对装备可靠性试验工作体系的探讨

1  引言

产品的可靠性是设计、制造出来的，是管理出来的，也是试验出来的。可靠性作为产品的固有属性，主要靠设计制造来保证，但必须通过试验予以验证和评估。可靠性试验的目的是发现产品在设计、材料和工艺方面的缺陷；并对其达到的可靠性定量指标进行评估，为评估产品的战备完好性、任务成功性、维修人力费用和保障资源费用提供信息。

美军将可靠性指标作为评估武器装备作战适用性的重要参数，美军在实践中也认识到，单纯依靠可靠性增长试验，对于某些复杂或可靠性要求高的产品，需要耗费大量资源，工程上是行不通的（MIL-STD-781D《可靠性鉴定和验收试验》也已于1996年废止）。因此，美军越来越重视综合利用各种试验信息，利用产品研制过程中各项试验（如性能试验、功能试验、联机调试、环境试验、可靠性试验、定型试验及现场试验等）的资源与信息，把非可靠性试验与可靠性试验结合起来，都纳入到以可靠性增长为目标的综合管理之下，以扩大样本量, 选用适用的数学模型进行工程计算，评估产品的可靠性水平，经济、高效地促进产品达到预订的可靠性目标。美军作战试验鉴定局在其《2016财年年度报告》中指出：“要求项目须采用可靠性增长规划，不断评估其可靠性增长情况，使武器装备在初始作战试验鉴定中达标”。得益于对全寿命周期可靠性试验数据的有效管理，利用可靠性增长曲线来监控系统可靠性已成为美军惯例。

目前，国内在产品研制过程中，开展了大量的可靠性试验，包括环境适应性试验、强度刚度试验、可靠性试验及寿命试验等，目前这些试验项目都建立了自成体系的试验标准和规范。显而易见，虽然这些试验随着阶段的不同其目的和针对性都有所不同，但无疑这些试验都是在实验室受控的环境条件下进行的，所用的环境因素、应力类型和试验设备都有交叉，并且试验结果也是可以相互借鉴的。

本文依据可靠性的基本定义，从导致产品失效的物理模型分析出发，对可靠性试验的类型及技术体系进行阐述，可以为型号更好的制定可靠性试验工作计划提供参考。

2  装备的可靠性参数及失效物理模型概述

2.1 装备可靠性参数

根据GJB451A-2005对可靠性的定义，可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力，因此，装备可靠性代表了型号无故障工作的一种能力。由于装备构成复杂，不同产品的结构和作战使用要求差异较大，需采用不同的可靠性参数指标来表征其可靠性，例如发射飞行可靠度、贮存期、平均故障间隔时间（MTBF）和平均维修时间（MTTR）等。

2.2 装备失效物理模型

可靠性试验的基础原理是失效物理，失效物理是研究电子元器件及其材料失效机理的一个综合学科，从微观角度研究元器件及其材料的失效原因，从似乎微小过程的描述中建立物理模型，描述元器件及其材料的微观本质与宏观性能的关系。当前，失效物理模型大致可分为界限模型、耐久模型、应力强度模型、反应论模型、累积损伤模型、失效耦合模型及竞争失效模型等。

根据可靠性的定义，可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。因此也可以将可靠性试验中的失效分为以下两类：一是不能在规定的时间内完成规定功能；二是不能在规定的条件下完成规定的功能。相应的，根据失效类型，可以将失效物理模型分为两大类：即与条件相关的物理模型及与时间相关的物理模型。

2.2.1 条件相关失效物理模型

规定的条件在试验中体现为试验所施加的环境条件、工作和使用维护条件。环境条件包括产品全寿命周期所经受的各种气候环境、力学环境、生物环境、电磁辐射环境、化学环境等因素。工作条件包括产品的功能模式、输入/输出信号、负载条件、工作能源、实际操作（如启动特性、工作循环）等方面。

1）界限模型

当应力或能量超过某一界限，物体将可能进入不稳定、不安全、不可靠的状态，此临近状态叫做临界状态，如图1所示。界限模型适用于与过应力失效相关的失效机理，它描述了产品在一定的工作和环境条件下由外部载荷所引发的内部应力的响应，当外部载荷所引起的应力大于产品的内在强度时，产品发生失效。界限模型的结果只有考核通过或不通过两种，无法给出定量的可靠性指标。

2）应力强度干涉模型与结构可靠性

由于施加与产品上的载荷及结构自身的强度均会呈现出一定的随机性，失效是在应力超过强度界限时发生的。因此需要用应力强度干涉模型进行描述。如果掌握了应力和强度随时间的分布，即可通过计算应力和强度之间的干涉面积来计算结构的失效概率，从而得到产品在一定载荷下的可靠度，见图2所示。

2.2.2 时间相关失效物理模型

时间相关模型是在条件相关模型（例如界限模型）基础之上，主要描述产品所经受的应力在界限以内，在t=0时刻工作于安全工作区内，并并随时间的推移而积累到一定量时才发生失效的情形。如，金属材料的电迁移失效、集成电路的栅氧层与时间相关的击穿失效等。

1）耐久模型

耐久模型适用于与耗损型失效相关的失效机理，它描述了产品在一定的工作环境和条件下性能参数随时间的衰减变化规律，当产品的这一性能参数指标超出了规定的范围时，产品发生失效。对于实际产品在使用中工作环境不是恒定的情况，需要对性能参数的变化进行积分以获得产品到达失效时的使用寿命，这种模型也可以认为是退化模型。

2）反应论模型

从微观的角度看，物体的损坏或退化都是由在各种应力作用下产生的化学反应所导致的原子分子变化。这种变化过程表现出氧化、析出、电解、扩散、蒸发、磨损和疲劳等失效机理。当产品的有害反应持续到一定程度时，失效随之发生。典型的反应论模型如Coffin-Manson模型、Arrhenius模型和Erying模型等。

3）累积损伤模型

在实际产品的使用中工作环境一般是非恒定的，其损伤的数学模型广为采用的是线性损伤累计模型或叫Miner法则，即对于应力大小变化而退化机理或失效机理不变的退化过程，假设各级应力引起的疲劳损伤可以是各级应力引起损伤的线性累加。损伤累积分析的结果是产品在给定时间内，各潜在点的累积损伤量。当累积损伤量达到1时，失效就会发生。

3  装备可靠性试验工作项目探析

可靠性试验是为了了解、评价、分析和提高产品的可靠性而进行的各种试验的总称，旨在暴露产品的缺陷，为提高产品的可靠性提供必要信息并最终验证产品的可靠性。换句话说，任何与产品故障或故障效应有关的试验都可以认为是可靠性试验。从失效产生的机理及其模型出发，对可靠性试验进行界定和分类，产品失效物理模型及对应的可靠性试验项目见表1所示。

4  展望与建议

1)应注重研制阶段的可靠性试验。可靠性研制试验的目的是发现产品的薄弱环节并加以改进，因此不必局限于模拟真实环境的试验方法，应尽量采取加速的应力激发试验方法。在经费有限的情况下，应注重和强化研制阶段的研制试验，以及工艺过程中的环境应力筛选，在研制阶段早期充分暴露产品在设计、元器件、零部件、原材料及工艺等方面的各种缺陷，失效可靠性增长，以保证可靠性工作的效果和充分性，以免影响进度和追加费用。

2)应弱化专门的可靠性试验指标的考核试验。面对装备长寿命、高可靠度要求，按目前的可靠性试验方式难以验证，周期和成本都无法承受。因此，应将重点放在利用产品研制过程中各项试验（如性能试验、功能试验、联机调试、环境试验、可靠性试验、定型试验及现场试验等）的资源与信息，把非可靠性试验与可靠性试验结合起来，都纳入到以可靠性增长为目标的综合管理之下，以扩大样本量, 选用适用的数学模型进行工程计算，评估产品的可靠性水平，经济、高效地促进产品达到预订的可靠性目标。

3)应从单特性试验向多特性一体化试验方向发展。随着新的试验鉴定模式的转变，军方更加强调制定鉴定定型试验的总体方案，以明确试验考核的总体要求。因此，在制定可靠性试验计划以及安排可靠性试验工作时，需要加强各种试验之间的综合、协调，避免重复试验。重点是基于产品研制过程中的可靠性风险识别结果，研究制定和实施针对高可靠性风险点的试验方法和专项专项验证试验方案，为降低产品的状态鉴定风险和提高产品的可靠性水平提供支撑。

4) 应加强小子样、高可靠产品可靠度评估方法的研究。当前，由于在装备研制过程中很难获取到产品故障时间的统计数据，也就很难得到可靠度的统计评估结果。针对小子样、高可靠产品可靠度评估的难题，从失效物理模型的角度，认为可行的途径包括：一是增加试验时间（通过引入试验长度因子的概念，将产品的“规定的时间”指标乘以一定的试验长度因子作为实际考核的试验时间）；二是增加试验应力（采用加速试验的方法，用高应力的寿命特征外推正常应力下的额寿命特征），就可以达到利用极少的试验子样验证极高的贮存可靠度的目的。