加速壽命試驗

加速壽命試驗，是指在進(jìn)行合理工程及統計假設的基礎上，利用與物理失效規律相關(guān)的統計模型對在超出正常應力水平的加速環(huán)境下獲得的可靠性信息進(jìn)行轉換，得到試件在額定應力水平下可靠性特征的可復現的數值估計的一種試驗方法。加速壽命試驗采用加速應力進(jìn)行試件的壽命試驗，從而縮短了試驗時(shí)間，提高了試驗效率，降低了試驗成本，其研究使高可靠長(cháng)壽命產(chǎn)品的可靠性評定成為可能。按照試驗應力的加載方式，加速壽命試驗通常分為恒定應力試驗、步進(jìn)應力試驗和序進(jìn)應力試驗。

簡(jiǎn)介：

加速壽命試驗的統一定義最早由美羅姆航展中心于1967年提出，加速壽命試驗是在進(jìn)行合理工程及統計假設的基礎上，利用與物理失效規律相關(guān)的統計模型對在超出正常應力水平的加速環(huán)境下獲得的信息進(jìn)行轉換，得到產(chǎn)品在額定應力水平下的特征可復現的數值估計的一種試驗方法。簡(jiǎn)言之，加速壽命試驗是在保持失效機理不變的條件下，通過(guò)加大試驗應力來(lái)縮短試驗周期的一種壽命試驗方法。加速壽命試驗采用加速應力水平來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的壽命試驗，從而縮短了試驗時(shí)間，提高了試驗效率，降低了試驗成本。

進(jìn)行加速壽命試驗必須確定一系列的參數，包括(但不限于)： 試驗持續時(shí)間、樣本數量、試驗目的、要求的置信度、需求的精度、費用、加速因子、外場(chǎng)環(huán)境、試驗環(huán)境、加速因子計算、威布爾分布斜率或β參數(β < 1表示早期故障，β > 1 表示耗損故障) 。用加速壽命試驗方法確定產(chǎn)品壽命，關(guān)鍵是確定加速因子，而有時(shí)這是最困難的。一般用以下兩種方法。

加速壽命試驗技術(shù)相對于傳統的壽命試驗技術(shù)，效率高，成本低，是可靠性數學(xué)與可靠性工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，對高可靠、長(cháng)壽命產(chǎn)品的定壽延壽研究具有重要的應用價(jià)值。目前加速壽命試驗技術(shù)在民用領(lǐng)域使用得很廣泛，在軍用武器裝備的可靠性研究和壽命評估研究中也有較多應用，并取得了一定的研究成果。新形勢下，軍用后勤裝備領(lǐng)域逐步出現長(cháng)期儲存的高可靠、長(cháng)壽命裝備，基于軍事效益和經(jīng)濟效益的雙重需求，對這類(lèi)裝備的儲存壽命評估研究也逐步受到關(guān)注。隨著(zhù)研究的不斷深入，加速壽命試驗技術(shù)在該領(lǐng)域將具有廣泛的應用前景。

加速模型：

加速壽命試驗的基本思想是利用高應力下的壽命特征去外推正常應力水平下的壽命特征。實(shí)現這個(gè)基本思想的關(guān)鍵在于建立壽命特征與應力水平之間的關(guān)系。這種壽命特征與應力水平之間的關(guān)系就是通常所說(shuō)的加速模型，又稱(chēng)加速方程。加速模型在通常情況下是一個(gè)非線(xiàn)性曲線(xiàn)，但是可以通過(guò)對壽命數據和應力水平進(jìn)行適當的數學(xué)變換，如對數變換、倒數變換等，將其轉換為線(xiàn)性模型。加速模型可以分為失效物理加速模型和數學(xué)統計加速模型兩大。

失效物理加速模型是通過(guò)與失效機理相關(guān)的物理原理推導得到的加速模型。失效物理加速模型的數學(xué)表達形式為己知，只是模型參數待定，所以，基于失效物理加速模型的加速壽命試驗的基本任務(wù)就是通過(guò)試驗對模型參數進(jìn)行辨識。這類(lèi)加速模型主要有Arrhenius 模型、逆冪律（Inverse Power Law，IPL）模型、單應力Eyring 模型、廣義Eyring 模型。此外，由Arrhenius 模型和逆冪律模型組合可導出一種新的模型：溫度－非熱能（T-NT）模型。由Eyring 模型可導出溫度－濕度（T-H）模型。

加速模型：

加速因子是加速壽命試驗的一個(gè)重要參數。它是加速應力下產(chǎn)品某種壽命特征值與正常應力下壽命特征值的比值，也可稱(chēng)為加速系數，是一個(gè)無(wú)量綱數。加速因子反映加速壽命試驗中某加速應力水平的加速效果，即是加速應力的函數。

國內外已對加速因子及其性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。最初，指數分布、正態(tài)分布、Weibull 分布等壽命分布類(lèi)型的加速因子被定義為產(chǎn)品在兩種不同應力水平下的平均壽命之比，后來(lái)有學(xué)者進(jìn)行研究指出其中的不合理性，認為加速因子是一種折算因子，其定義不僅依賴(lài)于壽命分布，還依賴(lài)于不同應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計推斷和基于預計技術(shù)兩類(lèi)，基于預計技術(shù)的方法雖然簡(jiǎn)單，但是不能給出加速因子的精確值，因而在壽命評估中不如基于統計推斷的方法更有研究?jì)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，已給出了相應計算加速因子的方法。這些研究成果為今后的研究和應用提供了思路和途徑。

由于加速壽命試驗帶有較濃重的經(jīng)驗色彩，一些理論基礎問(wèn)題仍未得到解決。如：有效的加速壽命試驗對加速因子的要求及與失效機理不變條件的關(guān)系；加速因子的性質(zhì)和用途等。因此，對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(lái)推動(dòng)壽命評估和可靠性評估理論的發(fā)展。 

類(lèi)型：

按照試驗應力的加載方式，加速壽命試驗通常分為恒定應力試驗、步進(jìn)應力試驗和序進(jìn)應力試驗三種基本類(lèi)型，如圖所示。它們分別表示了三種基本加速壽命試驗的應力加載歷程。

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

其特點(diǎn)是對產(chǎn)品施加的“負荷”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“負荷”的水平。試驗是將產(chǎn)品分成若干個(gè)組后同時(shí)進(jìn)行，每一組可相應的有不同的“負荷”水平，直到各組產(chǎn)品都有一定數量的產(chǎn)品失效時(shí)為止。恒定應力試驗的應力加載時(shí)間歷程見(jiàn)圖中的(a)，優(yōu)點(diǎn)是模型成熟、試驗簡(jiǎn)單、易成功，缺點(diǎn)是試驗所需試樣多，試驗時(shí)間較長(cháng)。這種試驗應用最廣。

2、步進(jìn)應力試驗(Step-Up-Stress Testing: SUST)

此試驗對產(chǎn)品所施加的“負荷”是在不同的時(shí)間段施加不同水平的“負荷”，其水平是階梯上升的。在每一時(shí)間段上的“負荷”水平，都高于正常條件下的“負荷”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)品則繼續承受下一個(gè)時(shí)間段上更高一級水平下的試驗，如此繼續下去，直到在最高應力水平下也檢測到足夠失效數(或者達到一定的試驗時(shí)間)時(shí)為止。步進(jìn)應力試驗的應力加載時(shí)間歷程見(jiàn)圖 中的(b)，優(yōu)點(diǎn)是試驗所需試樣較少，加速效率相對較高，缺點(diǎn)是試驗數據統計分析難度大。

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

序進(jìn)應力試驗方法與步進(jìn)應力試驗基本相似，區別在于序進(jìn)應力試驗加載的應力水平隨時(shí)間連續上升。圖 中的(c)表示了序進(jìn)應力加載最簡(jiǎn)單的情形，即試驗應力隨時(shí)間呈直線(xiàn)上升的加載歷程。序加試驗的特點(diǎn)是應力變化快，失效也快，因此序加試驗需要專(zhuān)用設備跟蹤和記錄產(chǎn)品失效。這種試驗方法優(yōu)點(diǎn)是效率最高，缺點(diǎn)是需要專(zhuān)門(mén)的裝置產(chǎn)生符合要求的加速應力，相關(guān)研究和應用較少。

進(jìn)行試驗的條件

若加速壽命與實(shí)用壽命的失效模式相同，即可運用加速壽命試驗。但實(shí)際上，有時(shí)失效模式相同，失效機構(Mechanism)卻不同，或即使失效機構亦相同，但失效判定條件或使用條件變動(dòng)的話(huà)，加速性就變化。在長(cháng)期的研發(fā)改進(jìn)過(guò)程中，產(chǎn)品的設計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;或是以規定的技術(shù)方法所生產(chǎn)的產(chǎn)品，也因存在無(wú)法控制的因素影響，造成失效機構的改變，這些都可能造成無(wú)法利用加速壽命試驗。

例如，電子管的壽命滿(mǎn)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。例如，電視機用布朗管若使陰極溫度成為額定值的100%，可實(shí)施加速因子為2.2倍至3倍的加速壽命試驗。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(zhù)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構不同。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(huà)，管內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(huà)，陰極內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，失效機構也不同。故電子管須檢討實(shí)際使用時(shí)陰極溫度的偏差、間歇動(dòng)作等條件，才能決定實(shí)施加速壽命試驗之方法。

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

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

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

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

4、產(chǎn)品在實(shí)地使用狀況下，應力的變動(dòng)大，失效發(fā)生的條件方可因使用者不同而異;或即使是反應機構相同的失效，分散亦頗不均勻，因此利用實(shí)驗數據推定實(shí)際使用壽命時(shí)，應盡量指定累積失效率加以推定，以避免因數據不充足造成錯誤的分析。

比較

高加速壽命試驗和加速壽命試驗的比較

高加速壽命試驗不用于確定產(chǎn)品的壽命。因為我們關(guān)心的是使產(chǎn)品盡可能提高可靠性，可靠性量值的測定并不重要。然而，對于具有耗損時(shí)間的機械產(chǎn)品，盡可能準確地知道其壽命是非常重要的。

高加速壽命試驗比起加速壽命試驗來(lái)，一個(gè)重要優(yōu)勢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僅需2-4天，而且我們找尋的最終將變成外場(chǎng)使用問(wèn)題的缺陷的成功率非常高。

加速壽命試驗比起高加速壽命試驗的一個(gè)優(yōu)勢是，我們不需要任何環(huán)境設備。通常，臺架上試驗就足夠了。并且許多情況下，在用戶(hù)的設施上就能進(jìn)行該試驗。另一個(gè)好處就是試驗能同時(shí)確定產(chǎn)品的壽命，而這一點(diǎn)對高加速壽命試驗來(lái)說(shuō)卻做不到。