步降应力加速寿命试验的理论和方法

长期以来，高可靠长寿命的量化评估一直是可靠性工程领域的一个技术难题。随着科学技术的迅猛发展，可靠性水平的不断提高，这一问题也日益突出。20世纪60年代发展起来的加速寿命试验技术，为高可靠长寿命评估提供了一个可能的技术途径。近年来，加速寿命试验的理论、方法的研究以及工程应用受到越来越多研究者的广泛关注。 以高可靠长寿命评估的基本需求作背景，本文对一类新的加速寿命试验——步降应力加速寿命试验的理论和方法进行了较为系统的研究，旨在进一步提高加速寿命试验方法的效率，并最终提供一套具有工程化前景的高可靠长寿命评估试验方法。本文的主要研究内容与结论有： 1．针对Weibull分布描述的与耗损失效对应的高可靠长寿命评估，首次提出了步降应力的加速寿命试验方法，并通过理论模型和数值仿真对其效率原理进行研究。 (1)在理论模型研究中，分别建立了步降应力试验累积退化的失效物理模型与累积失效的概率统计模型，并从理论模型的角度对效率原理进行了定性分析。 (2)采用Monte-Carlo方法对步降应力试验的加速效率进行数值仿真研究。结果表明：和目前常用的步进应力试验相比较，步降应力试验应用于该类寿命评估可以较大幅度地缩短试验周期，从而降低评估试验代价。 2．对步降应力加速寿命试验统计分析中的加速因子理论、失效机理漂移辨识、失效检测方法等相关基础问题进行了研究。 (1)从Nelson累积失效模型所包含的等退化累积量折算的基本思想出发，对常见寿命分布下加速因子的统计推断问题进行了讨论，推导了加速因子的统计表达，证明了分布参数约束是失效机理一致的必要条件。 (2)对Weibull分布失效时间检测进行了研究，针对现有方法存在的原理误差建立了Weibull分布失效时间的迭代估计方法，提高了失效时间的检测估计精度。失效时间检测实际上是一个有效试验数据的获取问题。 (3)提出了失效机理漂移辨识这一有效试验数据证实问题，根据机理一致性的必要条件研究了失效机理漂移的统计辨识方法，建立了步降应力加速寿命试验机理漂移辨识的概率图检验，以解决双边截尾数据的假设检验问题。 3．对Weibull分布场合步降应力加速寿命试验的统计分析方法进行了深入的研究。 (1)首先讨论了步进应力试验基于加速模型的折算分析方法的应用。研究表明，基于模型的折算分析方法可以应用于简单加速模型(逆幂率模型和Arrhenius模型)的步降应力试验，但是在复杂加速模型的场合下算法复杂度将急剧增加，并且该方法不利于软件实现，在工程应用方面存在一定的困难。 (2)提出了步降应力试验的三步分析方法，将步降应力试验数据转换为等效的恒定应力试验数据进行统计分析。三步分析方法简化了分析过程，与加速模型的复杂度无关，适 一 用于复杂模型的步降应力试验，并具有流程化的特点，便于软件实现。 0）对三步分析方法中的数据折算进行了深入研究，提出了基于加速因子的折算分析 方法，建立了数值迭代算法以求解其中的分布参数估计问题。 4．由于三步分析方法包含了恒定应力试验的统计分析过程，所以进一步对Weibull分 布场合恒定应力试验的统计分析进行了研究。 （）首先分析了恒定应力试验常用的H步分析方法中存在的不足，指出基于 BLUE和 GLU’E的二步分析方法未考虑到中间估计量之间的相关性，降低了分析模型的拟合优度与 统计分析精度。 （2）提出了Weibull分布场合恒定应力试验的构造数据分析方法，引入中间估计量的二 次估计，以达到改进分析精度的目的。构造数据分析方法避兔了二步分析方法中的大量查 表操作，便于统计分析的软件实现。 5．通过实验对步降应力试验的效率理论与统计分析方法进行了验证。 总之，本文围绕高可靠长寿命评估所急需解决的“用什么试验方法”和“如何统计分 析”的基本问题，从理论和方法两方面对步降应力加速寿命试验进行了较为全面的研究。 本文的研究为高可靠长寿命评估提供了步降应力加速寿命试验的解决方案，揭示了其加速 效率原理，建立了Weibull分布场合步降应力试验的统计分析方法，并最后通过实验进行 了验证。本文的研究结论对于装备寿命工程中的大量评估问题，特别是高可靠长寿命的评 估问题具有重要的理论价值与工程指导意义。本文的研究内容虽然主要围绕步降应力加速 寿命试验进行，但是许多研究内容，如加速因子的统计推断，失效机理漂移辨识，失效时 间检测，构造数据分析方法等，却是加速寿命试验的共性问题，对于整个加速寿命试验技 术的研究具有普遍的借鉴意义。