基于溫度應(yīng)力下魚雷貯存壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h1>
2016-10-13 02:45:47張百勇李宏勝
水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào) 2016年3期
張百勇，劉 凱，孫 炯，李宏勝，林 洋
（1.海軍工程大學(xué) 兵器工程系，湖北 武漢，430033；2.海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢，430033；3.海軍東海艦隊(duì) 裝備部，浙江 寧波，315121）
基于溫度應(yīng)力下魚雷貯存壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>
張百勇1，劉凱2，孫炯2，李宏勝3，林洋1
（1.海軍工程大學(xué) 兵器工程系，湖北 武漢，430033；2.海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢，430033；3.海軍東海艦隊(duì) 裝備部，浙江 寧波，315121）
針對(duì)魚雷貯存壽命評(píng)估問(wèn)題，分析了影響魚雷貯存壽命的主要環(huán)境因素，提出采用溫度應(yīng)力進(jìn)行魚雷加速壽命試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上利用Arrhenius模型進(jìn)行魚雷貯存壽命評(píng)估，給出了加速壽命試驗(yàn)方法及Arrhenius模型參數(shù)的確定方法，并通過(guò)選取影響魚雷貯存壽命的典型組件進(jìn)行加速試驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型的合理性。文中所作研究對(duì)魚雷加速壽命試驗(yàn)和常溫下貯存壽命的評(píng)估有一定的指導(dǎo)意義。
魚雷；加速壽命試驗(yàn)；溫度應(yīng)力；Arrhenius模型
0 引言
魚雷是主要的反艦、反潛武器，其性能的穩(wěn)定與否直接關(guān)系著海軍潛艇作戰(zhàn)能力，在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著不可替代的作用。魚雷具有“長(zhǎng)期貯存，一次使用”的特點(diǎn)，影響魚雷貯存壽命的環(huán)境因素主要是溫度和相對(duì)濕度，而魚雷的貯存主要是庫(kù)房貯存，一般都采用密封包裝，透溫不透濕。因此，影響魚雷貯存壽命的主要環(huán)境因素為溫度。貯存壽命是魚雷重要的技術(shù)指標(biāo)之一［1］，魚雷超過(guò)實(shí)際壽命時(shí)其可靠性無(wú)法保證，未達(dá)到實(shí)際壽命而退役是對(duì)資源的一種浪費(fèi)，那么選取恰當(dāng)?shù)哪Ｐ秃驮O(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估魚雷的貯存壽命就顯得尤為重要。
自然條件下貯存試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室加速壽命試驗(yàn)這2種方法常被國(guó)內(nèi)外學(xué)者用來(lái)估計(jì)產(chǎn)品的貯存壽命［2］。自然條件下貯存試驗(yàn)是指把影響魚雷壽命的典型組件放在自然環(huán)境下，隔一定時(shí)間檢測(cè)組件參數(shù)的變化，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)估計(jì)魚雷壽命的一種方法，這種方法真實(shí)性高，但時(shí)間長(zhǎng)，不易實(shí)現(xiàn)。加速壽命試驗(yàn)是在失效機(jī)理不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)尋找產(chǎn)品壽命與應(yīng)力之間的物理化學(xué)關(guān)系，利用高加速應(yīng)力水平下的壽命特征外推或評(píng)估正常應(yīng)力水平下的壽命特征的試驗(yàn)技術(shù)和方法，所需時(shí)間可大大減少。
文中針對(duì)影響魚雷貯存壽命的主要因素，基于Arrhenius加速方程，對(duì)魚雷貯存加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了假設(shè)，用圖表法和最小二乘法分析魚雷典型組件加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該模型的合理性，推出魚雷在常溫下的貯存壽命，文中所作研究可用于指導(dǎo)魚雷貯存加速壽命試驗(yàn)實(shí)施。
1 常見的加速模型
為了達(dá)到利用加速壽命試驗(yàn)中搜集到的產(chǎn)品壽命信息，實(shí)現(xiàn)外推產(chǎn)品在正常應(yīng)力下的壽命特征目的，必須建立產(chǎn)品壽命特征與加速應(yīng)力水平之間的物理化學(xué)關(guān)系，即加速模型。
1.1Arrhenius模型
Arrhenius模型常用于描述溫度加速應(yīng)力與產(chǎn)品壽命特征之間的關(guān)系［3］，即
其中: η為特征壽命；T為熱力學(xué)溫度，它等于攝氏度加273.15 K；A為與失效模式、加速試驗(yàn)類型及其他因素相關(guān)的常數(shù)；k為波爾茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/K；Ea為激活能，或稱為活化能，單位是電子伏特，以eV表示，他們都是待定參數(shù)。
1.2逆冪率模型
當(dāng)環(huán)境因素為電應(yīng)力（如電壓、電流、功率等）作為加速應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)品壽命特征與這些應(yīng)力之間滿足下列關(guān)系［3］
其中: A為一個(gè)正常數(shù)；c為一個(gè)與激活能有關(guān)的正常數(shù)；V為應(yīng)力，常取電壓。
1.3Eyring模型
當(dāng)環(huán)境應(yīng)力一個(gè)為溫度，另一個(gè)為除溫度之外的應(yīng)力時(shí)，一般認(rèn)為產(chǎn)品壽命特征與溫度之間的關(guān)系滿足下式［3］
其中: A，B，C，D可通過(guò)加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行估計(jì)的待定常數(shù)；T，V為2種加速應(yīng)力水平。
1.4復(fù)合應(yīng)力加速模型
當(dāng)環(huán)境應(yīng)力有多個(gè)時(shí)，可認(rèn)為產(chǎn)品壽命特征與應(yīng)力之間的關(guān)系滿足下式［4］
其中: ai為位置參數(shù)；xi表示第i個(gè)環(huán)境應(yīng)力；a0為常數(shù)。
2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建
魚雷在貯存過(guò)程中，表面和內(nèi)部都會(huì)發(fā)生緩慢的物理和化學(xué)變化，這些變化增大到一定程度時(shí)就會(huì)使魚雷各組件發(fā)生失效，而魚雷各組件所受各種應(yīng)力的大小決定了這些物理、化學(xué)變化的速率［5］。根據(jù)反應(yīng)論模型［6］的定義可以看出，魚雷各組件無(wú)論在一般狀態(tài)下還是在壽命加速試驗(yàn)狀態(tài)下都和 Arrhenius模型有很多相似之處。因此，在溫度應(yīng)力下，以Arrhenius加速方程為基石，建立魚雷貯存加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>
2.1模型初建
假設(shè)在正常應(yīng)力水平T0和k個(gè)不同溫度應(yīng)力水平 T1＜T2…＜Tk下，魚雷貯存壽命服從威布爾（Weibull）分布［7］，即
式中: t為時(shí)間；mi＞0（i=1， …，k）為形狀參數(shù)；ηi＞0 （i=1， …，k）為特征壽命。
魚雷在不同溫度應(yīng)力水平T1＜T2…＜Tk下的失效機(jī)理與正常應(yīng)力水平T0下的失效機(jī)理相同。由于威布爾形狀參數(shù)反映了失效機(jī)理的變化，因此意味著，所有應(yīng)力水平下的威布爾分布中形狀參數(shù)mi保持不變，即
魚雷的特征壽命ηi與溫度應(yīng)力水平Ti之間符合Arrhenius加速方程，即
對(duì)此模型兩邊取對(duì)數(shù)，得到線性化的 Arrhenius模型，即
式中: a，b為常數(shù)，a=lnA，b=Ea/k。
2.2貯存加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>
聲自導(dǎo)和引信在魚雷貯存壽命［8］中起著關(guān)鍵作用，而聲自導(dǎo)和引信主要由機(jī)械組件、電子組件、機(jī)械電子組件等部件串聯(lián)而成，由文獻(xiàn)［1］可知他們的壽命分布符合假設(shè)的威布爾分布。在保證失效機(jī)理不發(fā)生改變的前提下，適當(dāng)增加試驗(yàn)溫度，可以加快試驗(yàn)進(jìn)程，試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)產(chǎn)品的失效數(shù)和失效時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由式（8）可以求出參數(shù)a，b，從而得出魚雷的貯存壽命。因此，將式（8）作為魚雷貯存加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪强尚械摹?/p>
3 確定試驗(yàn)參數(shù)
根據(jù)不同變化形式的應(yīng)力，加速壽命試驗(yàn)應(yīng)力施加方式通常分為3種: 恒定應(yīng)力、步進(jìn)應(yīng)力和序進(jìn)應(yīng)力［7］?？紤]到試驗(yàn)操作的簡(jiǎn)易性，文中采用恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)法。
1） 應(yīng)力量值的選?。?］。溫度應(yīng)力量值的選取應(yīng)綜合考慮魚雷關(guān)鍵組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、電路板和元器件的貯存溫度范圍、原材料和輔料的耐溫范圍等3個(gè)主要因素。試驗(yàn)應(yīng)力量值的選取不宜過(guò)低或過(guò)高，試驗(yàn)應(yīng)力量值過(guò)低將導(dǎo)致試驗(yàn)受試產(chǎn)品的加速效應(yīng)不明顯，反之，則會(huì)使試驗(yàn)受試產(chǎn)品失效機(jī)理發(fā)生改變，甚至損傷試驗(yàn)受試產(chǎn)品，這2種情況都達(dá)不到加速試驗(yàn)的目的。
根據(jù)上述原則，分別選取 4個(gè)溫度應(yīng)力為T1=323 K，T2=333 K，T3=343 K，T4=353 K。
2） 檢測(cè)項(xiàng)目。檢測(cè)項(xiàng)目的選取要考慮影響魚雷貯存壽命的典型組件，聲自導(dǎo)探測(cè)準(zhǔn)確性和引信可靠性對(duì)魚雷整體性能有決定性作用，可以作為檢測(cè)項(xiàng)目。
3） 檢測(cè)時(shí)機(jī)?？紤]到魚雷實(shí)際貯存中通常定期檢測(cè)的周期為 0.5年，根據(jù)加速因子計(jì)算出等效貯存 0.5年所需的試驗(yàn)時(shí)間作為檢測(cè)間隔，試驗(yàn)開始后，每隔一個(gè)檢測(cè)間隔檢測(cè)一次。在試驗(yàn)中，按規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)將受試產(chǎn)品恢復(fù)到常溫后進(jìn)行檢測(cè)。
4） 確定試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間的確定通常要考慮兩方面的因素: 性能參數(shù)退化規(guī)律和失效數(shù)［1］。由于用測(cè)試性能參數(shù)退化規(guī)律試驗(yàn)的方法來(lái)確定結(jié)束時(shí)間沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，并且實(shí)現(xiàn)難度較大，因此文中采用測(cè)試失效數(shù)試驗(yàn)的時(shí)間作為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間，當(dāng)試驗(yàn)樣品出現(xiàn) 1/4失效數(shù)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束，此時(shí)的時(shí)間為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間。
5） 試驗(yàn)樣品必須在各方面檢測(cè)均合格的產(chǎn)品中隨機(jī)抽取，樣本量的選取既要兼顧試驗(yàn)的成本，又要保證統(tǒng)計(jì)分析的正確性。本次試驗(yàn)有 4個(gè)不同溫度應(yīng)力，每個(gè)溫度應(yīng)力進(jìn)行 4組試驗(yàn)，每組12個(gè)樣本量，總共所需樣本數(shù)量為192個(gè)。
4 試驗(yàn)步驟
高低溫試驗(yàn)箱是加速壽命試驗(yàn)最常用的儀器設(shè)備，試驗(yàn)之前按照相關(guān)規(guī)定做好安全防護(hù)措施。試驗(yàn)步驟: 1） 調(diào)制試驗(yàn)箱分別為50℃、60℃、70℃和80℃，溫差控制在±2℃；2） 按上述方法分裝樣本，每組12個(gè)，放進(jìn)試驗(yàn)箱內(nèi)，1.5 h后開始計(jì)時(shí)；3） 當(dāng)?shù)竭_(dá)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間時(shí)，隨機(jī)抽取試驗(yàn)箱中的樣本按照第3章中確定的檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)。
試驗(yàn)中開關(guān)試驗(yàn)箱門時(shí)應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成，以保證試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度不會(huì)發(fā)生太大的變化，抽取的樣本要等恢復(fù)到常溫再檢測(cè)。
5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法
統(tǒng)計(jì)、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用圖表法和最小二乘法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，外推或計(jì)算出常溫下魚雷的壽命終止時(shí)間。
5.1圖表法
1） 平均壽命終止時(shí)間。根據(jù)不同溫度應(yīng)力水平下魚雷的失效時(shí)間不同，可以得出每個(gè)溫度下魚雷的平均壽命終止時(shí)間tzi。
2） 溫度加速壽命直線。以1/Ti為橫坐標(biāo)，lntzi為縱坐標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)依次在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，合理畫出一條直線，即為溫度加速壽命直線，如圖1所示。
圖1 溫度加速壽命試驗(yàn)Fig.1 Temperature accelerated life test
5.2最小二乘法擬合曲線方程
根據(jù)試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)（1/T1，lntz1），（1/T2，lntz2），（1/T3，lntz3），（1/T4，lntz4），用最小二乘法擬合曲線，估計(jì)出常數(shù) a，b，則溫度加速壽命方程［10］為
將T0代入，有
有
再根據(jù)式（5）即可求出常溫下魚雷的貯存壽命tz0。
6 試驗(yàn)結(jié)果與分析
根據(jù)上述方法，對(duì)魚雷進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在置信度為γ和最低可接受值為RL的條件下，計(jì)算出魚雷常溫下的貯存壽命，看是否滿足作戰(zhàn)使用要求。表1為加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
由上述假設(shè)的魚雷壽命服從威布爾分布，則由分布函數(shù)得出魚雷可靠度函數(shù)為
式中: mi為形狀參數(shù)，等式兩邊取二次對(duì)數(shù)運(yùn)算，得
由式（13）可得: 當(dāng)mi為常數(shù)時(shí)，與 lnt成線性關(guān)系，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以畫出溫度應(yīng)力T為323 K，333 K，343 K下擬合的可靠度與魚雷壽命的關(guān)系曲線如圖2所示。
圖2中L1, L2, L3分別為323 K, 333 K, 343 K溫度應(yīng)力下由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出的直線，直線的斜率為威布爾分布中形狀參數(shù)m，分別為m1，m2，m3。
根據(jù)試驗(yàn)要求，在誤差允許的范圍內(nèi)，滿足m1=m2=m3，可以驗(yàn)證假設(shè)的正確性，即，在本次試驗(yàn)溫度應(yīng)力水平下，魚雷的失效機(jī)理未發(fā)生改變。
表1 加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Data of accelerated life test
圖2 擬合的可靠度與壽命關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between fitting reliability and life
根據(jù)表1數(shù)據(jù)，當(dāng)γ=0.75時(shí)，由5.2節(jié)的方法擬合出的加速壽命方程為是樞軸量V（R）上α分位數(shù)。式中:是
由式（12）、式（14）和式（15）計(jì)算，可以求出魚雷在常溫狀態(tài)下 293 K（20℃ ）的貯存壽命 tz0為26.1a（RL=0.85）。圖3為溫度和壽命的關(guān)系曲線。
圖3（a）中橫坐標(biāo)代表溫度應(yīng)力的倒數(shù) 1/T，縱坐標(biāo)表示魚雷每組試驗(yàn)的壽命終止時(shí)間 t，通過(guò)曲線可以看出，隨著溫度應(yīng)力的不斷增大（1/T的減?。?，魚雷的壽命終止時(shí)間 t也會(huì)隨之減小，滿足威布爾分布模型的特點(diǎn)。圖3（b）中橫坐標(biāo)與圖 3（a）橫坐標(biāo)相同，縱坐標(biāo)是對(duì)壽命終止時(shí)間取自然對(duì)數(shù)lnt，魚雷的加速壽命方程就可通過(guò)最小二乘法擬合出。根據(jù)式（15），即可求出魚雷在常溫下293 K（20℃）時(shí)的貯存壽命tz0為26.1a。
圖3 溫度和壽命的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between temperature and life
7 結(jié)束語(yǔ)
文中基于溫度應(yīng)力水平對(duì)魚雷的貯存加速模型進(jìn)行了假設(shè)，通過(guò)不同溫度應(yīng)力水平的魚雷貯存加速壽命試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)，用圖表法和最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、擬合，驗(yàn)證了在本次試驗(yàn)溫度應(yīng)力水平下，魚雷的失效機(jī)理未發(fā)生改變，以及魚雷壽命與溫度應(yīng)力的關(guān)系滿足假定的威布爾分布，進(jìn)而外推出常溫下魚雷的貯存壽命。該方法簡(jiǎn)單易行，對(duì)魚雷貯存壽命試驗(yàn)有一定的借鑒意義。但Arrhenius模型中激活能以及加速方程中加速因子的確定等方面還需要進(jìn)一步論證。
［1］ 李琛，邵宗戰(zhàn)，張姝紅，等.基于恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)法評(píng)估深彈貯存壽命［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2009，27（20）: 87-90.Li Chen，Shao Zong-zhan，Zhang Shu-hong，et al.Life Estimation of Deep Bomb Storage Based on Constant Stress Accelerated Life Testing［J］.Science &Technology Review，2009，27（20）: 87-90.
［2］ Mohammed A E，Higgins J J.Non-parametric Analysis of a Proportional Wearout Model for Acceleration Data［J］.Aliped Mathematics&Computation，2006，174（1）: 365-373.
［3］ 姜同敏.可靠性與壽命試驗(yàn)［M］.北京: 國(guó)防工業(yè)出社，2012.
［4］ 文建國(guó)，郭桂友.彈上電子產(chǎn)品加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.艦船電子工程，2013，33（2）: 99-101.Wen Jian-guo，Guo Gui-you.Design and Application of the Accelerated Life Test on Electronic Products of Missile［J］.Ship Electronic Engineering，2013，33（2）: 99-101.
［5］ 姜仁元，張興唐，楊亦春.溫度應(yīng)力下功能退化型加速壽命試驗(yàn)問(wèn)題研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，24 （6）: 523-527.Jiang Ren-yuan，Zhang Xing-tang，Yang Yi-chun.Study on Accelerated Life Test of Function Degenerating Type by Temperature Stress［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，2000，24（6）: 523-527.
［6］ 劉強(qiáng)，周經(jīng)倫，金光，等.基于隨機(jī)閾值的 Gauss Brown失效物理模型的動(dòng)量輪可靠性評(píng)估［J］.宇航學(xué)報(bào)，2009，30（5）: 2109-2115.
［7］ 張志華.加速壽命試驗(yàn)及其統(tǒng)計(jì)分析［M］.北京: 北京工業(yè)大學(xué)出版社，2002.
［8］ 中國(guó)人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部標(biāo)準(zhǔn)化研究中心.GJB2166-1994魚雷貯存要求［S］.北京: 中國(guó)人民解放軍總裝備部，1994.
［9］ 申?duì)幑?，苑景春，董靜宇，等.彈上設(shè)備加速壽命試驗(yàn)中加速因子估計(jì)方法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2015，37（8）: 1948-1952.Shen Zheng-guang，Yuan Jing-chun，Dong Jing-yu，et al.Research on Acceleration Factor Estimation Method of Accelerated Life Test of Missile-borne Equipment［J］.Systems Engineering Electronic，2015，37（8）: 1948-1952.
［10］ 張志華.可靠性理論及工程應(yīng)用［M］.北京: 科學(xué)出版社，2012.
（責(zé)任編輯: 許妍）
A Model of Torpedo Storage Life Test under Temperature Stress
ZHANG Bai-yong1，LIU Kai2，SUN Jiong2，LI Hong-sheng3，LIN Yang1
（1.Department of Weapon Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2.Office of Research and Development，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；3.Armament Department of the East China Sea Fleet，Ningbo 315121，China）
To estimate torpedo storage life，the main environmental factors influencing torpedo storage life were analyzed and the accelerated life test of a torpedo under temperature stress was conducted.In addition，Arrhenius model was used to estimate the torpedo storage life.Methods for the accelerated life test and for determining parameters of Arrhenius model were presented，and accelerated life tests of the selected main components affecting torpedo storage life were performed to validate these methods.The results show that the research in this paper is efficient for assessing the accelerated life test and estimating the torpedo storage life at room temperature.
torpedo；accelerated life test；temperature stress；Arrhenius model
TJ630；O212
A
1673-1948（2016）03-0222-05
10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.0012
2016-03-22；
2016-04-22.
張百勇（1990-），男，在讀碩士，主要研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)運(yùn)用與保障工程.
猜你喜歡
魚雷造反小學(xué)生學(xué)習(xí)指導(dǎo)(小軍迷聯(lián)盟)(2023年3期)2023-03-27 09:22:30 無(wú)人機(jī)智能巡檢在光伏電站組件診斷中的應(yīng)用能源工程(2022年2期)2022-05-23 13:51:50 人類壽命極限應(yīng)在120～150歲之間中老年保健(2021年8期)2021-12-02 23:55:49 軍事島 魚雷人小哥白尼(軍事科學(xué))(2021年8期)2021-11-22 07:58:22 新型碎邊剪刀盤組件重型機(jī)械(2020年2期)2020-07-24 08:16:16 魚雷也瘋狂小哥白尼(軍事科學(xué))(2020年8期)2020-05-22 06:28:02 倉(cāng)鼠的壽命知多少作文評(píng)點(diǎn)報(bào)·低幼版(2020年3期)2020-02-12 09:08:22 U盾外殼組件注塑模具設(shè)計(jì)裝備制造技術(shù)(2019年12期)2019-12-25 03:07:36 馬烈光養(yǎng)生之悟 自靜其心延壽命華人時(shí)刊(2018年17期)2018-12-07 01:02:20 人類正常壽命為175歲奧秘(2017年12期)2017-07-04 11:37:14
張百勇，劉 凱，孫 炯，李宏勝，林 洋
（1.海軍工程大學(xué) 兵器工程系，湖北 武漢，430033；2.海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢，430033；3.海軍東海艦隊(duì) 裝備部，浙江 寧波，315121）
基于溫度應(yīng)力下魚雷貯存壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>
張百勇1，劉凱2，孫炯2，李宏勝3，林洋1
（1.海軍工程大學(xué) 兵器工程系，湖北 武漢，430033；2.海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢，430033；3.海軍東海艦隊(duì) 裝備部，浙江 寧波，315121）
針對(duì)魚雷貯存壽命評(píng)估問(wèn)題，分析了影響魚雷貯存壽命的主要環(huán)境因素，提出采用溫度應(yīng)力進(jìn)行魚雷加速壽命試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上利用Arrhenius模型進(jìn)行魚雷貯存壽命評(píng)估，給出了加速壽命試驗(yàn)方法及Arrhenius模型參數(shù)的確定方法，并通過(guò)選取影響魚雷貯存壽命的典型組件進(jìn)行加速試驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型的合理性。文中所作研究對(duì)魚雷加速壽命試驗(yàn)和常溫下貯存壽命的評(píng)估有一定的指導(dǎo)意義。
魚雷；加速壽命試驗(yàn)；溫度應(yīng)力；Arrhenius模型
0 引言
魚雷是主要的反艦、反潛武器，其性能的穩(wěn)定與否直接關(guān)系著海軍潛艇作戰(zhàn)能力，在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著不可替代的作用。魚雷具有“長(zhǎng)期貯存，一次使用”的特點(diǎn)，影響魚雷貯存壽命的環(huán)境因素主要是溫度和相對(duì)濕度，而魚雷的貯存主要是庫(kù)房貯存，一般都采用密封包裝，透溫不透濕。因此，影響魚雷貯存壽命的主要環(huán)境因素為溫度。貯存壽命是魚雷重要的技術(shù)指標(biāo)之一［1］，魚雷超過(guò)實(shí)際壽命時(shí)其可靠性無(wú)法保證，未達(dá)到實(shí)際壽命而退役是對(duì)資源的一種浪費(fèi)，那么選取恰當(dāng)?shù)哪Ｐ秃驮O(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)來(lái)準(zhǔn)確評(píng)估魚雷的貯存壽命就顯得尤為重要。
自然條件下貯存試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室加速壽命試驗(yàn)這2種方法常被國(guó)內(nèi)外學(xué)者用來(lái)估計(jì)產(chǎn)品的貯存壽命［2］。自然條件下貯存試驗(yàn)是指把影響魚雷壽命的典型組件放在自然環(huán)境下，隔一定時(shí)間檢測(cè)組件參數(shù)的變化，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)估計(jì)魚雷壽命的一種方法，這種方法真實(shí)性高，但時(shí)間長(zhǎng)，不易實(shí)現(xiàn)。加速壽命試驗(yàn)是在失效機(jī)理不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)尋找產(chǎn)品壽命與應(yīng)力之間的物理化學(xué)關(guān)系，利用高加速應(yīng)力水平下的壽命特征外推或評(píng)估正常應(yīng)力水平下的壽命特征的試驗(yàn)技術(shù)和方法，所需時(shí)間可大大減少。
文中針對(duì)影響魚雷貯存壽命的主要因素，基于Arrhenius加速方程，對(duì)魚雷貯存加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了假設(shè)，用圖表法和最小二乘法分析魚雷典型組件加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該模型的合理性，推出魚雷在常溫下的貯存壽命，文中所作研究可用于指導(dǎo)魚雷貯存加速壽命試驗(yàn)實(shí)施。
1 常見的加速模型
為了達(dá)到利用加速壽命試驗(yàn)中搜集到的產(chǎn)品壽命信息，實(shí)現(xiàn)外推產(chǎn)品在正常應(yīng)力下的壽命特征目的，必須建立產(chǎn)品壽命特征與加速應(yīng)力水平之間的物理化學(xué)關(guān)系，即加速模型。
1.1Arrhenius模型
Arrhenius模型常用于描述溫度加速應(yīng)力與產(chǎn)品壽命特征之間的關(guān)系［3］，即
其中: η為特征壽命；T為熱力學(xué)溫度，它等于攝氏度加273.15 K；A為與失效模式、加速試驗(yàn)類型及其他因素相關(guān)的常數(shù)；k為波爾茲曼常數(shù)，為8.617×10-5eV/K；Ea為激活能，或稱為活化能，單位是電子伏特，以eV表示，他們都是待定參數(shù)。
1.2逆冪率模型
當(dāng)環(huán)境因素為電應(yīng)力（如電壓、電流、功率等）作為加速應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)品壽命特征與這些應(yīng)力之間滿足下列關(guān)系［3］
其中: A為一個(gè)正常數(shù)；c為一個(gè)與激活能有關(guān)的正常數(shù)；V為應(yīng)力，常取電壓。
1.3Eyring模型
當(dāng)環(huán)境應(yīng)力一個(gè)為溫度，另一個(gè)為除溫度之外的應(yīng)力時(shí)，一般認(rèn)為產(chǎn)品壽命特征與溫度之間的關(guān)系滿足下式［3］
其中: A，B，C，D可通過(guò)加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行估計(jì)的待定常數(shù)；T，V為2種加速應(yīng)力水平。
1.4復(fù)合應(yīng)力加速模型
當(dāng)環(huán)境應(yīng)力有多個(gè)時(shí)，可認(rèn)為產(chǎn)品壽命特征與應(yīng)力之間的關(guān)系滿足下式［4］
其中: ai為位置參數(shù)；xi表示第i個(gè)環(huán)境應(yīng)力；a0為常數(shù)。
2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建
魚雷在貯存過(guò)程中，表面和內(nèi)部都會(huì)發(fā)生緩慢的物理和化學(xué)變化，這些變化增大到一定程度時(shí)就會(huì)使魚雷各組件發(fā)生失效，而魚雷各組件所受各種應(yīng)力的大小決定了這些物理、化學(xué)變化的速率［5］。根據(jù)反應(yīng)論模型［6］的定義可以看出，魚雷各組件無(wú)論在一般狀態(tài)下還是在壽命加速試驗(yàn)狀態(tài)下都和 Arrhenius模型有很多相似之處。因此，在溫度應(yīng)力下，以Arrhenius加速方程為基石，建立魚雷貯存加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>
2.1模型初建
假設(shè)在正常應(yīng)力水平T0和k個(gè)不同溫度應(yīng)力水平 T1＜T2…＜Tk下，魚雷貯存壽命服從威布爾（Weibull）分布［7］，即
式中: t為時(shí)間；mi＞0（i=1， …，k）為形狀參數(shù)；ηi＞0 （i=1， …，k）為特征壽命。
魚雷在不同溫度應(yīng)力水平T1＜T2…＜Tk下的失效機(jī)理與正常應(yīng)力水平T0下的失效機(jī)理相同。由于威布爾形狀參數(shù)反映了失效機(jī)理的變化，因此意味著，所有應(yīng)力水平下的威布爾分布中形狀參數(shù)mi保持不變，即
魚雷的特征壽命ηi與溫度應(yīng)力水平Ti之間符合Arrhenius加速方程，即
對(duì)此模型兩邊取對(duì)數(shù)，得到線性化的 Arrhenius模型，即
式中: a，b為常數(shù)，a=lnA，b=Ea/k。
2.2貯存加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>
聲自導(dǎo)和引信在魚雷貯存壽命［8］中起著關(guān)鍵作用，而聲自導(dǎo)和引信主要由機(jī)械組件、電子組件、機(jī)械電子組件等部件串聯(lián)而成，由文獻(xiàn)［1］可知他們的壽命分布符合假設(shè)的威布爾分布。在保證失效機(jī)理不發(fā)生改變的前提下，適當(dāng)增加試驗(yàn)溫度，可以加快試驗(yàn)進(jìn)程，試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)產(chǎn)品的失效數(shù)和失效時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由式（8）可以求出參數(shù)a，b，從而得出魚雷的貯存壽命。因此，將式（8）作為魚雷貯存加速壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪强尚械摹?/p>
3 確定試驗(yàn)參數(shù)
根據(jù)不同變化形式的應(yīng)力，加速壽命試驗(yàn)應(yīng)力施加方式通常分為3種: 恒定應(yīng)力、步進(jìn)應(yīng)力和序進(jìn)應(yīng)力［7］?？紤]到試驗(yàn)操作的簡(jiǎn)易性，文中采用恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)法。
1） 應(yīng)力量值的選?。?］。溫度應(yīng)力量值的選取應(yīng)綜合考慮魚雷關(guān)鍵組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、電路板和元器件的貯存溫度范圍、原材料和輔料的耐溫范圍等3個(gè)主要因素。試驗(yàn)應(yīng)力量值的選取不宜過(guò)低或過(guò)高，試驗(yàn)應(yīng)力量值過(guò)低將導(dǎo)致試驗(yàn)受試產(chǎn)品的加速效應(yīng)不明顯，反之，則會(huì)使試驗(yàn)受試產(chǎn)品失效機(jī)理發(fā)生改變，甚至損傷試驗(yàn)受試產(chǎn)品，這2種情況都達(dá)不到加速試驗(yàn)的目的。
根據(jù)上述原則，分別選取 4個(gè)溫度應(yīng)力為T1=323 K，T2=333 K，T3=343 K，T4=353 K。
2） 檢測(cè)項(xiàng)目。檢測(cè)項(xiàng)目的選取要考慮影響魚雷貯存壽命的典型組件，聲自導(dǎo)探測(cè)準(zhǔn)確性和引信可靠性對(duì)魚雷整體性能有決定性作用，可以作為檢測(cè)項(xiàng)目。
3） 檢測(cè)時(shí)機(jī)?？紤]到魚雷實(shí)際貯存中通常定期檢測(cè)的周期為 0.5年，根據(jù)加速因子計(jì)算出等效貯存 0.5年所需的試驗(yàn)時(shí)間作為檢測(cè)間隔，試驗(yàn)開始后，每隔一個(gè)檢測(cè)間隔檢測(cè)一次。在試驗(yàn)中，按規(guī)定的檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)將受試產(chǎn)品恢復(fù)到常溫后進(jìn)行檢測(cè)。
4） 確定試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間的確定通常要考慮兩方面的因素: 性能參數(shù)退化規(guī)律和失效數(shù)［1］。由于用測(cè)試性能參數(shù)退化規(guī)律試驗(yàn)的方法來(lái)確定結(jié)束時(shí)間沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，并且實(shí)現(xiàn)難度較大，因此文中采用測(cè)試失效數(shù)試驗(yàn)的時(shí)間作為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間，當(dāng)試驗(yàn)樣品出現(xiàn) 1/4失效數(shù)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束，此時(shí)的時(shí)間為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間。
5） 試驗(yàn)樣品必須在各方面檢測(cè)均合格的產(chǎn)品中隨機(jī)抽取，樣本量的選取既要兼顧試驗(yàn)的成本，又要保證統(tǒng)計(jì)分析的正確性。本次試驗(yàn)有 4個(gè)不同溫度應(yīng)力，每個(gè)溫度應(yīng)力進(jìn)行 4組試驗(yàn)，每組12個(gè)樣本量，總共所需樣本數(shù)量為192個(gè)。
4 試驗(yàn)步驟
高低溫試驗(yàn)箱是加速壽命試驗(yàn)最常用的儀器設(shè)備，試驗(yàn)之前按照相關(guān)規(guī)定做好安全防護(hù)措施。試驗(yàn)步驟: 1） 調(diào)制試驗(yàn)箱分別為50℃、60℃、70℃和80℃，溫差控制在±2℃；2） 按上述方法分裝樣本，每組12個(gè)，放進(jìn)試驗(yàn)箱內(nèi)，1.5 h后開始計(jì)時(shí)；3） 當(dāng)?shù)竭_(dá)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間時(shí)，隨機(jī)抽取試驗(yàn)箱中的樣本按照第3章中確定的檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)。
試驗(yàn)中開關(guān)試驗(yàn)箱門時(shí)應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成，以保證試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度不會(huì)發(fā)生太大的變化，抽取的樣本要等恢復(fù)到常溫再檢測(cè)。
5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法
統(tǒng)計(jì)、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用圖表法和最小二乘法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，外推或計(jì)算出常溫下魚雷的壽命終止時(shí)間。
5.1圖表法
1） 平均壽命終止時(shí)間。根據(jù)不同溫度應(yīng)力水平下魚雷的失效時(shí)間不同，可以得出每個(gè)溫度下魚雷的平均壽命終止時(shí)間tzi。
2） 溫度加速壽命直線。以1/Ti為橫坐標(biāo)，lntzi為縱坐標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)依次在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，合理畫出一條直線，即為溫度加速壽命直線，如圖1所示。
圖1 溫度加速壽命試驗(yàn)Fig.1 Temperature accelerated life test
5.2最小二乘法擬合曲線方程
根據(jù)試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)（1/T1，lntz1），（1/T2，lntz2），（1/T3，lntz3），（1/T4，lntz4），用最小二乘法擬合曲線，估計(jì)出常數(shù) a，b，則溫度加速壽命方程［10］為
將T0代入，有
有
再根據(jù)式（5）即可求出常溫下魚雷的貯存壽命tz0。
6 試驗(yàn)結(jié)果與分析
根據(jù)上述方法，對(duì)魚雷進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在置信度為γ和最低可接受值為RL的條件下，計(jì)算出魚雷常溫下的貯存壽命，看是否滿足作戰(zhàn)使用要求。表1為加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
由上述假設(shè)的魚雷壽命服從威布爾分布，則由分布函數(shù)得出魚雷可靠度函數(shù)為
式中: mi為形狀參數(shù)，等式兩邊取二次對(duì)數(shù)運(yùn)算，得
由式（13）可得: 當(dāng)mi為常數(shù)時(shí)，與 lnt成線性關(guān)系，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以畫出溫度應(yīng)力T為323 K，333 K，343 K下擬合的可靠度與魚雷壽命的關(guān)系曲線如圖2所示。
圖2中L1, L2, L3分別為323 K, 333 K, 343 K溫度應(yīng)力下由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出的直線，直線的斜率為威布爾分布中形狀參數(shù)m，分別為m1，m2，m3。
根據(jù)試驗(yàn)要求，在誤差允許的范圍內(nèi)，滿足m1=m2=m3，可以驗(yàn)證假設(shè)的正確性，即，在本次試驗(yàn)溫度應(yīng)力水平下，魚雷的失效機(jī)理未發(fā)生改變。
表1 加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Data of accelerated life test
圖2 擬合的可靠度與壽命關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between fitting reliability and life
根據(jù)表1數(shù)據(jù)，當(dāng)γ=0.75時(shí)，由5.2節(jié)的方法擬合出的加速壽命方程為是樞軸量V（R）上α分位數(shù)。式中:是
由式（12）、式（14）和式（15）計(jì)算，可以求出魚雷在常溫狀態(tài)下 293 K（20℃ ）的貯存壽命 tz0為26.1a（RL=0.85）。圖3為溫度和壽命的關(guān)系曲線。
圖3（a）中橫坐標(biāo)代表溫度應(yīng)力的倒數(shù) 1/T，縱坐標(biāo)表示魚雷每組試驗(yàn)的壽命終止時(shí)間 t，通過(guò)曲線可以看出，隨著溫度應(yīng)力的不斷增大（1/T的減?。?，魚雷的壽命終止時(shí)間 t也會(huì)隨之減小，滿足威布爾分布模型的特點(diǎn)。圖3（b）中橫坐標(biāo)與圖 3（a）橫坐標(biāo)相同，縱坐標(biāo)是對(duì)壽命終止時(shí)間取自然對(duì)數(shù)lnt，魚雷的加速壽命方程就可通過(guò)最小二乘法擬合出。根據(jù)式（15），即可求出魚雷在常溫下293 K（20℃）時(shí)的貯存壽命tz0為26.1a。
圖3 溫度和壽命的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between temperature and life
7 結(jié)束語(yǔ)
文中基于溫度應(yīng)力水平對(duì)魚雷的貯存加速模型進(jìn)行了假設(shè)，通過(guò)不同溫度應(yīng)力水平的魚雷貯存加速壽命試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)，用圖表法和最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、擬合，驗(yàn)證了在本次試驗(yàn)溫度應(yīng)力水平下，魚雷的失效機(jī)理未發(fā)生改變，以及魚雷壽命與溫度應(yīng)力的關(guān)系滿足假定的威布爾分布，進(jìn)而外推出常溫下魚雷的貯存壽命。該方法簡(jiǎn)單易行，對(duì)魚雷貯存壽命試驗(yàn)有一定的借鑒意義。但Arrhenius模型中激活能以及加速方程中加速因子的確定等方面還需要進(jìn)一步論證。
［1］ 李琛，邵宗戰(zhàn)，張姝紅，等.基于恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)法評(píng)估深彈貯存壽命［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2009，27（20）: 87-90.Li Chen，Shao Zong-zhan，Zhang Shu-hong，et al.Life Estimation of Deep Bomb Storage Based on Constant Stress Accelerated Life Testing［J］.Science &Technology Review，2009，27（20）: 87-90.
［2］ Mohammed A E，Higgins J J.Non-parametric Analysis of a Proportional Wearout Model for Acceleration Data［J］.Aliped Mathematics&Computation，2006，174（1）: 365-373.
［3］ 姜同敏.可靠性與壽命試驗(yàn)［M］.北京: 國(guó)防工業(yè)出社，2012.
［4］ 文建國(guó)，郭桂友.彈上電子產(chǎn)品加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.艦船電子工程，2013，33（2）: 99-101.Wen Jian-guo，Guo Gui-you.Design and Application of the Accelerated Life Test on Electronic Products of Missile［J］.Ship Electronic Engineering，2013，33（2）: 99-101.
［5］ 姜仁元，張興唐，楊亦春.溫度應(yīng)力下功能退化型加速壽命試驗(yàn)問(wèn)題研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，24 （6）: 523-527.Jiang Ren-yuan，Zhang Xing-tang，Yang Yi-chun.Study on Accelerated Life Test of Function Degenerating Type by Temperature Stress［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，2000，24（6）: 523-527.
［6］ 劉強(qiáng)，周經(jīng)倫，金光，等.基于隨機(jī)閾值的 Gauss Brown失效物理模型的動(dòng)量輪可靠性評(píng)估［J］.宇航學(xué)報(bào)，2009，30（5）: 2109-2115.
［7］ 張志華.加速壽命試驗(yàn)及其統(tǒng)計(jì)分析［M］.北京: 北京工業(yè)大學(xué)出版社，2002.
［8］ 中國(guó)人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部標(biāo)準(zhǔn)化研究中心.GJB2166-1994魚雷貯存要求［S］.北京: 中國(guó)人民解放軍總裝備部，1994.
［9］ 申?duì)幑?，苑景春，董靜宇，等.彈上設(shè)備加速壽命試驗(yàn)中加速因子估計(jì)方法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2015，37（8）: 1948-1952.Shen Zheng-guang，Yuan Jing-chun，Dong Jing-yu，et al.Research on Acceleration Factor Estimation Method of Accelerated Life Test of Missile-borne Equipment［J］.Systems Engineering Electronic，2015，37（8）: 1948-1952.
［10］ 張志華.可靠性理論及工程應(yīng)用［M］.北京: 科學(xué)出版社，2012.
（責(zé)任編輯: 許妍）
A Model of Torpedo Storage Life Test under Temperature Stress
ZHANG Bai-yong1，LIU Kai2，SUN Jiong2，LI Hong-sheng3，LIN Yang1
（1.Department of Weapon Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；2.Office of Research and Development，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；3.Armament Department of the East China Sea Fleet，Ningbo 315121，China）
To estimate torpedo storage life，the main environmental factors influencing torpedo storage life were analyzed and the accelerated life test of a torpedo under temperature stress was conducted.In addition，Arrhenius model was used to estimate the torpedo storage life.Methods for the accelerated life test and for determining parameters of Arrhenius model were presented，and accelerated life tests of the selected main components affecting torpedo storage life were performed to validate these methods.The results show that the research in this paper is efficient for assessing the accelerated life test and estimating the torpedo storage life at room temperature.
torpedo；accelerated life test；temperature stress；Arrhenius model
TJ630；O212
A
1673-1948（2016）03-0222-05
10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.0012
2016-03-22；
2016-04-22.
張百勇（1990-），男，在讀碩士，主要研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)運(yùn)用與保障工程.
猜你喜歡
小學(xué)生學(xué)習(xí)指導(dǎo)(小軍迷聯(lián)盟)(2023年3期)2023-03-27 09:22:30
能源工程(2022年2期)2022-05-23 13:51:50
中老年保健(2021年8期)2021-12-02 23:55:49
小哥白尼(軍事科學(xué))(2021年8期)2021-11-22 07:58:22
重型機(jī)械(2020年2期)2020-07-24 08:16:16
小哥白尼(軍事科學(xué))(2020年8期)2020-05-22 06:28:02
作文評(píng)點(diǎn)報(bào)·低幼版(2020年3期)2020-02-12 09:08:22
裝備制造技術(shù)(2019年12期)2019-12-25 03:07:36
華人時(shí)刊(2018年17期)2018-12-07 01:02:20
奧秘(2017年12期)2017-07-04 11:37:14
