化幅值，而未考虑温度变化速率，因此，可以对coffin－manson模型进行修正。其中，t为温度；f为使用频率；n一般取1.9；m为0.3333，tmax1、tmax2为温度循环中最高温度。在一些可选的实施例中，振动应力加速因子的测定方法包括：加速振动应力的选取原则是在加严应力下产品出现的故障模式和机理与正常应力下一致，即不会因为振动应力量级的加大而导致新的失效模式和机理产生。在产品研制中，环境鉴定试验即产品的功能和耐久振动试验是产品经受的最大振动量级，在加速试验方案中振动应力的选取应保证不产生故障模式和机理的变化以及过应力试验。振动应力的加严是通过统一提高功率谱密度曲线来实现的，即不改变振动能量的频率分布。mil-std-810g中的振动疲劳等价折算公式与gjb1032中的振动等价折算公式的表达式是：式中，w和w'分别是折算前和折算后的振动功率谱密度，t和t'分别是折算前和折算后的振动时间。在一些可选的实施例中，腐蚀应力加速因子的测定方法包括：基于绝大多数金属腐蚀是由电化学反应引起的，金属在水中阳极反应的通式为：与此同时，在金属上留下等量的电子从阳极流向阴极，中性或碱性溶液中生成在酸性溶液中反应为：有上式可知，腐蚀总是伴随着离子迁移。电化学作用时间越长，离子迁移越多，腐蚀越严重。金属电化腐蚀过程需要适当厚度的水膜。水膜只有几个分子厚时，腐蚀速度极小；当水膜厚度增加为100a～1μm时，腐蚀速度逐渐增加；当水膜厚度为1μm～1mm时腐蚀速度增至最大；当水膜厚增至几百微米时，由于氧扩散变得困难，腐蚀速度下降。利用电化学原理如faraday定律，按腐蚀损伤相等原则，将不同温度、湿度、介质浓度，折算到某一试验室便于实现的条件上，起到加速腐蚀作用。对应的计算公式为：式中，v表示腐蚀速率，um/a；ik表示腐蚀电流密度，单位为ua/cm2；m为被氧化元素的摩尔质量，单位为g/mol；d表示被氧化元素的密度。通过测定不同温度、湿度下典型金属材料腐蚀电流来建立不同组合对应的当量折算系数。最终计算得到加速腐蚀速率，也即加速因子。参照图3所示，为本发明提供的单点多应力失效机理独立条件下累积损伤加速因子计算的流程图。若失效是由单点的不同失效机理在独立条件下导致的，则所述构建单点多应力失效机理独立损伤模型并且计算得到对应的加速因子的步骤包括：步骤201，采用miner损伤累积法则构建不同失效机理对该单点的累积损伤模型；步骤202，在多应力独立作用下，计算单点多应力独立累积损伤下的第一单点寿命值；步骤203，在多应力独立加速条件下，计算单点多应力独立累积损伤在加速条件下的第二单点寿命值；步骤204，将第一单点寿命值除以第二单点寿命值，计算得到单点多应力失效机理独立损伤加速因子。具体的，若失效点的失效是多因素多失效机理的应力损伤作用，并且各种失效机理之间互相独立，不发生相互影响，可以采用损伤累计方法来计算失效点的加速因子。典型的单点多应力失效机理独立条件下的应力损伤机理包括电子装备互联部位的热疲劳失效和振动疲劳失效两种机理造成的损伤等。在多应力损伤作用下，电子装备的失效过程可以看作是损伤程度趋于临界损伤值的累积过程，不同环境应力都会对电子装备产生影响，都会对产品的最终失效做出“贡献”，而且这一点点的损伤不断累积起来，直至电子产品最终失效。如果认为每一环境应力对电子产品的损伤量只与最终损伤量的大小有关，而与应力本身无关，则最终仅考虑损伤量的叠加效应，这就是损伤累积假设。对于同一失效点发生的不同失效机理，需要考虑各种应力对该位置点造成的综合损伤，进行损伤累积，获得该潜在失效点的总损伤量。具有代表性的是miner的线性累积损伤法则，参见式(21)。损伤累积分析的结果是产品在给定时间内，各潜在点的累积损伤量。当累积损伤量达到1时，失效就会发生。因此，可以进一步计算得到该产品中各潜在失效点的失效时间。其中，d为多应力损伤量，l为应力的种类数，ti为第i种应力损耗的寿命，ti为第i种应力的寿命。以电子装备互联部位的热疲劳失效和振动疲劳失效为例，其累积损伤模型表述为：d＝dc+df＝1(22)其中：tc为热循环应力c单独作用下的应力损伤寿命；tf为振动应力f单独作用下的应力损伤寿命。因此，在双应力独立作用下，互联部位的应力损伤寿命t为：在多应力加速条件下，热循环应力c及振动应力f对应的加速因子分别为ac，af，则互联部位等效加速寿命ta为：因此，对于互联部位热循环应力和振动应力累积损伤失效情况，其加速因子计算式为：参照图4所示，为本发明提供的单点多应力失效机理耦合条件下累积损伤加速因子计算的流程图。若失效是由单点的不同失效机理相互耦合导致的，则所述构建单点多应力失效机理耦合损伤模型并且计算得到对应的加速因子的步骤包括：步骤301，根据单点多应力失效机理耦合条件下的应力损伤机理，构建耦合条件下的累积损伤模型；步骤302，在多应力耦合作用下，计算单点多应力耦合累积损伤下的第三单点寿命值；步骤303，在多应力耦合加速条件下，计算单点多应力耦合累积损伤在加速条件下的第四单点寿命值；步骤304，将第三单点寿命值除以第四单点寿命值，计算得到单点多应力失效机理耦合损伤加速因子。具体的，若失效点的失效是多因素多失效机理的应力损伤作用，并且各种失效机理具有相互耦合的作用，则不能简单用各个应力造成的损伤简单叠加来描述，进而需要研究耦合失效的问题，计算多应力失效机理耦合条件下单点的加速因子。典型的单点多应力失效机理耦合条件下的应力损伤机理包括电子装备金属材料的腐蚀-疲劳失效，以及疲劳-蠕变失效等。以电子装备合金结构的疲劳-蠕变失效为例，可以将耦合条件下的累积损伤模型表述为：d＝dc+df＝dcr(27)其中：tc为蠕变应力c作用下的应力损伤寿命；tf为疲劳应力f作用下的应力损伤寿命。其中，dcr表示临界总损伤，当d>dcr时发生失效；d<dcr结构处于安全状态。最简单的累积损伤理论认为总损伤达到1时结构失效，但是实验发现临界损伤并不等于1，其数值与损伤应力的施加顺序有关。因此，在双应力耦合作用下，电子装备合金结构的应力损伤寿命t为：在多应力耦合加速条件下，蠕变应力c及疲劳应力f对应的加速因子分别为ac，af，则合金结构等效加速寿命ta为：因此，对于电子装备合金结构疲劳-蠕变应力耦合累积损伤失效情况，其加速因子计算式为：可以看出，单点多应力失效机理耦合条件下累积损伤加速因子计算式，与单点多应力失效机理耦合条件下累积损伤加速因子综合计算式相同。在本申请一些可选的实施例中，所述构建基于竞争失效的故障模型的步骤还包括：基于竞争失效模型，在已知组成电子装备部件、器件等单点寿命分布及其参数的情况下，综合底层信息计算电子装备整机的寿命分布及其参数。其中，对于电子装备，由于其包含大量的非金属材料，电子元器件，结构较为复杂。因此，电子装备可以认为是由多个单点组成的一个系统。对于包含多个失效单点的电子装备系统，可以认为各个单点的失效之间是竞争关系，在相同的工作环境条件作用下，具有最短失效时间的失效单点的失效时间就是电子装备的寿命。竞争性故障模型可定义为，如果系统有k种失效方式，而每一种失效方式都独立的作用于系统，且都对应一定的失效时间，其中任何一种失效都会引起系统失效，在所有的失效中，最早产生的那种失效出现时，将导致系统失效，即失效因素t：t＝min{t1,t2,...,tn}(31)任一个失效因素起作用时，对应的可靠度为其中，λi(t)是对应第i个失效因素的失效率。当n个因素同时起作用时，系统的可靠度为：整机的总失效率将是对应时刻t的n个独立的失效率之和，即λ(t)＝λ1(t)+λ2(t)+...+λn(t)(34)对于电子装备，其组成部件、器件的寿命分布为逆高斯分布，其平均无故障工作时间为：ti＝μi；系统的平均寿命计算式为：在加速条件下，系统的等效加速寿命为：其中，μa为电子装备在多应力加速条件下的等效加速寿命；a为电子装备的加速因子；μs表示电子装备实际使用条件下平均寿命；μi表示电子装备所包含失效单点i下的平均寿命；ai为失效单点i多应力加速条件加速因子，n为电子装备所包含的失效单点数量；由上式，计算得出逆高斯寿命分布电子装备的加速因子为：也即最终计算得到电子设备的加速因子。参照图5所示，为本发明提供的电子装备多应力加速因子计算综合方案示意图。本申请针对于电子装备在其全寿命周期内经历的任务阶段及面临的环境因素多样的特点，在单点单因素应力损伤加速因子计算方法的技术上，首次提出了单点多应力失效机理独立条件下累积损伤加速因子计算方法及单点多应力失效机理耦合条件下累积损伤加速因子计算方法；同时，针对目前加速试验由于受到加速模型的限制，只适用于元器件及材料级产品的问题，本申请提出了基于竞争失效的系统多应力加速因子综合计算方法，为开展结构复杂电子装备整机加速试验奠定基础。因此，本申请至少包括以下优点：(1)对于mtbf长达数千小时的产品，进行传统的可靠性试验无论是从周期上，还是经费上都是无法承受的。本申请提出的一种电子装备多因素加速因子综合计算方法，为开展电子装备的可靠性加速试验奠定了基础，在提高可靠性试验效果的同时短试验时间、降低试验费用，具有很高的工程应用价值。(2)通过计算电子装备在温度、湿度、振动、电应力及其组合模型等多应力条件下的加速因子，可以为开展电子装备整机加速试验奠定基础。克服了目前基于模型的加速寿命试验方法需要产品结构简单、具有单一失效模式及失效机理，只适用于元器件及材料级产品的限制。电子装备整机加速试验中各器件及材料的边界条件更为真实，因而试验结果更为真实可信。所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12