基于关键质量特性的高效环境应力筛选方法.pdf
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1、第 卷第 期 年 月系统工程与电子技术 文章编号:()网址:收稿日期:;修回日期:;网络优先出版日期:。网络优先出版地址:通讯作者引用格式:张安琪,张生鹏,李宏民,等基于关键质量特性的高效环境应力筛选方法系统工程与电子技术,():犚犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲犳 狅 狉犿犪 狋:,():基于关键质量特性的高效环境应力筛选方法张安琪,张生鹏,李宏民,朱耀,米思坤(航天科工防御技术研究试验中心,北京 ;北京航空航天大学可靠性与系统工程学院,北京 )摘要:环境应力筛选依据环境试验标准规定的试验条件和程序开展试验,剔除失效产品,使产品尽快度过早期失效期。针对当前高可靠的制造背景下在筛选过程中发现的失
2、效产品数量少、效费比低的问题,提出了一种环境应力筛选方案设计流程。首先,基于应力 强度干涉模型明晰了筛选的基本原理,分析了筛选应力及强度分散性对筛选效果的影响;其次,结合关键质量特性的识别与测量、分散性分析,制定了筛选方案的设计流程;最后,以某天线罩的筛选为例验证了所提方法的有效性。该方法为提高筛选效率、降低筛选成本提供了思路。关键词:筛选;关键质量特性;失效率;应力 强度干涉模型;分散性中图分类号:文献标志码:犇犗犐:犈 犳 犳 犻 犮 犻 犲 狀 狋犲 狀 狏 犻 狉 狅 狀犿犲 狀 狋 犪 犾狊 狋 狉 犲 狊 狊狊 犮 狉 犲 犲 狀 犻 狀 犵犿犲 狋 犺 狅 犱犫 犪 狊 犲 犱狅
3、 狀犽 犲 狔狇 狌 犪 犾 犻 狋 狔犮 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 ,(犃犲 狉 狅 狊 狆犪 犮 犲犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲犪 狀犱犐 狀犱狌 狊 狋 狉 狔犇犲 犳 犲 狀 狊 犲犜犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵狔犚犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犜犲 狊 狋 犻 狀犵犆 犲 狀 狋 犲 狉,犅犲 犻 犼 犻 狀犵 ,犆犺 犻 狀 犪;犛 犮 犺 狅 狅 犾狅 犳犚犲 犾 犻 犪 犫 犻 犾 犻 狋 狔犪 狀犱犛狔 狊 狋 犲犿狊犈狀犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀犵,犅犲 犻 犺 犪 狀犵犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔,犅犲 犻 犼 犻 狀犵 ,犆犺 犻 狀
4、犪)犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,犓犲 狔狑狅 狉 犱 狊:;引言环境应力筛选是检验产品可靠性水平的重要手段。目前,在军工行业采用最多的还是常规筛选方法,筛选大纲未按照产品特点、剪裁还不够规范,随着制造过程稳定性的逐步提高,大量的筛选数据表明,在筛选过程中发现的失效产品数量较少。同时,筛选周期长、成本高、效费比低成为当前制约装备“高质量、低成本”研制发展的瓶颈。因此,深入探索筛选的物理机制成为明确筛选必要性的必然趋势。筛选通过施加环境应力激发制造过程中引入的有偏差的关键质量特性进而剔除缺陷产品,以实现产品在使用时就进入失效率较低时期的目标。明确产品失效率变化趋势是进行筛选的前提,应力 强度干
5、涉模型是分析产品失第 期张安琪等:基于关键质量特性的高效环境应力筛选方法 效率的重要手段。同时,当产品关键质量特性超过规定范围时,会直接导致最终产品的主要功能丧失以及影响产品的安全性等一类少数重要质量特性。关键质量特性是反映产品质量水平的载体,也是产品强度的具象化体现。不同批次产品的关键质量特性具有不同的分布形状,也对应不同的失效率变化规律。因此,表征经过筛选后的产品失效率模型对于分析筛选有效性、研究高效筛选技术而言具有重要的意义。因此,本文在应力 强度干涉模型基础上,构建了经过筛选后的产品失效率模型,获得了筛选的基本原理,分析了不同筛选应力及不同分散性的强度分布对筛选效果的影响,从而明确了筛
6、选的物理机制,给出了基于关键质量特性的筛选方案设计流程。环境应力筛选方法研究基础 传统产品失效率曲线典型的寿命周期产品失效率随时间的变化规律可以用浴盆曲线 来表示,浴盆状的失效率曲线由早期失效期、偶然失效期和耗损失效期个阶段构成 ,如图所示。图浴盆曲线 如图所示,在产品的早期失效期,来源于生产过程中的原材料、工艺条件、设备等不利因素会导致产品各关键质量特性产生偏差,产品交付用户使用后受到环境应力的触发,表现为较高的失效率。因此,针对产品可能经受的环境条件开展试验,对产品施加一定的应力,使有缺陷的产品被剔除,从而能够使产品尽早度过早期失效期,有效地降低产品在使用阶段的失效率(如图中虚线部分所示)
7、。实际上,早期失效期产品失效率较高不仅仅是由缺陷产品数量造成的,产品失效率的变化取决于使用过程中受到的应力类型、应力水平、产品关键质量特性的稳定性及分布、失效机理等因素。通常,产品的失效率函数犿(狋)可以表示为犿(狋)犳(狋)犚(狋)犉(狋)犚(狋)犚(狋)犚(狋)()式中:犳(狋)为失效分布概率密度函数;犉(狋)为累积失效概率;犚(狋)为可靠度函数。受此启发,可以通过获取产品的应力、强度分布,利用式()构建产品失效率模型。产品失效率模型应力 强度干涉模型是分析产品可靠性的重要模型。值得注意的是,应力应是可能导致产品失效的全部环境因素,例如温度、振动、湿度等,强度则是能够反映产品质量水平的关键
8、质量特性,例如疲劳强度、尺寸等,产品发生失效也是应力和强度相互作用的结果。通常,由于环境应力等不利因素的影响,当环境应力大于产品的强度时,即应力分布与强度分布发生干涉时,产品发生失效。如图所示,以产品某一关键质量特性为例,假设在实际使用过程中,该关键质量特性主要受到服从(狊,狊)的应力狊的影响,其强度狑服从(狑,狑),其中狊狊,狑狑。图中阴影部分为产品可能发生失效的区域。图应力 强度干涉模型 图中,犳狊(狊)为应力的概率密度函数,犳狑(狑)为强度的概率密度函数。因此,时刻为狋时的产品可靠度函数可以表达为犚犳狊(狊)狊犳狑(狑)狑狊犳狑(狑)狑犳狊(狊)狊狑()犳狊(狊)槡(狊狊)狊()犳狑(狑
9、)槡(狑狑)狑()从式()可以看出,产品的可靠度取决于产品应力分布与强度分布的形状参数。然而,式()未能反映出可靠度随时间的变化趋势。因此,本文结合寿命周期内应力分布的变化规律和强度退化规律,建立了寿命周期内的产品失效率模型。一方面,在产品的寿命周期内,产品某关键质量特性受到的应力随时间反复多次出现,具有随机性。假设产品寿命周期内随机应力的作用过程服从泊松随机过程,即应力出现的次数相互独立。因此,应力随时间的作用次数服从(狋),狋)的非齐次泊松随机过程。特别地,当(狋)为 系统工程与电子技术第 卷常数时,应力随时间的作用过程服从齐次泊松随机过程。由此可知,在任意时刻区间(狋,狋狋)内,应力作用
10、出现的概率为犘(狋)狋()另一方面,在产品的寿命周期内,环境应力作用、自身磨损退化等因素导致产品关键质量特性不断退化,即强度随时间不断退化。因此,产品任意时刻的强度应是初始强度与该时刻强度退化量的组合。假设产品的强度退化服从指数退化规律,即产品寿命周期强度函数为狑(狋)狑犽 狋()式中:狑为已知的初始强度分布;犽为指数分布参数。综上所述,当应力服从正态分布时,作用过程服从泊松随机过程;当强度服从正态分布、退化服从指数退化规律时,产品寿命周期内的可靠度函数可以表达为犚(狋)犳狑(狑)狋狑(狋)犳狊(狊)狊(狋)狋狑()利用式()式(),产品寿命周期的失效率 可以表示为犿(狋)犳狑(狑)狑(狋)犳
11、狊(狊)狊(狋)狋狑(狋)犳狊(狊)狊(狋)狋狑犳狑(狑)狋狑(狋)犳狊(狊)狊(狋)狋狑()因此,产品寿命周期内的失效率变化规律如图所示。图产品寿命周期失效率趋势 从图可以看出,在寿命周期内,产品在持续的随机应力作用下服役,失效率随时间而发生变化,其变化规律基本符合浴盆曲线形状。在早期失效期,由于随机应力作用,产品失效率较高;随着时间的推移,产品进入偶然失效期,若此时受到应力作用的产品未失效,就意味着产品强度高于载荷,对于平稳随机应力过程而言,此阶段失效率较低并趋于稳定;进入耗损故障期后,产品强度退化明显,失效率逐步上升。环境应力筛选的物理机制研究 环境应力筛选的基本原理根据产品使用环境特点
12、及条件、军用设备环境试验方法等相关标准规范制定筛选的试验大纲。在开展试验的过程中,按照试验大纲要求,对一批次产品施加一定的环境应力,例如温湿度、振动、噪声等应力,在试验前后、试验中对产品进行测试。经过筛选后,该批次中有缺陷的产品被剔除,未出现故障的产品进入下一阶段。理论上,被剔除的产品应是强度小于筛选应力点的产品。经过筛选后,该批次产品的强度分布规律应是在初始强度分布的基础上对小于筛选应力点进行左截尾的分布,如图中蓝色曲线所示。图应力 强度干涉模型(筛选后)()因此,基于应力 强度干涉模型,假设筛选应力为犪,经过筛选后,强度小于犪的左侧部分被剔除。结合式()和式(),经过筛选后的强度分布 如下
13、所示:犳狑(狑),狑犪犳狑(狑,狑;狑)犉狑(狑,狑;犪),犪狑烅烄烆()其概率密度函数如图红色虚线所示。可以看出,经过筛选后的产品强度分布分散性变小,该批次产品可靠性整体得到提升。经过筛选后未出现故障的产品经下一道工序装配后进入用户使用阶段,由于产品自身磨损等因素,其强度仍会逐步退化。同时,受到实际使用过程中环境应力的随机作用,利用式(),其失效率模型可表示如下:犿(狋)犪犳狑(狑)狑(狋)犳狊(狊)狊(狋)狋狑(狋)犳狊(狊)狊(狋)狋狑犪犳狑(狑)狋狑(狋)犳狊(狊)狊(狋)狋狑()筛选应力对筛选效果的影响分析不同筛选应力点能够剔除不同强度的产品,假设另一筛选应力点为犫(满足犫犪),可以
14、得到如图虚线所示的产品寿命周期失效率变化规律。第 期张安琪等:基于关键质量特性的高效环境应力筛选方法 图不同筛选应力的产品寿命周期失效率趋势(筛选后)()结果表明,经过筛选的该批次产品进入使用阶段后,在早期失效期失效率明显降低,充分证明了筛选能够有效消除产品的早期故障,降低了产品在使用过程中的失效率,这也充分证明了进行筛选的必要性。同时,当筛选应力点为犫时,产品失效率变化曲线单调上升,不存在“早期失效期”,这说明适当提高筛选应力点能够达到更好的筛选效果,能够使产品直接进入失效率较低的偶然失效期,有效提高了该批次产品的可靠性。强度分散性对筛选效果的影响分析在实际工程应用中,由于制造过程中设备磨损
15、、随机故障作用、人员操作的不稳定性及维修计划的差异性,不同批次产品质量水平也不一致,产品各关键质量特性的强度分布也存在不同的分散性,分散性越小,则意味着该批次产品质量水平越高。理论上,在使用环境应力分布一定的条件下,产品强度分散性越小,则应力与强度干涉面积越小,即产品失效率也越低。因此,本文以应力服从(,)、强度服从均值为 、标准差分别为,的正态分布,绘制不同分散性初始强度分布的产品寿命周期内失效率变化趋势,本文着重关注早期失效期的失效率对比,如图所示。图不同分散性强度分布的产品寿命周期失效率趋势 从图可以看出,强度分布的分散性大小会对产品早期失效期的失效率变化趋势产生显著的影响。分散性越小,
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