加速壽命試驗:科學名詞-中文百科頻道

簡介

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的統計模型對在超出正常應力水平的加速環境下獲得的信息進行轉換，得到産品在額定應力水平下的特征可複現的數值估計的一種試驗方法。簡言之，加速壽命試驗是在保持失效機理不變的條件下，通過加大試驗應力來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進行産品的壽命試驗，從而縮短了試驗時間，提高了試驗效率，降低了試驗成本。

進行加速壽命試驗必須确定一系列的參數，包括(但不限于)：試驗持續時間、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、外場環境、試驗環境、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确定産品壽命，關鍵是确定加速因子，而有時這是最困難的。一般用以下兩種方法。

加速壽命試驗技術相對于傳統的壽命試驗技術，效率高，成本低，是可靠性數學與可靠性工程領域的一個研究熱點，對高可靠、長壽命産品的定壽延壽研究具有重要的應用價值。目前加速壽命試驗技術在民用領域使用得很廣泛，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，軍用後勤裝備領域逐步出現長期儲存的高可靠、長壽命裝備，基于軍事效益和經濟效益的雙重需求，對這類裝備的儲存壽命評估研究也逐步受到關注。随着研究的不斷深入，加速壽命試驗技術在該領域将具有廣泛的應用前景。

随着我國在航天、航空、核電、化工等領域的迅速發展,屏蔽閥門的使用工況變得複雜多樣,例如低溫、高溫、高壓、振動以及濕度等,這就需要對于屏蔽閥門的可靠性和安全性進行深入的探究。在許多情況下,閥門的壽命取決于多個同時作用的應力,因此需要開展多應力的加速壽命試驗。

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。實現這個基本思想的關鍵在于建立壽命特征與應力水平之間的關系。這種壽命特征與應力水平之間的關系就是通常所說的加速模型，又稱加速方程。加速模型在通常情況下是一個非線性曲線，但是可以通過對壽命數據和應力水平進行适當的數學變換，如對數變換、倒數變換等，将其轉換為線性模型。加速模型可以分為失效物理加速模型和數學統計加速模型兩大類。

失效物理加速模型是通過與失效機理相關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表達形式為己知，隻是模型參數待定，所以，基于失效物理加速模型的加速壽命試驗的基本任務就是通過試驗對模型參數進行辨識。這類加速模型主要有Arrhenius模型、逆幂律（InversePowerLaw，IPL）模型、單應力Eyring模型、廣義Eyring模型。此外，由Arrhenius模型和逆幂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。

加速因子

加速因子是加速壽命試驗的一個重要參數。它是加速應力下産品某種壽命特征值與正常應力下壽命特征值的比值，也可稱為加速系數，是一個無量綱數。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。

國内外已對加速因子及其性質進行了深入研究。最初，指數分布、正态分布、Weibull分布等壽命分布類型的加速因子被定義為産品在兩種不同應力水平下的平均壽命之比，後來有學者進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，其定義不僅依賴于壽命分布，還依賴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緻有基于統計推斷和基于預計技術兩類，基于預計技術的方法雖然簡單，但是不能給出加速因子的精确值，因而在壽命評估中不如基于統計推斷的方法更有研究價值和發展前途。

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、逆幂律模型、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。這些研究成果為今後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驗色彩，一些理論基礎問題仍未得到解決。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系；加速因子的性質和用途等。因此，對加速因子的研究不容忽視，有待更加精确、有效、簡便的确定方法來推動壽命評估和可靠性評估理論的發展。

類型

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、步進應力試驗和序進應力試驗三種基本類型，如圖1所示。它們分别表示了三種基本加速壽命試驗的應力加載曆程。

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

其特點是對産品施加的“負荷”的水平保持不變，其水平高于産品在正常條件下所接受的“負荷”的水平。試驗是将産品分成若幹個組後同時進行，每一組可相應的有不同的“負荷”水平，直到各組産品都有一定數量的産品失效時為止。恒定應力試驗的應力加載時間曆程見圖1中的(a)，優點是模型成熟、試驗簡單、易成功，缺點是試驗所需試樣多，試驗時間較長。這種試驗應用最廣。

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

此試驗對産品所施加的“負荷”是在不同的時間段施加不同水平的“負荷”，其水平是階梯上升的。在每一時間段上的“負荷”水平，都高于正常條件下的“負荷”水平。因此，在每一時間段上都會有某些産品失效，未失效的産品則繼續承受下一個時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間)時為止。步進應力試驗的應力加載時間曆程見圖1中的(b)，優點是試驗所需試樣較少，加速效率相對較高，缺點是試驗數據統計分析難度大。

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

序進應力試驗方法與步進應力試驗基本相似，區别在于序進應力試驗加載的應力水平随時間連續上升。圖1中的(c)表示了序進應力加載最簡單的情形，即試驗應力随時間呈直線上升的加載曆程。序加試驗的特點是應力變化快，失效也快，因此序加試驗需要專用設備跟蹤和記錄産品失效。這種試驗方法優點是效率最高，缺點是需要專門的裝置産生符合要求的加速應力，相關研究和應用較少。

進行試驗的條件

若加速壽命與實用壽命的失效模式相同，即可運用加速壽命試驗。但實際上，有時失效模式相同，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的話，加速性就變化。在長期的研發改進過程中，産品的設計或制造方法都可能發生變化，顧客的使用條件方可能發生變化;或是以規定的技術方法所生産的産品，也因存在無法控制的因素影響，造成失效機構的改變，這些都可能造成無法利用加速壽命試驗。

例如，電子管的壽命滿足Arrhenius的關系式，所以可提高陰極溫度，實施加速壽命試驗。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，都會顯著減短壽命。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的減少而使電子放射特性劣化，但陰極溫度減低的話，管内不純氣體的作用亦會使電子放射特性劣化;若不取電流而動作的話，陰極内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。故電子管須檢讨實際使用時陰極溫度的偏差、間歇動作等條件，才能決定實施加速壽命試驗之方法。

除了以上所提的問題外，在規劃加速壽命試驗時須綜合考慮下列問題，才能選定加速壽命試驗的條件，以決定其适用的範圍：

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、失效發生時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适用範圍的問題。

3、可在若幹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，以較短試驗時間評估壽命的效用。

4、産品在實地使用狀況下，應力的變動大，失效發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，因此利用實驗數據推定實際使用壽命時，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。