一种基于累积损伤模型的可靠性试验加速因子计算方法与流程

本发明属于军用电子产品可靠性试验验证技术领域，具体涉及一种基于累积损伤模型的可靠性试验加速因子计算方法。

背景技术：

目前，由于军用武器装备设计技术的发展和使用需求，军用武器装备，尤其是电子产品的可靠性指标越来越高，这给产品的可靠性试验验证带来了更大的挑战。现有技术中，主要是采用以gjb899a-2009《可靠性鉴定和验收试验》为代表的传统可靠性试验验证方法。对于具有较高可靠性要求的产品而言，采用上述这些方法，将会导致可靠性试验验证时间增长、试验费用增加等问题，这将会极大的影响产品的研制进度，不能满足产品可靠性试验工作的需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于累积损伤模型的可靠性试验加速因子计算方法，能够计算确定用于高可靠军用电子产品可靠性指标加速试验验证的加速因子。

本发明提供的一种基于累积损伤模型的可靠性试验加速因子计算方法，包括以下步骤：

步骤1、根据待测产品的任务书及设计规范，确定初始温度剖面、初始振动剖面及待测产品的可靠性指标要求θ0；根据待测产品的历史试验记录及振动工作极限，确定加速温度剖面及加速振动剖面；

步骤2、以初始温度剖面、加速温度剖面、初始振动剖面及加速振动剖面作为输入分别进行可靠性仿真试验，得到待测产品的初始温度剖面平均寿命、加速温度剖面平均寿命、初始振动剖面平均寿命和加速振动剖面平均寿命；根据实验结果计算得到可靠性指标实验结果θ1；

步骤3、采用疲劳累积损伤理论，根据所述初始温度剖面平均寿命、加速温度剖面平均寿命、初始振动剖面平均寿命和加速振动剖面平均寿命，计算得到初始温度剖面累积损伤、加速温度剖面累积损伤、初始振动剖面累积损伤及加速振动剖面累积损伤；

步骤4、根据所述初始温度剖面累积损伤及初始振动剖面累积损伤，采用公式(1)，计算得到初始综合应力下累积损伤值cdif；根据所述加速温度剖面累积损伤及加速振动剖面累积损伤，采用公式(1)，计算得到加速条件下综合应力下累积损伤值cdia；

0.8cdi＝cdit+cdiv(1)

其中，cdi为温度振动综合应力下累积损伤值，cdit为温度应力下累积损伤值，cdiv为振动应力下累积损伤值；

然后采用公式计算得到综合应力加速因子afcom；

步骤5、计算所述初始温度剖面平均寿命与加速温度剖面平均寿命的比值得到温度循环应力加速因子；计算所述初始振动剖面平均寿命与加速振动剖面平均寿命的比值得到振动应力加速因子；所述温度循环应力加速因子、振动应力加速因子及综合应力加速因子即为可靠性试验加速因子。

进一步地，所述步骤1中确定加速温度剖面的过程中，待测产品每个温度循环的持续时为热平衡时间、测试时间与温度变化时间的求和。

进一步地，所述步骤2中可靠性指标实验结果θ1的计算过程为：采用公式θ1＝n1×tc计算得到，其中，n1为加速条件下每个温度循环的次数，tc为每个温度循环的持续时间。

有益效果：

本发明通过采用疲劳累积损伤理论计算待测产品可靠性试验加速因子，能够有效解决现代高可靠军用电子产品试验验证与短研制周期之间的突出矛盾，提高了可靠性试验效率，最大程度地降低了军用电子产品全寿命周期研制费用，可用于电子产品可靠性加速试验方案设计及评价。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于累积损伤模型的可靠性试验加速因子计算方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供的一种基于累积损伤模型的可靠性试验加速因子计算方法，其流程如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1、根据待测产品的任务书及设计规范，确定初始温度剖面、初始振动剖面及待测产品的可靠性指标要求θ0；根据待测产品的历史试验记录及振动工作极限，确定加速温度剖面及加速振动剖面。

其中，初始温度剖面包括最高温度、最低温度及温变率；初始振动剖面包括初始振动量值、初始功率谱密度及振动持续时间。

具体来说，根据待测产品的任务书和设计规范，确定初始温度循环剖面的过程，包括确定最高温度tmax、最低温度tmin、温变率f0＝(tmax-tmin)/t等，其中t为半个温度循环所经过的时间；确定初始振动剖面的过程，包括确定振动量值grms,0、功率谱密度ω0等；确定待测产品可靠性指标要求，包括平均故障间隔时间(mtbf)θ，可靠性试验验证时间可依据gjb899a-2009《可靠性鉴定和验收试验》统计方案选取，计为θ0。

确定加速温度剖面的过程为，根据待测产品的历史试验情况和经验，确定待测产品的每个温度循环的持续时间，该持续时间可采用公式tc＝热平衡时间+测试时间+温度变化时间进行计算。确定加速振动剖面的过程为，根据产品或同类产品可靠性强化试验情况确定产品振动工作极限值，可选择产品振动工作极限的80％作为产品振动试验的加速振动量值grms,1及功率谱密度ω1。

步骤2、以初始温度剖面、加速温度剖面、初始振动剖面及加速振动剖面作为输入分别进行可靠性仿真试验，得到待测产品的初始温度剖面平均寿命、加速温度剖面平均寿命、初始振动剖面平均寿命和加速振动剖面平均寿命；根据实验结果计算得到可靠性指标实验结果θ1。

利用计算机数字建模与有限元等数值计算手段，分别分析产品承受的温度循环应力、振动应力等单应力引起的响应，通过初始环境条件和加速环境条件下单应力损伤分析确定失效机理发生的时间，分别预计初始应力和加速应力条件下产品的平均寿命，包括初始温度循环应力下产品平均寿命时间tc0，初始振动应力下产品平均寿命时间tv0，温度循环加速应力下产品平均寿命时间tc1，振动加速应力下产品平均寿命时间tv1。

然后根据实验结果计算得到可靠性指标实验结果θ1，具体过程为：采用公式θ1＝n1×tc计算得到，其中，n1为加速条件下每个温度循环的次数，tc为每个温度循环的持续时间。

步骤3、采用疲劳累积损伤理论，根据所述初始温度剖面平均寿命、加速温度剖面平均寿命、初始振动剖面平均寿命和加速振动剖面平均寿命，计算得到初始温度剖面累积损伤、加速温度剖面累积损伤、初始振动剖面累积损伤及加速振动剖面累积损伤。

根据疲劳累积损伤(miner)理论，产品在试验中的累积损伤可表示为公式(1)：

其中，cdi为待测产品在可靠性试验中的累积损伤值；tsi为应力水平si时的工作时间(或应力循环次数)；ti为应力水平si时的疲劳寿命；n为应力的数量。

将步骤2中仿真试验得到的初始条件和加速条件下的温度循环平均寿命、振动平均寿命；可靠性指标要求，即初始mtbf验证要求时间θ0；可靠性指标实验结果，即加速条件下mtbf验证时间θ1，带入公式(1)得到初始条件下温度循环累积损伤cdit0和振动累积损伤cdiv0及加速条件下温度循环累积损伤cdit1和振动累积损伤cdiv1。

步骤4、根据所述初始温度剖面累积损伤及初始振动剖面累积损伤，采用公式(1)，计算得到初始综合应力下累积损伤值cdif；根据所述加速温度剖面累积损伤及加速振动剖面累积损伤，采用公式(2)，计算得到加速条件下综合应力下累积损伤值cdia；

0.8cdi＝cdit+cdiv(2)

其中，cdi为温度振动综合应力下累积损伤值，cdit为温度应力下累积损伤值，cdiv为振动应力下累积损伤值；然后采用公式计算得到综合应力加速因子afcom。

将初始条件和加速条件下的累积损伤分别代入上式可得初始条件下的综合应力累积损伤和加速条件下的累积损伤，其中，初始条件下的综合应力累积损伤为：tcom，0为初始条件综合应力的疲劳寿命；加速条件下的累积损伤为：tcom，1为加速条件综合应力的疲劳寿命。两式相比得到：即求出了待测产品的综合应力加速因子afcom。

步骤5、计算所述初始温度剖面平均寿命与加速温度剖面平均寿命的比值得到温度循环应力加速因子；计算所述初始振动剖面平均寿命与加速振动剖面平均寿命的比值得到振动应力加速因子；所述温度循环应力加速因子、振动应力加速因子及综合应力加速因子即为可靠性试验加速因子。

温度循环应力加速因子afc一般可采用公式(3)进行计算：

其中，tfc0、tac1分别为初始条件下和加速条件下每个温度循环的时间；n0、n1分别为初始条件下和加速条件下每个温度循环的次数。

振动应力加速因子afv一般可采用公式(4)进行计算：

其中，m为产品疲劳试验的材料常数，g1、g0分别为加速条件下和初始条件下的振动加速度均方根值；ω1、ω0分别为加速条件下和初始条件下的振动功率谱密度值。将仿真试验的分析预计的振动应力下平均寿命带入公式(4)，即可得到振动应力作用下，产品的材料系数m和加速系数afv。

下面举实施例来进一步说明本发明所提供的方法。

(1)某军用电子产品初始温度剖面最高温度+80℃、最低温度-50℃、温度变化速率10℃/min，每个温度循环时间为480min，在每个循环180min和420min处施加4min随机振动，其功率谱密度为ω0＝0.01g2/hz，振动量值g0＝6.88g，并且按测试要求对产品施加电应力。试验需要验证的总时间为3960h。

(2)根据历史试验情况确定该产品每个循环的持续时间为90min，最高温度、最低温度、温度变化速率与初始温度剖面一致；根据产品可靠性强化试验得到产品振动工作极限，确定产品加速条件振动功率谱密度为ω1＝0.05g2/hz，振动量值g1＝8g，振动持续时间与初始振动条件一致。

(3)分别以初始温度剖面和加速温度剖面为输入条件，通过可靠性仿真试验，对前10个热疲劳潜在薄弱点进行分析，得到表1所示故障点信息矩阵；另外，分别在ω0、ω1条件下，利用随机振动疲劳模型仿真分析产品在振动应力下的前10个潜在薄弱点失效时间，得到表2所示初始应力条件下首发故障时间为tv0i，加速应力条件下首发故障时间为tv1i。

表1某产品前10个热疲劳潜在薄弱点首发故障时间及循环比

表2某产品前10个振动疲劳潜在薄弱点首发失效时间

(4)根据表1，对首发故障循环比进行算术平均，获得产品加速循环比均值

温度应力加速因子afc＝循环比*每个循环的时间比＝0.53*(8h/1.5h)＝2.83。

(5)根据表2，将10个薄弱环节点的常数因子进行算术平均，得到产品常数m。

将初始振动应力量值和加速振动量值带入公式，得到产品振动应力加速因子afv。

(6)将仿真预计的初始条件和加速条件下的温度循环平均寿命和振动平均寿命，及初始mtbf验证要求时间θ0＝3960h和加速条件下mtbf验证时间θ1＝411h，带入累积损伤计算公式：

得到初始条件下温度循环累积损伤cdit0＝0.002e-7和振动累积损伤cdiv0＝0.004及加速条件下温度循环累积损伤cdit1＝0.186e-7和振动累积损伤cdiv1＝0.007。

兼顾安全裕度，温度循环-振动综合应力的累积损伤可表示为0.8cdi＝cdit+cdiv，可得到初始条件下的综合应力累积损伤cdif≈0.005，加速条件下的综合累积损伤cdia≈0.00875。

将初始条件下的综合应力累积损伤和加速条件下的综合累积损伤带入公式可得：

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。