基于關(guān)鍵質(zhì)量特性的高效環(huán)境應(yīng)力篩選方法

張安琪, 張生鵬, 李宏民, 朱 耀, 米思坤

(1. 航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心, 北京 100854;2. 北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院, 北京 100191)

0 引 言

環(huán)境應(yīng)力篩選是檢驗(yàn)產(chǎn)品可靠性水平的重要手段[1]。目前,在軍工行業(yè)采用最多的還是常規(guī)篩選方法,篩選大綱未按照產(chǎn)品特點(diǎn)、剪裁還不夠規(guī)范,隨著制造過程穩(wěn)定性的逐步提高,大量的篩選數(shù)據(jù)表明,在篩選過程中發(fā)現(xiàn)的失效產(chǎn)品數(shù)量較少。同時(shí),篩選周期長、成本高、效費(fèi)比低成為當(dāng)前制約裝備“高質(zhì)量、低成本”研制發(fā)展的瓶頸[2]。因此,深入探索篩選的物理機(jī)制成為明確篩選必要性的必然趨勢。

篩選通過施加環(huán)境應(yīng)力激發(fā)制造過程中引入的有偏差的關(guān)鍵質(zhì)量特性進(jìn)而剔除缺陷產(chǎn)品,以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在使用時(shí)就進(jìn)入失效率較低時(shí)期的目標(biāo)[3-4]。明確產(chǎn)品失效率變化趨勢是進(jìn)行篩選的前提,應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型是分析產(chǎn)品失效率的重要手段[5-8]。同時(shí),當(dāng)產(chǎn)品關(guān)鍵質(zhì)量特性超過規(guī)定范圍時(shí),會(huì)直接導(dǎo)致最終產(chǎn)品的主要功能喪失以及影響產(chǎn)品的安全性等一類少數(shù)重要質(zhì)量特性[9-10]。關(guān)鍵質(zhì)量特性是反映產(chǎn)品質(zhì)量水平的載體[11],也是產(chǎn)品強(qiáng)度的具象化體現(xiàn)。不同批次產(chǎn)品的關(guān)鍵質(zhì)量特性具有不同的分布形狀,也對應(yīng)不同的失效率變化規(guī)律[12]。因此,表征經(jīng)過篩選后的產(chǎn)品失效率模型對于分析篩選有效性、研究高效篩選技術(shù)而言具有重要的意義。

因此,本文在應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型基礎(chǔ)上,構(gòu)建了經(jīng)過篩選后的產(chǎn)品失效率模型,獲得了篩選的基本原理,分析了不同篩選應(yīng)力及不同分散性的強(qiáng)度分布對篩選效果的影響,從而明確了篩選的物理機(jī)制,給出了基于關(guān)鍵質(zhì)量特性的篩選方案設(shè)計(jì)流程。

1 環(huán)境應(yīng)力篩選方法研究基礎(chǔ)

1.1 傳統(tǒng)產(chǎn)品失效率曲線

典型的壽命周期產(chǎn)品失效率隨時(shí)間的變化規(guī)律可以用浴盆曲線[13-14]來表示,浴盆狀的失效率曲線由早期失效期、偶然失效期和耗損失效期3個(gè)階段構(gòu)成[15-16],如圖1所示。

圖1 浴盆曲線

如圖1所示,在產(chǎn)品的早期失效期,來源于生產(chǎn)過程中的原材料、工藝條件、設(shè)備等不利因素會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品各關(guān)鍵質(zhì)量特性產(chǎn)生偏差,產(chǎn)品交付用戶使用后受到環(huán)境應(yīng)力的觸發(fā),表現(xiàn)為較高的失效率。因此,針對產(chǎn)品可能經(jīng)受的環(huán)境條件開展試驗(yàn),對產(chǎn)品施加一定的應(yīng)力,使有缺陷的產(chǎn)品被剔除,從而能夠使產(chǎn)品盡早度過早期失效期,有效地降低產(chǎn)品在使用階段的失效率(如圖1中虛線部分所示)。

實(shí)際上,早期失效期產(chǎn)品失效率較高不僅僅是由缺陷產(chǎn)品數(shù)量造成的,產(chǎn)品失效率的變化取決于使用過程中受到的應(yīng)力類型、應(yīng)力水平、產(chǎn)品關(guān)鍵質(zhì)量特性的穩(wěn)定性及分布、失效機(jī)理等因素[17]。通常,產(chǎn)品的失效率函數(shù)m(t)[18]可以表示為

(1)

式中:f(t)為失效分布概率密度函數(shù);F(t)為累積失效概率;R(t)為可靠度函數(shù)。受此啟發(fā),可以通過獲取產(chǎn)品的應(yīng)力、強(qiáng)度分布,利用式(1)構(gòu)建產(chǎn)品失效率模型。

1.2 產(chǎn)品失效率模型

圖2 應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型

圖2中,fs(s)為應(yīng)力的概率密度函數(shù),fw(w)為強(qiáng)度的概率密度函數(shù)。

因此,時(shí)刻為t時(shí)的產(chǎn)品可靠度函數(shù)可以表達(dá)為

(2)

(3)

(4)

從式(2)可以看出,產(chǎn)品的可靠度取決于產(chǎn)品應(yīng)力分布與強(qiáng)度分布的形狀參數(shù)。然而,式(2)未能反映出可靠度隨時(shí)間的變化趨勢。因此,本文結(jié)合壽命周期內(nèi)應(yīng)力分布的變化規(guī)律和強(qiáng)度退化規(guī)律,建立了壽命周期內(nèi)的產(chǎn)品失效率模型。

一方面,在產(chǎn)品的壽命周期內(nèi),產(chǎn)品某關(guān)鍵質(zhì)量特性受到的應(yīng)力隨時(shí)間反復(fù)多次出現(xiàn),具有隨機(jī)性。假設(shè)產(chǎn)品壽命周期內(nèi)隨機(jī)應(yīng)力的作用過程服從泊松隨機(jī)過程,即應(yīng)力出現(xiàn)的次數(shù)相互獨(dú)立。因此,應(yīng)力隨時(shí)間的作用次數(shù)服從(λ(t)≥0,t≥0)的非齊次泊松隨機(jī)過程。特別地,當(dāng)λ(t)為常數(shù)時(shí),應(yīng)力隨時(shí)間的作用過程服從齊次泊松隨機(jī)過程。由此可知,在任意時(shí)刻區(qū)間(t,t+Δt)內(nèi),應(yīng)力作用出現(xiàn)的概率為

P=λ(t)Δt

(5)

另一方面,在產(chǎn)品的壽命周期內(nèi),環(huán)境應(yīng)力作用、自身磨損退化等因素導(dǎo)致產(chǎn)品關(guān)鍵質(zhì)量特性不斷退化,即強(qiáng)度隨時(shí)間不斷退化。因此,產(chǎn)品任意時(shí)刻的強(qiáng)度應(yīng)是初始強(qiáng)度與該時(shí)刻強(qiáng)度退化量的組合。假設(shè)產(chǎn)品的強(qiáng)度退化服從指數(shù)退化規(guī)律,即產(chǎn)品壽命周期強(qiáng)度函數(shù)為

w(t)=w·e-kt

(6)

式中:w為已知的初始強(qiáng)度分布;k為指數(shù)分布參數(shù)。

綜上所述,當(dāng)應(yīng)力服從正態(tài)分布時(shí),作用過程服從泊松隨機(jī)過程;當(dāng)強(qiáng)度服從正態(tài)分布、退化服從指數(shù)退化規(guī)律時(shí),產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的可靠度函數(shù)可以表達(dá)為

(7)

利用式(1)～式(7),產(chǎn)品壽命周期的失效率[17]可以表示為

(8)

因此,產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的失效率變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品壽命周期失效率趨勢

從圖3可以看出,在壽命周期內(nèi),產(chǎn)品在持續(xù)的隨機(jī)應(yīng)力作用下服役,失效率隨時(shí)間而發(fā)生變化,其變化規(guī)律基本符合浴盆曲線形狀。在早期失效期,由于隨機(jī)應(yīng)力作用,產(chǎn)品失效率較高;隨著時(shí)間的推移,產(chǎn)品進(jìn)入偶然失效期,若此時(shí)受到應(yīng)力作用的產(chǎn)品未失效,就意味著產(chǎn)品強(qiáng)度高于載荷,對于平穩(wěn)隨機(jī)應(yīng)力過程而言,此階段失效率較低并趨于穩(wěn)定;進(jìn)入耗損故障期后,產(chǎn)品強(qiáng)度退化明顯,失效率逐步上升。

1.3 環(huán)境應(yīng)力篩選的物理機(jī)制研究

1.3.1 環(huán)境應(yīng)力篩選的基本原理

根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境特點(diǎn)及條件、軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定篩選的試驗(yàn)大綱。在開展試驗(yàn)的過程中,按照試驗(yàn)大綱要求,對一批次產(chǎn)品施加一定的環(huán)境應(yīng)力,例如溫/濕度、振動(dòng)、噪聲等應(yīng)力,在試驗(yàn)前后、試驗(yàn)中對產(chǎn)品進(jìn)行測試。經(jīng)過篩選后,該批次中有缺陷的產(chǎn)品被剔除,未出現(xiàn)故障的產(chǎn)品進(jìn)入下一階段。理論上,被剔除的產(chǎn)品應(yīng)是強(qiáng)度小于篩選應(yīng)力點(diǎn)的產(chǎn)品。經(jīng)過篩選后,該批次產(chǎn)品的強(qiáng)度分布規(guī)律應(yīng)是在初始強(qiáng)度分布的基礎(chǔ)上對小于篩選應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行左截尾的分布[20],如圖4中藍(lán)色曲線所示。

圖4 應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型(篩選后)

因此,基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型,假設(shè)篩選應(yīng)力為a,經(jīng)過篩選后,強(qiáng)度小于a的左側(cè)部分被剔除。結(jié)合式(3)和式(4),經(jīng)過篩選后的強(qiáng)度分布[21]如下所示:

(9)

其概率密度函數(shù)如圖4紅色虛線所示。可以看出,經(jīng)過篩選后的產(chǎn)品強(qiáng)度分布分散性變小,該批次產(chǎn)品可靠性整體得到提升。

經(jīng)過篩選后未出現(xiàn)故障的產(chǎn)品經(jīng)下一道工序裝配后進(jìn)入用戶使用階段,由于產(chǎn)品自身磨損等因素,其強(qiáng)度仍會(huì)逐步退化。同時(shí),受到實(shí)際使用過程中環(huán)境應(yīng)力的隨機(jī)作用,利用式(8),其失效率模型可表示如下:

(10)

1.3.2 篩選應(yīng)力對篩選效果的影響分析

不同篩選應(yīng)力點(diǎn)能夠剔除不同強(qiáng)度的產(chǎn)品,假設(shè)另一篩選應(yīng)力點(diǎn)為b(滿足b>a),可以得到如圖5虛線所示的產(chǎn)品壽命周期失效率變化規(guī)律。

圖5 不同篩選應(yīng)力的產(chǎn)品壽命周期失效率趨勢(篩選后)

結(jié)果表明,經(jīng)過篩選的該批次產(chǎn)品進(jìn)入使用階段后,在早期失效期失效率明顯降低,充分證明了篩選能夠有效消除產(chǎn)品的早期故障,降低了產(chǎn)品在使用過程中的失效率,這也充分證明了進(jìn)行篩選的必要性。

同時(shí),當(dāng)篩選應(yīng)力點(diǎn)為b時(shí),產(chǎn)品失效率變化曲線單調(diào)上升,不存在“早期失效期”,這說明適當(dāng)提高篩選應(yīng)力點(diǎn)能夠達(dá)到更好的篩選效果,能夠使產(chǎn)品直接進(jìn)入失效率較低的偶然失效期,有效提高了該批次產(chǎn)品的可靠性。

1.3.3 強(qiáng)度分散性對篩選效果的影響分析

在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于制造過程中設(shè)備磨損、隨機(jī)故障作用、人員操作的不穩(wěn)定性及維修計(jì)劃的差異性,不同批次產(chǎn)品質(zhì)量水平也不一致,產(chǎn)品各關(guān)鍵質(zhì)量特性的強(qiáng)度分布也存在不同的分散性,分散性越小,則意味著該批次產(chǎn)品質(zhì)量水平越高。理論上,在使用環(huán)境應(yīng)力分布一定的條件下,產(chǎn)品強(qiáng)度分散性越小,則應(yīng)力與強(qiáng)度干涉面積越小,即產(chǎn)品失效率也越低。因此,本文以應(yīng)力服從N(400,402)、強(qiáng)度服從均值為600、標(biāo)準(zhǔn)差分別為30,40,60,70,80的正態(tài)分布,繪制不同分散性初始強(qiáng)度分布的產(chǎn)品壽命周期內(nèi)失效率變化趨勢,本文著重關(guān)注早期失效期的失效率對比,如圖6所示。

圖6 不同分散性強(qiáng)度分布的產(chǎn)品壽命周期失效率趨勢

從圖6可以看出,強(qiáng)度分布的分散性大小會(huì)對產(chǎn)品早期失效期的失效率變化趨勢產(chǎn)生顯著的影響。分散性越小,早期失效期失效率越低。當(dāng)強(qiáng)度分布標(biāo)準(zhǔn)差為30和40時(shí),產(chǎn)品早期失效率較低。特別地,當(dāng)強(qiáng)度分布標(biāo)準(zhǔn)差為30時(shí),產(chǎn)品失效率單調(diào)上升,不存在早期失效現(xiàn)象。通常而言,常規(guī)篩選未考慮產(chǎn)品各關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)的強(qiáng)度分布,直接依據(jù)使用環(huán)境條件、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范對篩選項(xiàng)目進(jìn)行裁剪并確定篩選試驗(yàn)應(yīng)力條件,從而實(shí)施試驗(yàn)。實(shí)際上,隨著智能制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用,來源于人、機(jī)、料、法、環(huán)、測的不利因素偏差得到了有效的控制,出廠后的產(chǎn)品各關(guān)鍵質(zhì)量特性的穩(wěn)定性及一致性較高,即強(qiáng)度分散性較小,篩選過程中能夠發(fā)現(xiàn)缺陷產(chǎn)品的概率也較小。這也就解釋了目前在各級(jí)產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)中,能夠發(fā)現(xiàn)的失效產(chǎn)品數(shù)量極其有限的現(xiàn)象。受此啟發(fā),若產(chǎn)品強(qiáng)度分散性較小,此時(shí)開展篩選的有效性不大、效費(fèi)比較低。

2 基于關(guān)鍵質(zhì)量特性的環(huán)境應(yīng)力篩選方案設(shè)計(jì)

2.1 篩選方案設(shè)計(jì)流程

通過對比分析是否進(jìn)行篩選以及不同分散性強(qiáng)度分布的產(chǎn)品壽命周期失效率的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn):篩選對于降低產(chǎn)品早期失效期的失效率的作用十分明顯,進(jìn)行篩選是必要的。然而,當(dāng)批次產(chǎn)品一致性較高時(shí),按照常規(guī)篩選方案進(jìn)行的試驗(yàn)對于剔除早期失效產(chǎn)品的效果不是特別明顯。因此,進(jìn)行批次產(chǎn)品關(guān)鍵質(zhì)量特性的識(shí)別、測量及分散性分析對于制定篩選的試驗(yàn)條件而言具有重要意義。針對以上現(xiàn)象,本文提出了篩選方案制定流程,如圖7所示。

圖7 篩選方案制定流程

當(dāng)接收到某批次產(chǎn)品的篩選任務(wù)后,首先收集產(chǎn)品功能與物理結(jié)構(gòu)信息[22-23],利用質(zhì)量功能展開(quality function deployment, QFD)方法[24-25],對產(chǎn)品進(jìn)行自上而下的逐層分解,進(jìn)而識(shí)別出各層級(jí)的產(chǎn)品關(guān)鍵質(zhì)量特性,進(jìn)一步通過測量系統(tǒng)分析(measurement systems analysis, MSA)等非破壞性手段[26-27],測量該批次產(chǎn)品關(guān)鍵質(zhì)量特性的強(qiáng)度分布。在此步驟中,可以得到產(chǎn)品關(guān)鍵質(zhì)量特性集合及其測量結(jié)果。

其次,通過參數(shù)估計(jì)方法確定不同關(guān)鍵質(zhì)量特性的強(qiáng)度分布,分析其分散性。進(jìn)一步結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際使用環(huán)境條件,識(shí)別各個(gè)關(guān)鍵質(zhì)量特性敏感的應(yīng)力及其分布,基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型,繪制不同關(guān)鍵質(zhì)量特性對應(yīng)的失效率變化曲線。在此步驟中,可以得到不同關(guān)鍵質(zhì)量特性的應(yīng)力、強(qiáng)度分布曲線及失效率變化曲線。

最后,觀察不同關(guān)鍵質(zhì)量特性的失效率在早期失效期的形式。若此時(shí)失效率很低,則不需要針對此關(guān)鍵質(zhì)量特性選取試驗(yàn)項(xiàng)目,直至遍歷各層級(jí)的關(guān)鍵質(zhì)量特性。若此時(shí)失效率較高,則需要具體分析產(chǎn)品的使用環(huán)境條件,分析關(guān)鍵質(zhì)量特性的敏感應(yīng)力類型,依據(jù)相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定相應(yīng)的試驗(yàn)條件。值得注意的是,最終產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)的試驗(yàn)條件應(yīng)取決于最低強(qiáng)度的關(guān)鍵質(zhì)量特性對應(yīng)的試驗(yàn)條件。另外,在已知強(qiáng)度分布的基礎(chǔ)上,可以根據(jù)產(chǎn)品失效機(jī)理在不破壞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的前提下適當(dāng)?shù)靥岣吆Y選應(yīng)力,以實(shí)現(xiàn)更好的篩選結(jié)果。對于結(jié)構(gòu)簡單且關(guān)鍵質(zhì)量特性一致性較高的產(chǎn)品,則不需要進(jìn)行篩選就可以直接進(jìn)入下一階段。此時(shí),形成完整的產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)大綱并開展試驗(yàn)。

綜上所述,關(guān)鍵質(zhì)量特性的識(shí)別與測量、分散性分析是進(jìn)行篩選方案設(shè)計(jì)的前提。因此,本文將對上述兩個(gè)步驟進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

2.2 關(guān)鍵質(zhì)量特性的識(shí)別與測量

關(guān)鍵質(zhì)量特性是表征產(chǎn)品強(qiáng)度的具象化體現(xiàn)。本文利用QFD瀑布式分解形式[28-29],對產(chǎn)品功能需求進(jìn)行了自上而下的分解,依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙和模型圖,將產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)依次分解至部件級(jí)和零件級(jí),收集相關(guān)的質(zhì)量特性,由設(shè)計(jì)人員及生產(chǎn)部門人員識(shí)別其中少數(shù)且關(guān)鍵的質(zhì)量特性,由此得到產(chǎn)品的關(guān)鍵質(zhì)量特性集合。

進(jìn)一步地,采用MSA實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵質(zhì)量特性參數(shù)的準(zhǔn)確測量[30-32],統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵質(zhì)量特性(強(qiáng)度)的分布特性,為下一步擬合其概率密度函數(shù),分析確定均值、方差等統(tǒng)計(jì)特性提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3 關(guān)鍵質(zhì)量特性的分散性分析

在關(guān)鍵質(zhì)量特性的識(shí)別及測量結(jié)果的基礎(chǔ)上,通過參數(shù)估計(jì)、仿真等方法擬合關(guān)鍵質(zhì)量特性的分布,確定均值及方差等特性,獲取強(qiáng)度分布曲線,分析此時(shí)對應(yīng)的產(chǎn)品失效率曲線,從而判斷該批次產(chǎn)品是否需要進(jìn)行篩選。

在圖6基礎(chǔ)上,本文選取初始強(qiáng)度分散性較小(N(600,302))的批次產(chǎn)品進(jìn)行分析。假設(shè)對該批次產(chǎn)品施加一定的環(huán)境應(yīng)力,開展試驗(yàn),經(jīng)過篩選后的初始強(qiáng)度如圖8所示。由圖8可以看出,當(dāng)強(qiáng)度分布分散性較小時(shí),篩選后的強(qiáng)度分布曲線基本與未篩選的強(qiáng)度分布曲線重合。

圖8 分散性較小的強(qiáng)度分布的應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型

因此,不同分散性強(qiáng)度的產(chǎn)品是否進(jìn)行篩選的失效率變化趨勢如圖9所示。

圖9 分散性較小的強(qiáng)度分布的產(chǎn)品壽命周期失效率趨勢

從圖9可以看出,篩選能夠有效剔除產(chǎn)品早期故障。然而,早期失效期的局部放大圖表明,與強(qiáng)度分布分散性較大的早期失效率下降量相比,當(dāng)該批次初始強(qiáng)度分布分散性較小時(shí),是否進(jìn)行篩選的產(chǎn)品失效率之間相差量很小。

因此,通過上述對比發(fā)現(xiàn),若關(guān)鍵質(zhì)量特性分散性較小,代表制造過程中該特性的加工成熟度較高,相應(yīng)的早期失效率較低,則不需要針對此關(guān)鍵質(zhì)量特性設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目;若關(guān)鍵質(zhì)量特性分散性較大,相應(yīng)的早期失效率較高,則需要針對此關(guān)鍵質(zhì)量特性在實(shí)際使用環(huán)境中可能發(fā)生的缺陷類型設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目。進(jìn)一步地,依據(jù)相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求,形成該產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)大綱,據(jù)此開展試驗(yàn)。

3 案例分析

天線罩是導(dǎo)彈的重要組成部分,承受著導(dǎo)彈飛行時(shí)巨大的氣動(dòng)熱和氣動(dòng)力的聯(lián)合作用,保護(hù)天線等電子設(shè)備不受外界惡劣環(huán)境影響。通常,天線罩由罩體和連接環(huán)兩部分組成。以地空導(dǎo)彈用天線罩為例,在服役過程中,天線罩需要適應(yīng)低溫、工作時(shí)溫升、降雨、加速度、飛行及運(yùn)輸振動(dòng)等各種環(huán)境應(yīng)力。本文運(yùn)用上文提出的環(huán)境應(yīng)力篩選方案設(shè)計(jì)流程制定地空導(dǎo)彈用天線罩的篩選方案。

3.1 天線罩關(guān)鍵質(zhì)量特性的識(shí)別與測量

首先,收集天線罩功能要求、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖紙等信息,利用QFD對天線罩的功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐層分解,其構(gòu)建過程如圖10所示。天線罩在隱身、電氣、防熱性能方面的功能要求映射至天線罩的結(jié)構(gòu)組成上,分解為罩體、連接環(huán)與膠粘劑。隨后,根據(jù)獲取得到的產(chǎn)品各組件對應(yīng)的質(zhì)量特性,根據(jù)歷史批次產(chǎn)品試驗(yàn)及使用數(shù)據(jù),彈性模量、線脹系數(shù)、罩體壁厚對天線罩質(zhì)量水平影響顯著。因此,天線罩的關(guān)鍵質(zhì)量特性集合為{彈性模量,線脹系數(shù),罩體壁厚}。

圖10 天線罩關(guān)鍵質(zhì)量特性識(shí)別過程

其次,根據(jù)使用環(huán)境特點(diǎn)及條件,通過強(qiáng)度分析軟件獲得關(guān)鍵質(zhì)量特性相應(yīng)強(qiáng)度分布及等效應(yīng)力,則天線罩可靠度可以認(rèn)為是天線罩的等效應(yīng)力分布小于天線罩強(qiáng)度值的概率。以彈性模量為例,天線罩材料的彈性模量會(huì)影響天線罩的強(qiáng)度水平,足夠的強(qiáng)度才能應(yīng)對導(dǎo)彈發(fā)射高速飛行過程中由空氣動(dòng)力加速度引起的應(yīng)力。某批次天線罩的彈性模量服從N(32,42)的正態(tài)分布,其等效應(yīng)力服從N(20,2.52)的正態(tài)分布,假設(shè)應(yīng)力作用次數(shù)服從參數(shù)λ(t)=0.5h-1的泊松隨機(jī)過程,彈性模量隨時(shí)間的退化服從w(t)=w·e-0.000 001 t。

3.2 天線罩強(qiáng)度分散性分析

在天線罩的篩選過程中,試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括離心加速度、氣密性能檢查、罩內(nèi)沖壓以及超聲波無損探傷。其中,離心加速度試驗(yàn)通過模擬加速度環(huán)境造成的環(huán)境效應(yīng)以檢驗(yàn)天線罩的強(qiáng)度水平。試驗(yàn)后,彈性模量低于25 MPa的產(chǎn)品被剔除;在不破壞天線罩結(jié)構(gòu)的前提下,適當(dāng)提高篩選試驗(yàn)環(huán)境條件,彈性模量低于27 MPa的產(chǎn)品被剔除。因此,在0～8 000 h內(nèi),利用式(8)和式(10),不同篩選應(yīng)力的天線罩失效率隨時(shí)間的變化趨勢如圖11所示。

圖11 不同篩選應(yīng)力的天線罩0～8 000 h失效率趨勢(針對彈性模量)

從圖11的對比可以看出,經(jīng)過篩選的天線罩進(jìn)入使用階段后,早期失效期的失效率明顯下降;當(dāng)篩選應(yīng)力提高后,其失效率下降現(xiàn)象更為明顯。綜合來看,進(jìn)行篩選對于提高天線罩的可靠性是必要的,適當(dāng)提高篩選應(yīng)力能夠取得更好的篩選效果。

隨后,為了對比分析不同分散性的強(qiáng)度分布對篩選效果的影響,假設(shè)現(xiàn)有不同批次的天線罩的彈性模量分散度也不相同,當(dāng)其均值為32 MPa,標(biāo)準(zhǔn)差分別為2,2,5,3,4,5時(shí),利用式(8),其失效率隨時(shí)間的變化趨勢如圖12所示。

圖12 不同分散性強(qiáng)度的天線罩失效率趨勢(針對彈性模量)

從圖12可以看出,本批次天線罩的彈性模量標(biāo)準(zhǔn)差為4,分散性較大,相應(yīng)地在早期失效率也較高。天線罩彈性模量分散性越小,天線罩在早期失效期內(nèi)的失效率越低。當(dāng)彈性模量標(biāo)準(zhǔn)差為2.5以下時(shí),天線罩從一開始便進(jìn)入失效率較低水平。為了分析不同分散性的強(qiáng)度對篩選效果產(chǎn)生的影響,按照常規(guī)篩選應(yīng)力開展試驗(yàn),彈性模量低于25 MPa的產(chǎn)品被剔除,其失效率隨時(shí)間的變化趨勢如圖13所示。

結(jié)果表明,本批次天線罩的彈性模量(標(biāo)準(zhǔn)差為4)經(jīng)過篩選后,失效率下降量較大;當(dāng)彈性模量分散性較小時(shí),天線罩失效率較低,并且其失效率變化曲線與篩選后的天線罩失效率變化曲線基本重合。當(dāng)彈性模量分散性較小時(shí),相較于本批次天線罩的彈性模量標(biāo)準(zhǔn)差為4的失效率下降量而言,此時(shí)進(jìn)行篩選的效果不夠明顯,具體表現(xiàn)為篩選過程中能夠發(fā)現(xiàn)的缺陷產(chǎn)品的數(shù)量極其有限。

因此,通過上述分析可知,針對天線罩的彈性模量這一關(guān)鍵質(zhì)量特性,一方面,將篩選應(yīng)力提高至27 Mpa能夠明顯改善篩選效果;另一方面,本批次天線罩彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)差為4,進(jìn)行篩選非常有必要且效果明顯。若天線罩彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)差較小,則需要通過觀察對應(yīng)的失效率變化曲線重新判定進(jìn)行篩選的必要性。

4 結(jié)束語

本文研究了環(huán)境應(yīng)力篩選的物理機(jī)制,提出了基于關(guān)鍵質(zhì)量特性的環(huán)境應(yīng)力篩選方案設(shè)計(jì)方法。首先,基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型,表征了經(jīng)過篩選后的產(chǎn)品失效率模型,指出篩選能夠有效降低產(chǎn)品在早期失效期的失效率。隨后,不同分散性強(qiáng)度分布的產(chǎn)品失效率變化趨勢對比結(jié)果表明,強(qiáng)度分散性越小,產(chǎn)品早期失效期的失效率越低,此時(shí)開展篩選的有效性越低。最后,基于關(guān)鍵質(zhì)量特性的識(shí)別與測量、分散性分析給出了制定篩選試驗(yàn)方案流程的建議。研究表明,進(jìn)行篩選對于提高產(chǎn)品可靠性而言有著重要意義,當(dāng)產(chǎn)品初始強(qiáng)度分布分散性較小時(shí),進(jìn)行篩選的有效性較低。

本文提出的環(huán)境應(yīng)力篩選物理機(jī)制,探索性地解釋了產(chǎn)品“要不要篩”“什么情況下需要篩”的問題,提出的篩選方案設(shè)計(jì)方法為提高篩選效率、降低篩選成本提供了思路。后續(xù),將考慮多應(yīng)力耦合場景的應(yīng)力分布及作用過程,以準(zhǔn)確表征產(chǎn)品失效率變化趨勢,從而判斷篩選的必要性與有效性。