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题目:综合应力加速试验的优化设计与评估方法研究

关键词:电子设备;综合应力;加速贮存试验;加速模型;优化设计;均匀正交设计;贮存寿命评估;极大似然估计;回归估计

  摘要


    对于导弹产品来说,通常贮存时间占据整个寿命周期的90%以上,导弹的贮存可靠性不仅是工业生产部门的一项重要的研制指标,也是部队战斗力的根本保证。目前加速贮存试验技术主要以单应力为基础展开研究,由于综合应力加速贮存试验理论较为复杂,对于综合应力情况下的研究较少。然而导弹在贮存期间会受到温度、湿度等应力的影响,有必要开展综合应力加速贮存试验的理论研究。本文以弹上电子设备为研究对象,开展了以下几方面的工作:

    对导弹在贮存期内可能遭遇的环境应力进行分析,据此对涵盖这几种应力的加速模型进行了适用性分析,为导弹加速贮存试验的模型选择提供了参考依据。针对阿伦尼斯模型仅适用于温度在较低范围内变化的情况,给出了一种分段非线性的阿伦尼斯模型的修正方法。结合步退应力加速试验优点,给出了一种在工程实践中利用分段非线性阿伦尼斯模型对步退应力加速贮存试验进行评估的方法,从而为加速模型的修正与应用提供了依据。

    本文给出了综合应力加速贮存试验方案的剖面设计需要考虑的因素,并分析了正交试验设计、均匀试验设计和均匀正交试验设计的优缺点,最后确定采用均匀正交试验设计对综合应力加速贮存试验的应力进行搭配。根据电子设备的特性以及在贮存期间受到的主要环境应力,确立了弹上电子设备的失效寿命分布及加速模型。

    针对电子产品在贮存过程中受到的环境应力的复杂性及现阶段主要应用单应力进行加速贮存试验的现状,为制定合理综合应力加速贮存试验方案以指导长寿命电子产品的加速贮存试验,分别提出了基于恒定应力和步退应力的综合应力加速贮存试验优化设计方法。恒定应力下,本文建立了弹上电子设备在环境温度和湿度应力综合作用下的基于恒定应力的加速贮存试验方案的优化设计模型,基于此模型,采用均匀正交试验设计方法,对某电度表的基于恒定应力的综合应力加速贮存试验方案进行了优化设计。将各加速应力的应力水平限制为 ,通过算例比较k=3、k=4以及k=5三种方案的不同温湿应力组合下的最小渐近方差因子和所需的最小样本数量,得出k=5时的渐近方差因子最小且所需的最少样本量也最小,即目标最优。优化结果表明,采用均匀正交试验设计方法对试验方案进行优化设计,既可以保持估计精度,又可以减少试验所需的样本量,缩短试验所需的时间,节约试验所需的费用。

    在步退应力加速试验下,本文提出一种基于累积损伤理论的温-湿综合应力加速贮存试验方案的优化设计方法。应用均匀正交试验设计理论,确定了步退应力加速贮存试验不同应力水平下的试验次数及温湿应力组合方式。以电子设备在正常贮存应力水平下中位寿命估计值的最小渐近方差为目标,以各加速应力水平为设计变量,建立了温-湿综合应力加速贮存试验方案优化设计的模型。对某电度表的综合应力加速贮存试验进行优化设计,利用遗传算法得到k=5时的方案为最优方案。为提高可信度,利用蒙特卡洛仿真比较各方案下的最小渐近方差及最小渐近方差均值的波动性,进一步证明k=5时的方案为最优方案。经过优化以后的基于步退应力的综合应力加速贮存试验方案不仅具有恒定应力下的综合应力加速贮存试验的优点,而且也可以解决小样本的综合应力加速贮存试验。

    本文分别建立了恒定应力和步退应力下的综合应力加速贮存试验评估方法。恒定应力下的综合应力加速贮存试验评估方法主要介绍了极大似然估计法和秩回归法。以某电度表的综合应力加速贮存试验为例,采用经优化后的加速贮存试验方案,利用Monte-carlo生成仿真数据,采用本文给出的秩回归法对算例进行评估分析,最后得到的结果与预先设定的贮存寿命的误差在10%左右,说明了秩回归法用于评估恒定应力下综合应力加速贮存试验结果的准确性。由于步退应力加速试验涉及到失效数据的累积损伤原理,因此,在进行基于步退应力的综合应力加速贮存试验数据的评估时存在一定的难度,本文只给出了利用极大似然估计方法评估加速模型参数的过程。

    在文章的最后,总结了全文的研究内容并对今后的工作进行了展望。