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STAUBLI RBE 08.1102/IA/OD/3/FB G3/8"

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STAUBLI RBE 11 7153/IA/HP/JV

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加速壽命試驗(yàn)，是指在進(jìn)行合理工程及統(tǒng)計(jì)假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用與物理失效規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)在超出正常應(yīng)力水平的加速環(huán)境下獲得的可靠性信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到試件在額定應(yīng)力水平下可靠性特征的可復(fù)現(xiàn)的數(shù)值估計(jì)的一種試驗(yàn)方法。加速壽命試驗(yàn)采用加速應(yīng)力進(jìn)行試件的壽命試驗(yàn)，從而縮短了試驗(yàn)時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率，降低了試驗(yàn)成本，其研究使高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的可靠性評(píng)定成為可能。按照試驗(yàn)應(yīng)力的加載方式，加速壽命試驗(yàn)通常分為恒定應(yīng)力試驗(yàn)、步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)和序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。 [1] 

中文名

加速壽命試驗(yàn)

外文名

Accelerate Life Test

提出單位

美羅姆航展中心

提出時(shí)間

1967年

現(xiàn)有模型

Arrhenius模型 威布爾模型等

類    型

恒定應(yīng)力試驗(yàn)，步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)等

優(yōu)    點(diǎn)

縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率，等

目錄

1. 1 簡(jiǎn)介
2. 2 加速模型

1. 3 加速因子
2. 4 類型

1. 5 進(jìn)行試驗(yàn)的條件
2. 6 比較

簡(jiǎn)介

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加速壽命試驗(yàn)的統(tǒng)一定義早由美羅姆航展中心于1967年提出，加速壽命試驗(yàn)是在進(jìn)行合理工程及統(tǒng)計(jì)假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用與物理失效規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)在超出正常應(yīng)力水平的加速環(huán)境下獲得的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到產(chǎn)品在額定應(yīng)力水平下的特征可復(fù)現(xiàn)的數(shù)值估計(jì)的一種試驗(yàn)方法。簡(jiǎn)言之，加速壽命試驗(yàn)是在保持失效機(jī)理不變的條件下，通過加大試驗(yàn)應(yīng)力來縮短試驗(yàn)周期的一種壽命試驗(yàn)方法。加速壽命試驗(yàn)采用加速應(yīng)力水平來進(jìn)行產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)，從而縮短了試驗(yàn)時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率，降低了試驗(yàn)成本。 [1] 

進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)必須確定一系列的參數(shù)，包括(但不限于)： 試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間、樣本數(shù)量、試驗(yàn)?zāi)康摹⒁蟮闹眯哦?、需求的精度、費(fèi)用、加速因子、外場(chǎng)環(huán)境、試驗(yàn)環(huán)境、加速因子計(jì)算、威布爾分布斜率或β參數(shù)(β < 1表示早期故障，β > 1 表示耗損故障) 。用加速壽命試驗(yàn)方法確定產(chǎn)品壽命，關(guān)鍵是確定加速因子，而有時(shí)這是困難的。一般用以下兩種方法。

加速壽命試驗(yàn)技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)技術(shù)，效率高，成本低，是可靠性數(shù)學(xué)與可靠性工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，對(duì)高可靠、長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的定壽延壽研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前加速壽命試驗(yàn)技術(shù)在民用領(lǐng)域使用得很廣泛，在武器裝備的可靠性研究和壽命評(píng)估研究中也有較多應(yīng)用，并取得了一定的研究成果。新形勢(shì)下，后勤裝備領(lǐng)域逐步出現(xiàn)*儲(chǔ)存的高可靠、長(zhǎng)壽命裝備，基于軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙重需求，對(duì)這類裝備的儲(chǔ)存壽命評(píng)估研究也逐步受到關(guān)注。隨著研究的不斷深入，加速壽命試驗(yàn)技術(shù)在該領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。 [2] 

加速模型

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加速壽命試驗(yàn)的基本思想是利用高應(yīng)力下的壽命特征去外推正常應(yīng)力水平下的壽命特征。實(shí)現(xiàn)這個(gè)基本思想的關(guān)鍵在于建立壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系。這種壽命特征與應(yīng)力水平之間的關(guān)系就是通常所說的加速模型，又稱加速方程。加速模型在通常情況下是一個(gè)非線性曲線，但是可以通過對(duì)壽命數(shù)據(jù)和應(yīng)力水平進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換，如對(duì)數(shù)變換、倒數(shù)變換等，將其轉(zhuǎn)換為線性模型。加速模型可以分為失效物理加速模型和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)加速模型兩大類。 [3] 

失效物理加速模型是通過與失效機(jī)理相關(guān)的物理原理推導(dǎo)得到的加速模型。失效物理加速模型的數(shù)學(xué)表達(dá)形式為己知，只是模型參數(shù)待定，所以，基于失效物理加速模型的加速壽命試驗(yàn)的基本任務(wù)就是通過試驗(yàn)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。這類加速模型主要有Arrhenius 模型、逆冪律（Inverse Power Law，IPL）模型、單應(yīng)力Eyring 模型、廣義Eyring 模型。此外，由Arrhenius 模型和逆冪律模型組合可導(dǎo)出一種新的模型：溫度－非熱能（T-NT）模型。由Eyring 模型可導(dǎo)出溫度－濕度（T-H）模型。 [3] 

加速因子

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加速因子是加速壽命試驗(yàn)的一個(gè)重要參數(shù)。它是加速應(yīng)力下產(chǎn)品某種壽命特征值與正常應(yīng)力下壽命特征值的比值，也可稱為加速系數(shù)，是一個(gè)無量綱數(shù)。加速因子反映加速壽命試驗(yàn)中某加速應(yīng)力水平的加*果，即是加速應(yīng)力的函數(shù)。

國(guó)內(nèi)外已對(duì)加速因子及其性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。初，指數(shù)分布、正態(tài)分布、Weibull 分布等壽命分布類型的加速因子被定義為產(chǎn)品在兩種不同應(yīng)力水平下的平均壽命之比，后來有學(xué)者進(jìn)行研究指出其中的不合理性，認(rèn)為加速因子是一種折算因子，其定義不僅依賴于壽命分布，還依賴于不同應(yīng)力水平之間的折算原則。

目前，加速因子的研究方法大致有基于統(tǒng)計(jì)推斷和基于預(yù)計(jì)技術(shù)兩類，基于預(yù)計(jì)技術(shù)的方法雖然簡(jiǎn)單，但是不能給出加速因子的精確值，因而在壽命評(píng)估中不如基于統(tǒng)計(jì)推斷的方法更有研究?jī)r(jià)值和發(fā)展前途。

近些年，不同壽命分布的加速因子的研究成果比較豐富。針對(duì)不同的加速模型，如Arrhenius模型、Eyring 模型、逆冪律模型、溫度－濕度模型、溫度－非熱能模型等，已給出了相應(yīng)計(jì)算加速因子的方法。這些研究成果為今后的研究和應(yīng)用提供了思路和途徑。

由于加速壽命試驗(yàn)帶有較濃重的經(jīng)驗(yàn)色彩，一些理論基礎(chǔ)問題仍未得到解決。如：有效的加速壽命試驗(yàn)對(duì)加速因子的要求及與失效機(jī)理不變條件的關(guān)系；加速因子的性質(zhì)和用途等。因此，對(duì)加速因子的研究不容忽視，有待更加精確、有效、簡(jiǎn)便的確定方法來推動(dòng)壽命評(píng)估和可靠性評(píng)估理論的發(fā)展。 [3] 

類型

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按照試驗(yàn)應(yīng)力的加載方式，加速壽命試驗(yàn)通常分為恒定應(yīng)力試驗(yàn)、步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)和序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)三種基本類型，如圖所示。它們分別表示了三種基本加速壽命試驗(yàn)的應(yīng)力加載歷程。

加速壽命試驗(yàn)類型

1、恒定應(yīng)力試驗(yàn)(Constant-Stress Testing: CST)

其特點(diǎn)是對(duì)產(chǎn)品施加的“負(fù)荷”的水平保持不變，其水平高于產(chǎn)品在正常條件下所接受的“負(fù)荷”的水平。試驗(yàn)是將產(chǎn)品分成若干個(gè)組后同時(shí)進(jìn)行，每一組可相應(yīng)的有不同的“負(fù)荷”水平，直到各組產(chǎn)品都有一定數(shù)量的產(chǎn)品失效時(shí)為止。恒定應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力加載時(shí)間歷程見圖中的(a)，優(yōu)點(diǎn)是模型成熟、試驗(yàn)簡(jiǎn)單、易成功，缺點(diǎn)是試驗(yàn)所需試樣多，試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)。這種試驗(yàn)應(yīng)用廣。 [2] 

2、步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)(Step-Up-Stress Testing: SUST)

此試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品所施加的“負(fù)荷”是在不同的時(shí)間段施加不同水平的“負(fù)荷”，其水平是階梯上升的。在每一時(shí)間段上的“負(fù)荷”水平，都高于正常條件下的“負(fù)荷”水平。因此，在每一時(shí)間段上都會(huì)有某些產(chǎn)品失效，未失效的產(chǎn)品則繼續(xù)承受下一個(gè)時(shí)間段上更高一級(jí)水平下的試驗(yàn)，如此繼續(xù)下去，直到在應(yīng)力水平下也檢測(cè)到足夠失效數(shù)(或者達(dá)到一定的試驗(yàn)時(shí)間)時(shí)為止。步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的應(yīng)力加載時(shí)間歷程見圖 中的(b)，優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)所需試樣較少，加*率相對(duì)較高，缺點(diǎn)是試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析難度大。 [2] 

3、序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)(Progressive Stress Testing: PST)

序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)方法與步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)基本相似，區(qū)別在于序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)加載的應(yīng)力水平隨時(shí)間連續(xù)上升。圖 中的(c)表示了序進(jìn)應(yīng)力加載簡(jiǎn)單的情形，即試驗(yàn)應(yīng)力隨時(shí)間呈直線上升的加載歷程。序加試驗(yàn)的特點(diǎn)是應(yīng)力變化快，失效也快，因此序加試驗(yàn)需要設(shè)備跟蹤和記錄產(chǎn)品失效。這種試驗(yàn)方法優(yōu)點(diǎn)是效率，缺點(diǎn)是需要專門的裝置產(chǎn)生符合要求的加速應(yīng)力，相關(guān)研究和應(yīng)用較少。 [2] 

進(jìn)行試驗(yàn)的條件

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若加速壽命與實(shí)用壽命的失效模式相同，即可運(yùn)用加速壽命試驗(yàn)。但實(shí)際上，有時(shí)失效模式相同，失效機(jī)構(gòu)(Mechanism)卻不同，或即使失效機(jī)構(gòu)亦相同，但失效判定條件或使用條件變動(dòng)的話，加速性就變化。在*的研發(fā)改進(jìn)過程中，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)或制造方法都可能發(fā)生變化，顧客的使用條件方可能發(fā)生變化;或是以規(guī)定的技術(shù)方法所生產(chǎn)的產(chǎn)品，也因存在無法控制的因素影響，造成失效機(jī)構(gòu)的改變，這些都可能造成無法利用加速壽命試驗(yàn)。

例如，電子管的壽命滿足Arrhenius的關(guān)系式，所以可提高陰極溫度，實(shí)施加速壽命試驗(yàn)。例如，電視機(jī)用布朗管若使陰極溫度成為額定值的*，可實(shí)施加速因子為2.2倍至3倍的加速壽命試驗(yàn)。但不論是陰極溫度低于額定，或不從陰極取電流而使用電子管時(shí)，都會(huì)顯著減短壽命。兩者之失效模式都是電子放射不良，但其間的差異在于失效機(jī)構(gòu)不同。電子管常因陰極活性物質(zhì)的減少而使電子放射特性劣化，但陰極溫度減低的話，管內(nèi)不純氣體的作用亦會(huì)使電子放射特性劣化;若不取電流而動(dòng)作的話，陰極內(nèi)部生成的中間層化合物電阻增大，亦使電子放射特性劣化，所以即使判定壽命的失效模式相同，失效機(jī)構(gòu)也不同。故電子管須檢討實(shí)際使用時(shí)陰極溫度的偏差、間歇?jiǎng)幼鞯葪l件，才能決定實(shí)施加速壽命試驗(yàn)之方法。

除了以上所提的問題外，在規(guī)劃加速壽命試驗(yàn)時(shí)須綜合考慮下列問題，才能選定加速壽命試驗(yàn)的條件，以決定其適用的范圍：

1、施加應(yīng)力之大小不同可能形成不同的失效模式，在此種情形下，應(yīng)力加速法之使用受到限制。

2、失效發(fā)生時(shí)間與施加應(yīng)力強(qiáng)度之間，可能因應(yīng)力大小之不同或因機(jī)械操作條件不同而有不同的關(guān)系，放在加速壽命試驗(yàn)規(guī)劃之初，就應(yīng)該注意到此種應(yīng)力加速適用范圍的問題。

3、可在若干不同的試驗(yàn)方法及不同的失效分析基準(zhǔn)之中，選用加速因子較大的方法，以較短試驗(yàn)時(shí)間評(píng)估壽命的效用。

4、產(chǎn)品在實(shí)地使用狀況下，應(yīng)力的變動(dòng)大，失效發(fā)生的條件方可因使用者不同而異;或即使是反應(yīng)機(jī)構(gòu)相同的失效，分散亦頗不均勻，因此利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推定實(shí)際使用壽命時(shí)，應(yīng)盡量累積失效率加以推定，以避免因數(shù)據(jù)不充足造成錯(cuò)誤的分析。

比較

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高加速壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)的比較

高加速壽命試驗(yàn)不用于確定產(chǎn)品的壽命。因?yàn)槲覀冴P(guān)心的是使產(chǎn)品盡可能提高可靠性，可靠性量值的測(cè)定并不重要。然而，對(duì)于具有耗損時(shí)間的機(jī)械產(chǎn)品，盡可能準(zhǔn)確地知道其壽命是非常重要的。

高加速壽命試驗(yàn)比起加速壽命試驗(yàn)來，一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)就是在找尋影響外場(chǎng)使用的缺陷方面的速度較快。完成一個(gè)典型的高加速壽命試驗(yàn)僅需2-4天，而且我們找尋的終將變成外場(chǎng)使用問題的缺陷的成功率非常高。

加速壽命試驗(yàn)比起高加速壽命試驗(yàn)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，我們不需要任何環(huán)境設(shè)備。通常，臺(tái)架上試驗(yàn)就足夠了。并且許多情況下，在用戶的設(shè)施上就能進(jìn)行該試驗(yàn)。另一個(gè)好處就是試驗(yàn)?zāi)芡瑫r(shí)確定產(chǎn)品的壽命，而這一點(diǎn)對(duì)高加速壽命試驗(yàn)來說卻做不到