王學(xué)孔，江露，張鐘文，鐘云龍，解禾

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東　廣州　510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東　廣州　510610；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣東　廣州　510610；4.陸軍南京軍代局駐上海地區(qū)軍事代表室，上?！?01109）

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利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)制定可靠性試驗(yàn)剖面綜述

王學(xué)孔1，2，3，江露4，張鐘文1，2，3，鐘云龍1，2，3，解禾1，2，3

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510610；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性與環(huán)境工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣東廣州510610；4.陸軍南京軍代局駐上海地區(qū)軍事代表室，上海201109）

首先，分析了利用可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算可靠性試驗(yàn)剖面的局限性；然后，介紹了利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)制定可靠性試驗(yàn)剖面的益處；最后，總結(jié)了利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)制定可靠性試驗(yàn)剖面的一般過程及常用的數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)于今后可靠性試驗(yàn)剖面的制定具有一定的指導(dǎo)意義。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；可靠性；試驗(yàn)剖面；歸納方法

0　引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的可靠性越來越受到人們的重視，特別是在航空航天領(lǐng)域。目前，由于試驗(yàn)時(shí)間和成本的制約，為了快速地評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性水平，在可靠性增長(zhǎng)和鑒定試驗(yàn)中，一般運(yùn)用內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)M其外場(chǎng)環(huán)境剖面的方式并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理來計(jì)算產(chǎn)品的可靠性水平。因此，能否準(zhǔn)確地模擬產(chǎn)品實(shí)際的使用環(huán)境剖面便成為了內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)是否有效的關(guān)鍵問題。

1　直接根據(jù)可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算試驗(yàn)剖面的局限性

GJB 899《可靠性鑒定試驗(yàn)測(cè)試》和GJB 899A《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》推薦的確定試驗(yàn)應(yīng)力的先后次序的原則為：1）實(shí)測(cè)應(yīng)力；2）估計(jì)應(yīng)力，只有在無法得到實(shí)測(cè)應(yīng)力的情況下方可使用估計(jì)應(yīng)力；3）參考應(yīng)力，只有在無法得到實(shí)測(cè)應(yīng)力或估計(jì)應(yīng)力的情況下方可使用參考應(yīng)力。

但是，長(zhǎng)期以來，在可靠性試驗(yàn)過程中多數(shù)采用可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的應(yīng)力或按其提供的數(shù)據(jù)、公式和方法推導(dǎo)出的應(yīng)力，即參考應(yīng)力。這不論是從理論上還是從工程實(shí)際效果來看，都存在一定的問題。

1.1從標(biāo)準(zhǔn)制定上說明按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算試驗(yàn)剖面存在的問題

到目前為止，我們對(duì)GJB 899編制的背景材料仍缺乏更加深入的研究，這勢(shì)必會(huì)造成理解上的誤區(qū)和實(shí)際應(yīng)用上的困難。我們對(duì)GJB 899編制的理論基礎(chǔ)、相關(guān)公式的背景材料和公式的推導(dǎo)原理與過程都還不夠清楚。以空中發(fā)射武器和組合式外掛及其設(shè)備為例，其可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式、試驗(yàn)方式及方法和提供的例證基本上都是直接引用美軍標(biāo)的相關(guān)內(nèi)容，參照這些標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)內(nèi)型號(hào)制定可靠性試驗(yàn)剖面時(shí)，出現(xiàn)了許多問題。雖然知道國(guó)軍標(biāo)中存在一些問題，但是，由于缺乏依據(jù)而不得不貫徹國(guó)軍標(biāo)的現(xiàn)象已經(jīng)屢見不鮮［1］。

GJB 899是以美軍標(biāo)MIL-STD-781為藍(lán)本編制的，GJB 899中的計(jì)算公式、試驗(yàn)方式及方法、試驗(yàn)流程和提供的例證基本上都是直接引用相應(yīng)的美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容，而美軍標(biāo)MIL-STD-781中的可靠性試驗(yàn)應(yīng)力都是以美軍飛機(jī)、艦艇等平臺(tái)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)確定的。但是，美軍現(xiàn)役飛機(jī)、艦艇等平臺(tái)的任務(wù)剖面、外形、動(dòng)力裝置、機(jī)載、艦載設(shè)備功率和環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等都與我國(guó)現(xiàn)役軍用飛機(jī)、艦艇平臺(tái)存在一定的差異，不一定完全適合我們的實(shí)際情況，因此，利用上述數(shù)據(jù)編制的可靠性試驗(yàn)剖面，勢(shì)必會(huì)對(duì)試驗(yàn)的效果和準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

1.2從工程實(shí)踐說明按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算試驗(yàn)剖面存在的問題

在我們實(shí)際的試驗(yàn)過程中會(huì)遇到內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)效果與外場(chǎng)實(shí)際的使用狀態(tài)不一致的現(xiàn)象。

例如：不久前，在做某型彈的環(huán)境適應(yīng)試驗(yàn)的過程中，三枚彈都在較短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了相同部位的結(jié)構(gòu)損壞故障，但是在外場(chǎng)使用過程中未出現(xiàn)此類故障。根據(jù)彈的相關(guān)參數(shù)，按GJB 899提供的計(jì)算公式計(jì)算出來的振動(dòng)能量只分布在443 Hz以下，但是，如果是彈上設(shè)備按GJB 899提供的計(jì)算公式計(jì)算，其在443～2 000 Hz處也有能量分布。由此可以看出，整彈和彈上設(shè)備的振動(dòng)譜存在較大的差異，整彈的上限頻率比彈上設(shè)備的上限頻率要小得多?？偩礁铀俣戎凳钦駝?dòng)譜線包絡(luò)面積的平方根，當(dāng)總均方根加速度值為1時(shí)，由于整彈的上限頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彈上設(shè)備的上限頻率，因而會(huì)導(dǎo)致其計(jì)算得出的整彈的功率譜密度要大于彈上設(shè)備的功率譜密度的問題。對(duì)于給定的任務(wù)剖面，由于整彈和彈上設(shè)備的飛行動(dòng)壓和位置因子均相同，所以兩者的掛飛振動(dòng)量值調(diào)節(jié)因子也相同，總均方根加速度值相等，因而會(huì)造成整彈的試驗(yàn)功率譜密度大于彈上設(shè)備的試驗(yàn)功率譜密度，尤其是整彈低頻段的試驗(yàn)功率譜密度會(huì)較大，在長(zhǎng)時(shí)間的可靠性試驗(yàn)中將對(duì)整彈的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生不符合實(shí)際情況的影響。理論分析認(rèn)為，噴氣式飛機(jī)整彈的掛飛振動(dòng)主要是由作用在整彈外表面的氣動(dòng)擾流產(chǎn)生的寬帶隨機(jī)振動(dòng)和通過掛架由載機(jī)傳遞過來的隨機(jī)振動(dòng)，整彈振動(dòng)通過結(jié)構(gòu)傳遞到彈上的設(shè)備，彈上設(shè)備的輸入振動(dòng)在本質(zhì)上與外掛的響應(yīng)振動(dòng)相同，兩者的振動(dòng)譜不應(yīng)相差太大，因此，這種由總均方根值反推功率譜密度的方法不太適宜。

再如：某型機(jī)載電子設(shè)備在做環(huán)境鑒定和可靠性鑒定試驗(yàn)時(shí)一次性地通過，但在外場(chǎng)使用中故障率偏高。

通過以上討論，可以確定上述兩種現(xiàn)象均是由內(nèi)場(chǎng)模擬試驗(yàn)未能真實(shí)地模擬產(chǎn)品實(shí)際的使用環(huán)境所造成的，前者應(yīng)為內(nèi)場(chǎng)應(yīng)力遠(yuǎn)大于外場(chǎng)環(huán)境應(yīng)力造成的，后者為內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)力小于外場(chǎng)環(huán)境應(yīng)力造成的。

2　用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)制定可靠性試驗(yàn)剖面的益處

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以獲得產(chǎn)品實(shí)際的環(huán)境應(yīng)力剖面，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行工程化處理，然后將其用于內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)可以更加真實(shí)地模擬產(chǎn)品實(shí)際的使用環(huán)境狀態(tài)。

為了更真實(shí)地模擬裝備的使用環(huán)境，在MILSTD-810G中已經(jīng)有多激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)的方法。由于多激勵(lì)振動(dòng)試驗(yàn)除了需要振動(dòng)幅度的信息，還需要相位和相關(guān)性的信息，而這些信息與裝備的安裝平臺(tái)的關(guān)系更加密切，所以實(shí)測(cè)就變得更加重要和必要了。

另外，可以利用國(guó)產(chǎn)軍用設(shè)備的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與GJB 899提供的相關(guān)公式和數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分析，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂和完善，以使其更加適合國(guó)內(nèi)軍用設(shè)備的實(shí)際情況，只有利用這樣的數(shù)據(jù)編制的可靠性試驗(yàn)剖面才能更真實(shí)地反映出設(shè)備所承受的實(shí)際應(yīng)力水平，利用這樣的剖面進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)才能更加真實(shí)、有效。

3　利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)制定試驗(yàn)剖面的過程

根據(jù)文獻(xiàn) ［2］-［3］中的有關(guān)規(guī)定，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)制定試驗(yàn)剖面包括兩個(gè)基本階段，即數(shù)據(jù)預(yù)處理與分析階段和數(shù)據(jù)歸納階段，有必要的話，還需要進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的回歸與外推。在進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)歸納前，所完成的數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理工作主要應(yīng)包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理3個(gè)部分。

3.1數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理與分析是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)歸納的基礎(chǔ)，預(yù)處理與分析直接決定了數(shù)據(jù)歸納的有效性和合理性，同時(shí)數(shù)據(jù)處理作為數(shù)據(jù)歸納的準(zhǔn)備工作，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)歸納提供初始輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理的結(jié)果數(shù)據(jù)就是數(shù)據(jù)歸納的樣本數(shù)據(jù)。為了給數(shù)據(jù)歸納提供科學(xué)、有效的輸入，應(yīng)首先對(duì)實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)處理。

a）數(shù)據(jù)預(yù)處理包括：1）一般性檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)一般性檢驗(yàn)主要包括檢查信號(hào)中是否有異常的峰值和變化，與狀態(tài)參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是否合理等，發(fā)現(xiàn)無效信號(hào)后進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砘驑?biāo)記出位置以便數(shù)據(jù)歸納時(shí)處理；2）零均值化處理，為了消除數(shù)據(jù)采集過程中的直流分量便于以后的數(shù)據(jù)計(jì)算處理，將振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行零均值化 （也叫中心化）處理；3）數(shù)據(jù)標(biāo)定，將每個(gè)測(cè)試通道的測(cè)試精度和靈敏度等標(biāo)定值輸入數(shù)據(jù)處理軟件，以保證在數(shù)據(jù)采集過程中將數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成所需要的形式。

b）數(shù)據(jù)檢驗(yàn)主要包括：1）平穩(wěn)性檢驗(yàn)和各態(tài)歷經(jīng)檢驗(yàn)，因?yàn)橹挥衅椒€(wěn)和各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過程，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析才有意義，因此，在正式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前，應(yīng)首先對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性和各態(tài)歷經(jīng)進(jìn)行檢驗(yàn)；2）周期性檢驗(yàn)，使用自相關(guān)函數(shù)和功率密度曲線對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性的檢驗(yàn)；3）正態(tài)性檢驗(yàn)，使用幅值概率密度曲線對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。

c）數(shù)據(jù)處理包括對(duì)均方根值和功率譜的處理。

3.2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)歸納方法

以環(huán)境試驗(yàn)為目的的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的歸納方法有許多種，例如：綜合包線法、狀態(tài)包線法［4］和區(qū)域包線法［5］等。

a）綜合包線法是通過綜合相應(yīng)情況下的全部應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)得出總的包絡(luò)線，作為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)量值曲線，對(duì)功能試驗(yàn)的試驗(yàn)時(shí)間大多憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，并無適當(dāng)?shù)睦碚撘罁?jù)。該方法可細(xì)分為作圖包絡(luò)線法、區(qū)間估計(jì)包絡(luò)線法和瞬時(shí)值等百分比包絡(luò)線法。

b）狀態(tài)包線法只對(duì)一定狀態(tài)下的所有測(cè)量數(shù)據(jù)歸納包線。比起綜合包線方法，該方法對(duì)具體狀態(tài)下的測(cè)量數(shù)據(jù)的歸納結(jié)果的準(zhǔn)確性更高。此外，該方法還可利用各種狀態(tài)經(jīng)歷時(shí)間設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)間，這樣就可以將試驗(yàn)時(shí)間建立在比較合理的基礎(chǔ)上。

c）區(qū)域包線法首先將軍用設(shè)備安裝平臺(tái) （例如：飛機(jī)）劃分為幾種類型，并按軍用設(shè)備的安裝部位將其劃分成幾個(gè)或十幾個(gè)合理的區(qū)域，然后對(duì)不同類型的平臺(tái)和不同的區(qū)域進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力實(shí)測(cè)處理。

雖然以上方法不能滿足可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納的要求，但其與可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納的原理和內(nèi)容基本是一致的，只是方法不同。

以可靠性試驗(yàn)為目的的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)歸納方法有統(tǒng)計(jì)容差法［6］和累積損傷等效歸納方法［1］。

a）統(tǒng)計(jì)容差法是數(shù)據(jù)歸納從傳統(tǒng)的上限包絡(luò)法到以統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)進(jìn)行置信區(qū)間估計(jì)的質(zhì)的飛躍。

b）累積損傷等效歸納法的基本思想是根據(jù)環(huán)境應(yīng)力的作用機(jī)理，利用累積損傷等效的基本理論和計(jì)算方法將特定狀態(tài)下所有的環(huán)境應(yīng)力按不同的量值和不同的持續(xù)時(shí)間通過一定的轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)換成在相同試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的等效應(yīng)力量值。

3.3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸與外推

由于各種條件的限制，不可能得到所有狀態(tài)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，尤其是飛機(jī)邊界飛行狀態(tài)。因此，為了滿足編制可靠性試驗(yàn)剖面的需求，必須對(duì)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)歸納的結(jié)果進(jìn)行回歸和外推，具體的方法及步驟參見文獻(xiàn)［1］。

4　結(jié)束語

本文通過對(duì)利用國(guó)軍標(biāo)計(jì)算可靠性試驗(yàn)剖面的局限性進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)中碰到的問題，認(rèn)為應(yīng)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)制定可靠性試驗(yàn)剖面是非常必要的，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來修正和完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的意義也非常大。此外，本文還總結(jié)了利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)制定可靠性試驗(yàn)剖面的一般過程及相關(guān)方法。

［1］刁文琦.利用實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)制定可靠性振動(dòng)試驗(yàn)剖面技術(shù)研究 ［D］.北京：北京航空航天大學(xué)，2002.

［2］飛機(jī)飛行振動(dòng)環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)處理的一般技術(shù)要求：HB/Z 86-84［S］.

［3］動(dòng)力學(xué)環(huán)境數(shù)據(jù)采集和分析指南：GJB/Z 222-2005［S］.

［4］姚起杭.英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)3G·100機(jī)載設(shè)備的通用標(biāo)準(zhǔn)［J］.航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，1975（3）：26-41.

［5］飛機(jī)飛行振動(dòng)環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)的歸納方法：HBJZ 87-1984［S］.

［6］中國(guó)人民解放軍總裝備部.振動(dòng)、沖擊環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)歸納方法：GJB/Z 126-99［S］.

Summary of Designing Reliability Test Profile Based on Measured Data

WANG Xue-kong1，2，3，JIANG Lu4，ZHANG Zhong-wen1，2，3，ZHONG Yun-1ong1，2，3，XIE He1，2，3
（1.CEPREI，Guangzhou 510610，China；2.Guangdong Provincia1 Key Laboratory of E1ectronic Information Products Re1iabi1ity Techno1ogy，Guangzhou 510610，China；3.Guangdong Provincia1 Research Center of E1ectronic Information Products Re1iabi1ity and Environment Engineering Techno1ogy，Guangzhou 510610，China；4.Mi1itary Representative office of Army Nanjing Mi1itary Representative Bureau in Shanghai，Shanghai 201109，China）

First1y，the 1imitations of ca1cu1ating re1iabi1ity test profi1es according to re1iabi1ity test standards are ana1yzed.And then，the advantages of ca1cu1ating re1iabi1ity test profi1es with measured data are presented.Fina11y，the genera1 process of ca1cu1ating re1iab1i1ity test profi1es with measured data and common data processing methods are summarized，which has a certain guiding significance for the future deve1opment of the re1iabi1ity test profi1es.

measured data；re1iabi1ity；test profi1e；inductive method

TB 114.37

A

1672-5468（2016）03-0072-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.014

2016-01-07

2016-05-17

王學(xué)孔 （1982-），男，河南信陽人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所可靠性與環(huán)境工程研究中心工程師，碩士，主要從事可靠性試驗(yàn)技術(shù)和可靠性仿真試驗(yàn)技術(shù)的研究工作。