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硕士毕业论文90年代后长寿命产品实验方法的进一步分析

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:
论点:退化,应力,试验
论文概述:

摘要 基十性能退化的可靠性评估试验是解决高可靠性、长寿命产品寿命预测问题的重要手段,是近年来可靠性试验新的研究方向。随着科学和工程技术的发展,产品的失效机理口趋复杂,对

论文正文:

90年代后长寿命产品实验方法的进一步分析

简介:自20世纪90年代以来,加速退化试验法作为解决高可靠性、长寿命产品可靠性评估和贮存寿命评估问题的一种新方法迅速出现。由本网站的硕士论文中心组织。

第1章引言
可靠性是指产品在特定条件下和特定时间内执行特定功能的能力。它是对产品无故障完成任务能力的衡量。随着科学技术的飞速发展,产品的可靠性变得越来越重要。它是评价产品最基本的价值指标之一,也是决定产品在市场上竞争力的重要指标之一。可靠性评估是可靠性工程的一个重要组成部分,也是[}2}获取产品在其生命周期应用条件下,在特定时间段内满足性能要求的能力信息的一种方法。可靠性评估是定量控制产品可靠性的必要手段。其目的是衡量产品的可靠性是否达到预期的设计目标,验证产品可靠性设计的合理性,指出产品的薄弱环节,指出改进产品设计和制造过程的方向,加速产品开发的可靠性增长过程。科学的可靠性评估方法不仅可以使分析结果更加准确,Ifi} }_还可以有效降低测试成本,缩短开发周期。传统的可靠性评估方法是基于大量的失效寿命数据。然而,}随着科学技术的不断进步,设计和制造技术的不断改进,以及所用材料的不断改进,fIJ在航空空航空航天和电子工业等重要领域,如铆接原子钟、姿态控制飞轮、陀螺仪、金属化薄膜脉冲电容器、稀土永磁体等,已经看到了大量高可靠性和长寿命的产品。对于其中的十种产品,通过截尾寿命试验或加速寿命试验几乎不可能收集到足够的失效寿命数据,有时甚至会出现“零失效”现象,因此传统的可靠性评估方法必然会引发“可信度危机”。近年来,大量研究表明,产品的性能退化数据包含大量的生命信息。基于十项性能退化数据的可靠性评估方法可以有效解决小样本、高可靠性、长寿命产品的寿命预测问题。鉴于此,本文研究了长寿命产品的退化试验方法,以解决高可靠性长寿命产品可靠性评估过程中退化失效建模分析和实际应用的问题。
1.1研究背景和意义
对于可靠性高、使用寿命长的十种产品,由于十种时间和成本的限制,很难通过截尾寿命试验或加速寿命试验收集足够的寿命信息,甚至失效寿命数据。因此,也不可能有效地建立寿命分布模型,这严重影响了国际金融情报中心产品的可靠性评估。近年来,基于10项性能退化数据的可靠性评估方法发展迅速。研究者从产品性能退化数据中获得了大量的寿命信息,有效弥补了高可靠性、长寿命产品可靠性评估过程中信息不足的问题。然而,对于约10种可靠性高、使用寿命长的产品,在正常应力下进行退化测试仍然需要大量的时间和费用,并且Ifu }_仍然难以测量产品的性能退化数据。为了解决这一问题,研究者增加了应力水平,加快了产品的降解速度,测量了高应力水平下产品的性能降解数据,并利用这些数据来评价产品的可靠性,预测正常应力水平下产品的使用寿命。基于十项性能退化数据的可靠性评估方法是解决高可靠性、长寿命产品可靠性评估的有效方法。通过分析产品的失效机理和退化失效规律,设计与产品性能相关的退化试验,充分获取与产品寿命信息相关的性能退化数据,对这些数据进行建模和分析,并采用外推方法评估产品可靠性,预测正常应力水平下的产品寿命。
20世纪60年代,格特巴克(Gertsbach)3)等人首次指出了使用性能退化数据来评估产品可靠性的价值。经过40多年的发展,base 10性能退化数据的可靠性评估方法逐渐成熟。然而,随着科学技术的发展,产品设计、制造工艺和材料都有了很大的进步,失效机理也变得更加复杂。许多现有的退化测试方法已经不能有效地获得产品的性能退化数据。基于这些有限的性能退化数据建立的可靠性模型的合理性也需要进一步验证。综上所述,现有的退化测试方法有以下两个问题需要at研究:[/BR/] (1)有效获取性能退化数据的问题。几乎所有现有的退化测试方法都是在相等的测量间隔时间的基础上进行的,并且在测试中收集的大多数产品性能退化数据是沿着时间轴横向增加(或减少)的数据。很少注意纵向数据,即每个测量间隔中不同样品的性能下降数据。因此,如何改进测试方法,如何利用模糊神经网络有效地获取测试过程中的各种性能退化数据,仍然是一个有待解决的问题。
(2)数据一致性检查或模型验证。在现有的退化测试方法中,几乎没有数据一致性测试过程或模型验证过程。然而,如今产品的失效机制越来越复杂。退化试验中采集的不同样品的性能退化数据是否属于同一群体或服从同一分布,产品可靠性评估过程中建立的模型是否合理,通过该模型引入的产品的可靠性和寿命是否可信,需要进一步研究。
本文的研究是根据十多个基地的工程要求进行的。该研究工作不仅具有广泛的工程应用前景,而且有助于促进长寿命产品降解测试方法的发展。
1.2国内外研究现状
退化试验是近年来为研究高可靠性和长寿命产品可靠性而开发的一种新的可靠性评估试验方法。在这种试验中,产品的物理特性参数在运行过程中表现出一定的退化规律,如疲劳、腐蚀或氧化等。对于核工业和航天工业等十个重要领域的高可靠性器件,即使在加速应力条件下,在相对较短的测试时间内,失效寿命数据也几乎不可用。因此,通过传统的寿命试验方法很难确定寿命分布。为了克服这一困难,可以通过降解试验测量产品在运行过程中的降解信息,并推导出产品的寿命分布函数。目前,一些研究人员已经研究了降解试验的截止标准[1.2.2.3渐进应力加速退化试验方法
渐进应力加速退化试验方法是指在渐进加速应力下对产品进行退化试验,并利用试验中收集的性能退化数据对产品进行可靠性建模和分析的方法。顺序应力加速退化试验方法基本上类似于步进应力情况,除了载荷下的应力水平随时间不断增加。该测试方法克服了步进应力加速退化测试中应力水平的数量难以预先确定的问题。顺序应力加速退化试验可以看作是步进应力加速退化试验的极限情况,这也是采用顺序应力加速退化试验方法进行产品可靠性分析的一个普遍思路。
在实际应用中,十步应力加速退化试验对试验设备要求高,应力变化难以控制。因此,目前还没有得到广泛的应用,相关的研究工作不够客观,有十多个理论层面。Doksum等人提出了一种基于ten Wiene: process的顺序应力加速退化试验方法,并用ten来估计产品的寿命分布。然而,该方法只考虑线性漂移的情况,因此在实际应用中有一定的局限性。彭}索(Peng}So)等人建立了非线性退化轨道的渐进应力加速退化模型,并获得了这种情况下退化轨道的首次到达时间分布。Ifn-in通过使用产品寿命分布推断正常应力水平下产品的工作寿命。最后,以发光二极管灯管为例进行仿真分析,指出该方法在模型验证等方面还有大量工作要做。,优化设计方法[f5,6],以及如何利用降解试验设计实现产品可靠性增长f},sl,提高产品鲁棒性[f}l等。
根据试验中应用的应力水平,降解试验可分为恒定应力降解试验和加速应力降解试验。详情请参考第2.2节。接下来,从恒应力降解试验方法和加速降解试验方法两个方面总结了国内外的研究现状。
2.1恒定应力退化试验方法的研究现状
对于10种可靠性高、使用寿命长的产品,当失效观察测量值很少或没有时,恒定应力退化试验方法成为评价产品可靠性的有效方法,在这种试验方法中,当产品的重要性能参数逐渐退化到临界阈值时,产品被定义为退化失效。
自20世纪60年代末以来,国内外对恒定应力退化试验方法进行了研究。1969年,Gertsbackh等人首次指出了利用性能退化数据评估产品可靠性的价值,并提出了一个斜率和截距随机参数的简单线性模型。姚增琪在研究了系统退化和系统可靠性的相关问题后指出,用性能退化的观点来研究系统可靠性是一个全新的课题,这将为系统可靠性的研究开辟一条新的途径。米克等人在研究高可靠性产品的可靠性评估时也指出,恒定应力退化试验方法可以解决目前传统可靠性理论不适合工程应用的问题。
总之,在过去的40年里,持续应力退化测试方法得到了工程师、统计学家和生产设计师的广泛关注和不断发展。然而,模糊神经网络对于十种高可靠性、长寿命的产品来说,在正常应力水平下进行退化测试仍然需要大量的时间和费用,并且很难测量其性能退化数据。因此,正常应力退化试验方法在工程实践中很少应用,加速退化试验就是在这种背景下出现的。
2.2加速退化试验方法的研究现状
加速退化试验是指在失效机理保持不变,产品置于比正常条件恶劣十倍的环境或工作压力下的性能退化试验。本试验的目的是确定系统、子系统、相对设备和材料的性能退化轨迹,并通过从fn外推获得它们在设计或使用条件下(正常应力水平)的寿命和可靠性。
加速降解试验方法的研究始于1980年代。1981年,尼尔森分析了绝缘材料在不同应力水平下的性能和退化之间的关系。他首先假设温度是唯一确定的随时间退化的加速因子,然后描述绝对温度、中值击穿电压(退化量)和时间之间的关系,最后给出加速退化试验获得的性能退化数据的模型和分析方法,并根据性能退化关系估计产品的寿命(失效时间)分布。
自20世纪90年代以来,加速退化试验方法迅速成为解决高可靠性、长寿命产品可靠性评估和贮存寿命评估问题的新方法。尼尔森是第一个在这一领域开展研究的人,在应用领域、统计模型和数据分析方面取得了丰硕的研究成果。此后,加速退化测试方法发展迅速,并已广泛应用于各种产品,包括发光二极管[[4)、逻辑集成电路\' \']、电源“IS”碳膜电阻器[16)、疲劳裂纹扩展“16、17”等。
根据加速应力在试验中的应用方式,加速退化试验可分为恒定应力加速退化试验、步进应力加速退化试验和顺序应力加速退化试验。其中,恒应力加速降解试验和步进应力加速降解试验是当前研究的重点。Ifn顺序应力加速退化试验难以从10个试验应力中控制,在实际工程中应用较少,相应的研究工作也较少。
1.2.2.1恒定应力加速退化试验方法
恒定应力加速退化试验方法是指在恒定加速应力下对产品进行退化试验,并利用试验中收集的性能退化数据对产品进行可靠性建模和分析的方法。该测试方法将所有测试样品分成几组,同时在十个以上不同的应力水平下进行降解测试(所有十个都高于正常条件下产品承受的应力水平)。在整个测试过程中,施加在样品上的应力水平保持不变,当测试时间达到规定时间或一定数量样品的性能退化量达到规定阈值时,测试停止。
在恒定应力加速降解试验的研究中,布朗热}lg]等。假设产品的最大降解量是应力的函数,目标产品的降解量逐渐接近最大降解量,提出一种恒定应力加速降解试验设计方法——一步两步分析法。该试验设计方法首先确定应力水平的选择和各应力水平下试样的分布比例,然后优化给定应力水平下各试样降解量的测量时间。然而,Ifn,这种测试方法是在未知截断时间的条件下进行的,因为Ifn在实际应用中有一定的局限性。在假设试验具有破坏性的情况下,Park}l}]等人通过使正常应力水平下产品平均寿命的渐进方差最小化,优化了恒定应力加速降解试验中的应力水平数量、每个应力水平下的试样分布和测量时间。Yu} 2O等人提出用可视化方法确定恒应力加速退化试验的最佳截止时间,解决了恒应力加速退化试验需要多长时间才能获得足够的性能退化数据来推断正常应力水平下产品寿命的实际问题,并将该方法应用于发光二极管的可靠性评估。[21,22]研究了恒应力加速退化试验的设计和优化方法。其基本思想是通过最小化正常应力水平下产品平均寿命的均方误差来确定测试中应力水平的数量和每个应力水平下测试样品的分布。Yang等人研究了使用可变失效阈值的恒定应力加速退化试验设计方法。试验设计方法通过改变失效阈值获得更多的寿命信息,建立寿命与失效阈值和应力之间的关系,并从Ifn评价正常应力水平和失效阈值下的产品寿命分布。该方法以正常应力水平下寿命的逐渐变化和失效阈值为优化目标,估计各应力水平下变化的失效阈值、应力水平数和试样分布。Belie等人介绍了一种用deca混凝土进行恒应力加速退化试验的方法,并详细介绍了试验过程、性能退化数据测量方法和数据处理方法。托马斯等人提出了一套恒定应力加速退化试验方案,主要包括两个阶段:第一,通过设计筛选试验确定加速因子;然后设计退化测试,并将收集的性能退化数据用于评估产品的使用寿命。最后,如果分析结果满足精度要求,将停止测试,否则将重新设计退化测试,以提高产品的寿命评估精度。此外,还讨论了恒应力加速退化试验数据的建模与分析方法,并以文件离子电池为例进行了详细的
分析。Yu}2}\'2}]以产品在生产点的寿命估计值的均方偏差为优化目标,以测试的总成本为约束条件,测试样本大小、性能下降测量次数、测量间隔时间等。在恒定应力加速退化试验中的每个应力水平下,确定。极化曲线2G\' 29}}}根据最小MTTF原理,利用威布尔性能退化反数据设计了一种恒定应力加速退化试验方案。在测试成本的约束下,该方案可以转化为非线性整数规划问题。通过解决该问题,可以获得不同应力水平下的样本量、性能退化测量时间和测量间隔时间。最后,将测试方案应用于发光二极管的可靠性评估,并分析了可靠性模型参数的灵敏度和鲁棒性。
这一领域的国内研究工作大多集中在材料上。徐显志等人详细论述了当时氧化锌避雷器恒应力加速退化试验方法中存在的问题,并提出了改进建议。黄陈宝·[]详细介绍了一种全紫外恒应力加速降解试验方法及其应用,并介绍了利用该试验方法获得的初步数据和结果。卢伟力等给出了通过人工恒应力加速降解试验进行产品可靠性评估的组织和实施方法,并以非金属材料为例,给出了试验数据存储可靠性的计算方法。湿热条件下,孙桂芝·[33]等人采用恒应力加速降解试验对防潮领域的新型材料——PAP-D铝塑复合材料进行了分析,并对其在正常应力水平下的使用寿命和应用前景进行了评价。张凯·[34]等人综述了橡胶材料的各种恒应力加速降解试验方法及其寿命预测方法,讨论了它们的特点和变形问题,并给出了相应的处理方法。胡文君·[35]等介绍了热氧应力加速降解橡胶的试验方法和寿命预测方法。刘秀生[·[36]等人利用紫外线对漆膜进行了恒应力加速降解试验,测量了漆膜的光泽和色差,掌握了它们的变化规律。乔·夏海·[·[等综述了聚合物基复合材料恒应力加速降解试验的研究进展。从测试方法和降解机理方面,主要介绍了湿热降解、腐蚀侵蚀和人工气候降解,总结了高置信度和高可靠性条件下复合材料使用寿命的评估方法,并对复合材料恒应力加速降解测试方法的研究工作进行了展望。肖鑫等人简要总结了橡胶材料在载荷和非载荷条件下恒定应力加速降解试验方法和试验方法的新进展,并总结了橡胶材料在计算机模拟、动力学等领域寿命评估模型的新发展。研究工作的其他方面包括:冯志刚[39]等人分析了美、俄等发达国家关10导弹恒应力加速退化试验的研究现状和试验思路,总结了国外的先进经验,并在此基础上提出了导弹贮存试验的一些设想。涂亚顺·[在博士论文中详细论述了基于逆威布尔模型的恒应力加速退化试验的设计优化方法,并通过实例分析,将该方法与基于十项分析的恒应力加速退化试验的设计优化方法进行了比较,验证了其有效性。
1.2.2.2步进应力加速降解试验方法
恒定应力加速降解试验方法对不同应力水平下的样品尺寸有一定要求,但是}fn只有少量样品可用于十种新开发或昂贵产品的试验。为了克服这一困难,研究人员提出了一种逐步应力加速降解试验方法。在这种类型的测试中,首先将所有的测试样品置于10个较低(但10个较高的正常应力水平)的恒定应力水平下一段时间,然后应力水平逐渐增加,当测试时间达到指定时间或一定数量的样品的性能退化量达到指定阈值时,测试停止。与十次恒应力加速降解试验相比,能有效减少试验时间,节约试验成本。
目前,对步进应力加速降解试验、曾}41]等的研究很少。使用步进应力加速退化试验分析长寿命产品,建立统计模型,提供数据拟合方法,进行模型诊断等。最后,将这些模型和方法应用于某型发光二极管灯管的寿命评估。在试验具有破坏性的假设下,Park 42]等人讨论了步进应力加速退化试验的优化设计方法,并与恒定应力加速退化试验的设计方法进行了比较。Tang}4}]等人根据测试成本最小的原则设计了双应力步进降解测试,给出了测试中总样品量、低应力下测量次数和总测量量的确定原则。利用基于产品退化过程的随机模型,利用性能退化数据推导出产品可靠性的最大似然估计值、正应力水平下的中值寿命及其渐进偏差。Liao}44]等人假设产品的降解过程是Wiene: process。在总测试成本、测试样本大小、性能下降测量次数、测试间隔时间等约束条件下。在k步应力加速退化试验的每个应力水平下,通过最小化产品寿命分布的p个子位点的渐近方差来确定。廖还介绍了求解优化问题的算法,并对模型参数进行了灵敏度分析。冈萨雷斯45]等基十威布尔可靠性函数用于分析ⅲ-ⅴ型高能聚光太阳能电池的温度步进加速退化试验结果,并给出其平均寿命和相应的置信区间。Tseng}4}]等人讨论了base 10 Gamma工艺步进应力加速退化试验的设计,给出了最佳试验方案,并分析了方案的灵敏度和稳定性。屠德红·[47]等介绍了半导体激光寿命试验的理论基础,并给出了由电流应力确定的寿命试验的数学模型。在此基础上,采用常温电流步进加速退化试验对A1GaInAs/A1GaAs/GaAs808nm大功率半导体激光器进行了分析,并根据该模型计算了器件在正常应力水平下的工作寿命。姜亚顺[48]等人针对单一加速应力水平的极限问题,提出了双应力交叉步进加速退化试验方法,并将该方法应用于电子倍增器的可靠性评估。

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摘要8-9[/BR/]摘要9-10
第一章引言11-19
1.1研究背景和意义11-12
1.2国内外研究现状12-17
1.2.1恒定应力降解试验方法研究现状13
1.2.2加速降解试验方法研究现状13-17 [/BR/] 1.3论文主要内容和结构安排 2.2降解试验26-30
2.2.1恒定应力降解试验26
2.2.2加速降解试验26-30
2.3本章概述30-31
第三章使用减少样品降解试验方法31-40
3.1试验设计和数据收集31-33
3.2数据一致性试验33-34
3.3应用实例34 第4章具有验证信息的加速退化试验方法40-48[/溴/] 4.1试验设计和数据收集40-42[/溴/] 4.2模型验证42[/溴/] 4.3应用实例42-47 [/溴/] 4.3.1可靠性建模42-44[/溴/] 4.3.2可靠性评估44-46[/溴/] 4.3.3可靠性模型验证46-47[/溴/] 4.3.4结果分析47[吴树杰,张春婷.存在成本约束的退化试验的优化设计[]。可靠性工程与系统安全,2002,76(2): 109-11 _ 5。
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