（机械工程专业论文）仿真基加速试验方案优化设计方法研究.pdf

国防科学技术大学研究牛院博士学位论文 摘要 加速试验技术为卫星在轨定寿、导弹定寿延寿等重大产品、复杂系统寿命预 测问题提供了一条可行的途径。不同的加速试验方案可能使得试验效率、试验代 价存在很大的差异，寿命预测的准确性也会相差很大。加速试验方案优化设计主 要研究在试验代价约束下，如何设计试验方案使装备的寿命预测最准确。目前， 基于解析的优化方法得到了较多关注，但是其推导过程复杂，工程应用困难，在 多数应用场合甚至不存在优化设计的解析解。因此，解析优化方法在装备的复杂 加速试验方案优化设计中难以应用。 针对装备寿命预测的工程应用需求，本文从全新的角度对加速试验方案优化 设计问题进行系统深入研究，将m o n t ec a r l o 仿真方法引入加速试验方案优化设计， 建立一套新的仿真基加速试验方案优化设计理论与方法，为装备寿命预测的加速 试验方案优化设计提供技术支撑，主要研究内容与结论如下： 1 分析了基于解析的加速试验方案优化设计方法，通过引入m o n t ec a r l o 仿真 的统计模拟思想，构建仿真基加速试验方案优化设计理论框架，包括：仿真、分 析、优化等。针对理论框架的要求，提出典型加速试验数据的仿真方法，总结适 应仿真优化要求的试验数据统计分析方法，提出仿真基加速试验方案基本优化方 法。本文提出的仿真基加速试验方案优化设计理论框架，可将试验方案优化设计 问题转化为试验数据的建模分析问题，进而从本质上解决解析优化方法对复杂加 速试验方案优化设计的应用障碍。 2 在仿真基加速试验方案优化设计基本理论的基础上，提出了典型加速寿命 试验、加速退化试验方案的仿真基优化设计方法。 ( 1 ) 通过分析恒定应力和步降应力加速寿命试验方案优化设计的优化目标、 方案要素、约束条件等，分别提出仿真基恒定应力加速寿命试验方案优化设计方 法、仿真基步降应力加速寿命试验方案优化设计方法，并通过实例与基于解析的 加速寿命试验方案优化方法进行对比，验证其有效性，为0 1 型失效装备的寿命预 测提供加速寿命试验方案优化设计关键技术支撑。 ( 2 ) 通过分析退化试验方案优化设计的优化目标、方案要素、约束条件等， 提出仿真基退化试验方案优化设计方法。在此基础上，进一步提出仿真基恒定应 力加速退化试验方案优化方法，并通过算例与基于解析的加速退化试验方案优化 方法进行对比，验证其有效性，为退化型失效装备的寿命预测提供加速退化试验 方案优化设计关键技术支撑。 上述四种仿真基加速试验方案优化设计方法克服了基于解析的方案优化设计 方法难以设计复杂加速试验方案、工程应用困难等不足，完善了加速试验方案优 第i 页 国防科学技术大学研究牛院博十学位论文 化设计理论，可为其它类型加速试验方案优化设计提供借鉴。 3 将仿真基加速试验方案优化设计方法应用于我国某星载超高精度铯原子频 标系统中的关键件某型新研电子倍增器的寿命预测，为仿真基加速试验方案 优化设计研究提供完整的工程应用案例。通过多应力交叉步进加速退化摸底试验 获得电子倍增器的先验信息，应用所研究的方法进行电子倍增器多应力加速退化 试验的复杂方案优化设计，基于优化试验方案实施电子倍增器的多应力加速退化 试验，建立电子倍增器的寿命预测模型，进行电子倍增器的寿命预测。 综上所述，在国家部委重点预研项目的资助下，本文从理论、方法和应用不 同层面对仿真基加速试验方案优化设计问题开展了系统深入的研究。本文的研究 结果，以及在本文基础上的进一步研究与完善将为装备寿命预测研究提供一套理 论完善、工程适用的加速试验方案优化设计技术，对进一步开展装备寿命预测研 究具有重要的理论与工程价值。 主题词：加速试验优化设计m o n t ec a r l o 仿真加速寿命试验退化试验 加速退化试验可靠性 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t a c c e l e r a t e dt e s t i n g ( a t ) t e c h n o l o g yp r o v i d e saf e a s i b l es o l u t i o nt ol i f ep r e d i c t i o n f o ri m p o r t a n te q u i p m e n ta n dc o m p l e xs y s t e m s ，s u c ha ss a t e l l i t e si no r b i t ，m i s s i l e s y s t e m si ns t o r a g ea n ds oo n d i f f e r e n ta tp l a n sm a yi n d u c ec o m p l e t e l yd i f f e r e n tt e s t e f f i c i e n c y ，t e s tc o s ta n dp r e d i c t i o na c c u r a c y i ti s s t i l lam a i nc h a l l e n g ei na p p l i c a t i o n h o wt od e s i g no p t i m a lp l a n sf o ra tw h i c hr e s u l ti nt h em o s ta c c u r a t ee s t i m a t i o nw i t h i n p r e d e t e r m i n e db u d g e t a n a l y t i c a la p p r o a c h e st oo p t i m a ld e s i g nf o ra th a v eb e e n f o c u s e do ns of a r h o w e v e r ，a n a l y t i c a ls o l u t i o n so fo p t i m a ld e s i g na r en o ta v a i l a b l ei n m a n yc a s e s ，a n dt h ep r o c e d u r eo fi t si n f e r e n c ei sv e r yc o m p l i c a t e d ，w h i c hm a k e si t d i f f i c u l tt os e tu paf r a m e w o r kf o ra p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，o p t i m a ld e s i g np r o b l e m so f c o m p l e x a t p l a n sf o re q u i p m e n ta r ed i f f i c u l tt ob es o l v e db ya n a l y t i c a la p p r o a c h e s a i m e da tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t sf o rl i f ep r e d i c t i o no fe q u i p m e n t , t h i s d i s s e r t a t i o nc a r r i e so n as y s t e m i cr e s e a r c ho no p t i m a ld e s i g nf o ra tf r o mac o m p l e t e l y n e w p e r s p e c t i v e as e to ft h e o r i e sa n dm e t h o d so fs i m u l a t i o n - b a s e do p t i m a ld e s i g nf o r a ta r ee s t a b l i s h e db yi n c o r p o r a t i n gm o n t ec a r l os i m u l a t i o n , w h i c hp r o v i d e st e c h n i c a l s u p p o r t f o r o p t i m a ld e s i g nf o ra ti n l i f e p r e d i c t i o no fe q u i p m e n t t h em a i n c o n t r i b u t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o na l es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 f r o mt h ea n a l y s i so na n a l y t i c a la p p r o a c h e st oo p t i m a l d e s i g nf o ra t ，a t h e o r e t i c a lf r a m e w o r ko fs i m u l a t i o n - b a s e do p t i m a ld e s i g nf o ra t ，i n c l u d i n gs i m u l a t i n g ， a n a l y z i n ga n do p t i m i z i n g ，i se s t a b l i s h e db yi n c o r p o r a t i n gs t a t i s t i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d o fm o n t ec a r l o t om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h et h e o r e t i c a lf r a m e w o r k ，a p p r o a c h e so f g e n e r a t i n gs i m u l a t e dd a t ai nt y p i c a la t a l ep r e s e n t e d ；s t a t i s t i c a lm e t h o d st oa n a l y z et h e d a t aa l es u m m a r i z e d ；b a s i cm e t h o d sf o rs i m u l a t i o n - b a s e do p t i m a ld e s i g nf o ra ta r e p r e s e n t e d n l ep r e s e n t e dt h e o r e t i c a lf r a m e w o r kc a l l c o n v e r tap r o b l e mo fo p t i m a l d e s i g nf o ra ti n t oap r o b l e mo fd a t aa n a l y z i n gi na t ，s oi ti sa p p l i c a b l ei nt h eo p t i m a l d e s i g nf o rc o m p l e xp l a n so fa t ，t ow h i c ha n a l y t i c a la p p r o a c h e sa l ed i f f i c u l tt oa p p l y 2 o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo fs i m u l a t i o n - b a s e do p t i m a ld e s i g nf o ra t ，m e t h o d s o fs i m u l a t i o n - b a s e do p t i m a ld e s i g nf o rt y p i c a la c c e l e r a t e dl i f et e s t so 地t ) a n d a c c e l e r a t e dd e g r a d a t i o nt e s t s ( a d t ) a l ep r e s e n t e d ( 1 ) m e t h o d so fs i m u l a t i o n - b a s e do p t i m a ld e s i g nf o rc o n s t a n t s t r e s sa c c e l e r a t e dl i f e t e s t i n g ( c s a l t ) a n ds t e p d o w n - s t r e s sa c c e l e r a t e dl i f et e s t i n g ( s d s a l t ) a r ep r e s e n t e d r e s p e c t i v e l y f r o ma n a l y z i n go b j e c t i v ef u n c t i o n , p l a ne l e m e n t sa n dt e s tc o n s t r a i n t s e x a m p l e sa r ep r o v i d e dt oc o m p a r et h ep r e s e n t e dm e t h o d so fs i m u l a t i o n b a s e do p t i m a l d e s i g nf o ra l tw i ma n a l y t i c a la p p r o a c h e st od e m o n s t r a t et h e i rv a l i d i t y t h em e t h o d s c a l lp r o v i d ek e yt e c h n i c a ls u p p o r tf o rl i f ep r e d i c t i o ni ne q u i p m e n tw i t ho 一1f a i l u r e m o d e s ( 2 ) am e t h o do fs i m u l a t i o n - b a s e do p t i m a ld e s i g nf o rd e g r a d a t i o nt e s t ( d t ) i s 第i i i 页 国防科学技术大学研究牛院博士学位论文 p r e s e n t e df r o ma n a l y z i n go b j e c t i v ef u n c t i o n , p l a ne l e m e n t sa n dt e s tc o n s t r a i n t so f o p t i m a ld e s i g nf o rd t b a s e do nt h i s ，am e t h o do fs i m u l a t i o n b a s e do p t i m a ld e s i g nf o r c o n s t a n ts t r e s sa c c e l e r a t e dd e g r a d a t i o nt e s t ( c s a d t ) i sp r e s e n t e d e x a m p l e sa r ea l s o p r o v i d e dt oc o m p a r et h ep r e s e n t e d m e t h o d so fs i m u l a t i o n - b a s e do p t i m a ld e s i g nf o rd t a d tw i t ha n a l y t i c a la p p r o a c h e st od e m o n s t r a t et h e i rv a l i d i t y t h em e t h o d sc a l lp r o v i d e k e yt e c h n i c a ls u p p o r tf o rl i f ep r e d i c t i o ni ne q u i p m e n tw i t hd e g r a d a t i o n f a i l u r em o d e s t h ea f o r e m e n t i o n e df o u rm e t h o d sa l ea p p l i c a b l ei no p t i m a ld e s i g nf o rc o m p l i c a t e p l a n so fa t a n dc o n v e n i e n tt ou s ei ne n g i n e e r i n gi nc o n t r a s tt oa n a l y t i c a la p p r o a c h e s t h em e t h o d sa d v a n c et h et h e o r yo fo p t i m a ld e s i g nf o ra t ，a n dp r o v i d ed i r e c t i o n sf o r o p t i m a ld e s i g nf o ro t h e rt y p e so f a t 3 1 1 1 em e t h o d so fs i m u l a t i o n - b a s e do p t i m a ld e s i g nf o ra ta r ea p p l i e dt ol i f e p r e d i c t i o n o fn e w l y d e v e l o p e de l e c t r o nm u l t i p l i e r s ( e m ) i ns u p e r - h i g h - p r e c i s i o n s a t e l l i t e b o r n ec e s i u ma t o mf r e q u e n c ys t a n d a r ds y s t e m ，w h i c hp r o v i d e sa ne n g i n e e r i n g c a s ef o rt h es t u d yo fo p t i m a ld e s i g nf o ra t f i r s t l y p r i o ri n f o r m a t i o no fe mi so b t a i n e d b yap i l o te x p e r i m e n to fm u l t i c r o s s e ds t e p - s t r e s sa d t s e c o n d l y ，a no p t i m a la d tp l a n i sd e s i g n e db yt h em e t h o d so fs i m u l a t i o n b a s e do p t i m a ld e s i g nf o ra t t h i r d l y m u l t i c o n s t a n ts t r e s sa d ti sc o n d u c t e db a s e do nt h eo p t i m a la d tp l a n a n df i n a l l y ， l i f ep r e d i c t i o nm o d e lo fe mi se s t a b l i s h e db yw h i c hl i f eo fe mc a l lb ep r e d i c t e da tu s e c o n d i t i o n i ns u m m a r y ，u n d e rt h ef u n do fr e l a t e dk e yp r o j e e l so fa r m a m e n t ，t h i sd i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e st h e o r i e s ，m e t h o d sa n da p p l i c a t i o n so fs i m u l a t i o n - b a s e do p t i m a ld e s i g nf o r a c c e l e r a t e dt e s t i n gs y s t e m a t i c a l l y t h er e s e a r c ha n df u r t h e ri m p r o v e m e n t sw i l lp r o v i d e s y s t e m a t i ca c c e l e r a t e dt e s t i n gt e c h n o l o g yf o rl i f ep r e d i c t i o n o fe q u i p m e n t s ot h e r e s e a r c hh a si m p o r t a n tt h e o r ya n de n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c ei nl i f ep r e d i c t i o no f e q u i p m e n t k e yw o r d s ：a c c e l e r a t e dt e s t ；o p t i m a ld e s i g n ；m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ； a c c e l e r a t e dl i f e t e s t ；d e g r a d a t i o nt e s t ；a c c e l e r a t e dd e g r a d a t i o nt e s t ； r e l i a b i l i t y 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博七学位论文 缩略词与符号说明 a ta c c e l e r a t e dt e s t i n g ( 加速试验) a l ta c c e l e r a t e dl i f et e s t i n g ( 加速寿命试验) d t d e g r a d a t i o nt e s t ( 退化试验) a d ta c c e l e r a t e dd e g r a d a t i o nt e s t ( 加速退化试验) c s a l tc o n s t a n ts t r e s sa c c e l e r a t e dl i f et e s t i n g ( 恒定应力加速寿命试验) s s a l t s t e p - s t r e s sa c c e l e r a t e dl i f et e s t i n g ( 加速寿命试验) s d s a l ts t e p d o w n s t r e s sa c c e l e r a t e dl i f et e s t i n g ( 加速寿命试验) c s a d tc o n s t a n ts t r e s sa c c e l e r a t e dd e g r a d a t i o nt e s t ( 恒定应力加速退化试验) s s a d t s t e p s t r e s sa c c e l e r a t e dd e g r a d a t i o nt e s t ( 步进应力加速退化试验) m cm o n t ec a r l o ( 蒙特卡罗方法) m t t fm e a nt i m et of a i l u r e ( 平均失效时间) c e mc u m u l a t i v ee x p o s u r em o d e l ( 累积损伤模型) f e tf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ( 场效应晶体管) m e mm i x e d e f f e c tm o d e l ( 混合效应模型) s p ms t o c h a s t i cp r o c e s sm o d e l ( 随机过程模型) m l em a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n ( 极大估计) l s el e a s ts q u a r ee s t i m a t i o n ( 最小二乘估计) a u e a p p r o x i m a t eu n b i a s e de s t i m a t i o n ( 近似无偏估计) l e d l i g h te m i t t i n gd i o d e ( 发光二极管) b l u eb e s tl i n e a ru n b i a s e de s t i m a t i o n ( 最佳线性无偏估计) g l u eg o o dl i n e a ru n b i a s e de s t i m a t i o n ( 简单线性无偏估计) l i el i n e a ri n v a r i a n te s t i m a t i o n ( 线性不变估计) a v a s y m p t o t i cv a r i a n c e ( 渐近方差) m s em e a ns q u a r ee r r o r ( 均方误差) l o e s sl o c a lr e g r e s s i o n ( 局部回归) e me l e c t r o nm u l t i p l i e r ( 电子倍增器) 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表2 1 1 最优方案对模型参数) ，l 、) ，2 偏差的敏感性1 6 表2 2 1 恒加试验数据仿真方案2 8 表2 2 2寿命分布参数及截尾比例期望j 2 8 表2 2 3步降试验数据仿真方案3 l 表2 2 4寿命分布参数先验3l 表2 2 5l e d 加速退化试验数据仿真方案。3 5 表2 3 1恒加试验算例m l e 结果及相对误差4 l 表2 3 2步降试验算例参数估计结果及相对误差4 4 表2 3 3 退化试验算例参数估计结果及相对误差4 6 表2 3 4 c s a d t 算例参数估计结果及相对误差。4 7 表3 1 1算例2 的最优传统试验方案6 2 表3 1 2算例2 的试样不等分配最优试验方案6 2 表3 1 3最优传统试验方案对模型偏差的敏感性6 2 表3 1 4算例2 试样不等分配最优方案对模型偏差的敏感性6 2 表3 2 1方案( 1 ) 不同加权系数对应的最优方案6 8 表3 2 2 方案( 2 ) 不同加权系数对应的最优方案6 9 表3 2 3 模型偏差士5 最优步降试验方案的敏感性7 0 表4 1 1l e d 最优退化试验方案7 9 表4 1 2模型偏差士1 最优退化试验方案的敏感性7 9 表4 1 3模型偏差士5 最优退化试验方案的敏感性8 0 表4 1 4模型偏差士1 0 最优退化试验方案的敏感性8 0 表4 2 1 c b = 1 2 0 0 0 时的最优3 应力水平方案8 7 表4 2 2 文献 2 0 6 中m s e 值相同的f a n dl 不同组合8 8 表4 2 3不同应力水平数m 及应力水平组合下的最优试验方案。8 9 表4 2 4两应力水平a d t 最优方案的敏感性9 0 表5 2 1双应力交叉步进方案9 7 表5 3 1参数，c ，仅，毋的估计值1 0 4 表5 3 2电子倍增器先验信息1 0 4 表5 4 1电子倍增器双应力c s a d t 应力水平组合1 0 5 表5 4 2 电子倍增器双应力加速退化试验最优方案10 8 表5 4 - 3 电子倍增器最优方案的鲁棒性10 8 表5 5 1电子倍增器加速退化模型的参数估计1 1 0 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 2 1 加速试验数据类型3 图1 2 2加速试验应力一时间关系类型3 图1 3 1论文研究思路1 2 图2 1 1基于解析的加速试验优化设计方法l 3 图2 1 2仿真基加速试验优化设计的理论框架1 8 图2 2 1某产品的w e i b u l l 分布恒加试验仿真数据2 9 图2 2 2某产品的步降试验仿真数据3 2 图2 2 3某型l e d 的退化试验数据仿真结果3 4 图2 2 4某型l e d 的加速退化试验数据仿真结果3 6 图2 4 1估计准确度相对比率法5 2 图3 1 1仿真基c s a l t 优化设计流程图5 6 图3 1 2算例1 的最优试验方案5 9 图3 1 3算例2 的最优传统试验方案6 l 图3 1 4算例2 的试样不等分配最优试验方案6 1 图3 2 1仿真基步降应力加速寿命试验优化设计流程图6 5 图3 2 2方案( 1 ) 的子目标函数与目标函数值6 7 图3 2 3方案( 1 ) 目标函数的l o e s s 回归及优化结果6 8 图3 2 4方案( 2 ) 的子目标函数与目标函数值6 9 图3 2 5方案( 2 ) 目标函数的l o e s s 回归及优化结果一6 9 图4 1 1仿真基退化试验优化设计流程图7 4 图4 1 2l = 3 0 0 0 ，q = 5 0 0 时的最优退化试验方案7 8 图4 2 1仿真基a d t 优化设计流程图。8 5 图4 2 2c b = 1 2 0 0 0 时最优3 应力水平试验方案8 7 图4 2 3 文献 2 0 6 中c b = 1 2 0 0 0 时最优3 应力水平试验方案8 8 图5 1 1铯原子频标系统方框图9 2 图5 1 2铯束管基本结构9 3 图5 1 3电子倍增器原理及结构示意图9 4 图5 1 4电子倍增器的理论退化轨迹9 5 图5 1 5仿真基加速试验优化设计方法应用总体方案9 5 图5 2 1电子倍增器加速退化试验系统9 6 图5 2 2双应力交叉步进摸底试验数据9 8 图5 3 1双应力c s a d t 的理论退化轨迹10 0 第v 页 国防科学技术大学研究乍院博士学位论文 图5 3 2 图5 4 1 图5 4 2 图5 5 1 g r ( 0 与6 tl ( f ，力】( f ，j = 0 ，l ，1 ) 之间的关系1 0 0 低应力水平优化结果1 0 6 各子试验监测次数优化结果1 0 7 电子倍增器双应力c s a d t 数据1 0 9 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：装垒麦佥亟型煎鱼裹基垄速达验左塞佐丝遮盐左洼丑究 学位论文作者签名：i 堑堕i 生 一 日期： 沙口宇年i d 月i 岁日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： i 塑医 作者指黝擀：恤 日期：跏孑年io 月i 了日 日期：埘年加月彦日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 本论文的研究工作来源于国家部委预研基金项目“步降应力加速寿命试验技 术研究”、“电子倍增器加速退化试验研究”、“十一五 国家部委重点预研项 目“整机寿命加速试验技术研究”。 重要装备和重大设施的寿命预测是提高其运行可靠性、安全性、可维护性的 关键技术，被列入2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年国家中长期科学和技术发展规划纲要。近年来， 国家8 6 3 计划先进制造技术领域专门设立了重大产品和重大设施寿命预测技术专 题，各相关部委“十一五”预研也对相关主题进行了重点资助。 由于缺乏有效的装备寿命预测技术，目前装备的研制生产普遍采用保守的定 寿方法，以确保装备在使用期内的可靠、安全运行。例如，我国的探n - - 号卫星 等航天器确定的在轨运行设计寿命只有1 年，但实际寿命超过1 年。美国的“大 力神i i 液体导弹的首次定寿为7 年，贮存到期后又延寿到1 9 年。民用飞机的设 计飞行小时寿命一般确定为乱l o 万小时，设计寿命到期时，大部分仍然处于良好 的性能状态。保守的寿命预测结果虽能确保装备在使用期内的可靠、安全运行， 但是它却不能使其寿命潜力得到充分发挥，造成资源浪费。 相反，如果装备寿命预测结果过于乐观，会使装备在使用期内存在安全隐患， 可能造成严重的经济损失、军事失利，甚至恶劣的政治影响。因此，装备寿命预 测技术的重要性在于能够得到准确的寿命预测结果，从而一方面可以充分发挥装 备使用寿命潜力，避免过早报废，充分发挥资源效益；另一方面能够避免盲目延 长使用期可能造成的寿命隐患，提高装备的可用性。 目前，装备寿命预测主要有基于使用监测和基于加速试验的方法。基于使用 监测的寿命预测方法对装备在使用应力水平下的性能参数或失效数据进行监测， 通过对监测数据的建模分析实现装备寿命预测。由于基于使用监测的寿命预测是 在寿命实现基础上的预测方法，因此其寿命预测能力十分有限。 基于加速试验的寿命预测方法的基本思路是适当提高试验应力水平，记录加 速应力水平下的失效数据或性能退化数据，在一定的假设条件下对试验数据进行 建模分析，建立装备的寿命参数或退化模型参数与应力水平的关系，从而外推至 使用应力水平，预测装备在使用应力水平下的寿命。由于采用了加速应力，使得 产品的寿命历程大幅度压缩，因而可在装备使用寿命到期之前实现提前预测，且 预测能力较强。因此，基于加速试验的寿命预测技术已成为在时间和成本约束下 第1 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 进行装备寿命预测的必然要求。 基于加速试验的寿命预测方法在工程应用时必然面临试验方案的设计问题， 即在时间和成本约束下，如何设计试验方案使基于加速试验的寿命预测结果估计 最准确。加速试验方案优化设计研究具有重大意义：首先，采用优化的加速试验 方案可得到装备准确的可靠性及寿命估计值，从而可为装备研制和使用部门提供 正确的决策依据，为装备制订定寿、延寿方案提供合理的参考。其次，采用优化 的加速试验方案对装备进行寿命预测，可大大缩短试验时间，提高试验效率，减 少试验的人力物力投入，降低装备的研制成本。 基于上述工程需求背景，本文以应用加速试验进行装备寿命预测时面临的方 案优化设计问题为研究内容，试图建立一套完善的、工程适用的加速试验方案优 化设计方法，为解决重大装备的寿命预测问题提供高效、可行的技术手段。 1 2 研究现状 加速试验方案优化设计( 以下简称加速试验优化设计) 研究起步于2 0 世纪6 0 年代，由于加速试验优化设计问题的复杂性及优化设计方法广阔的工程应用前景， 至今仍是可靠性工程领域的研究热点。该领域的研究思路为：从试验类型的角度 来看，首先研究加速寿命试验优化设计方法，然后研究加速退化试验优化设计方 法：从应力剖面的角度来看，先研究恒定应力加速试验优化设计方法，然后是步 进、变应力加速试验优化设计；从寿命分布及退化率分布的角度来看，首先研究 较为简单的分布形式如指数分布，然后研究相对复杂的分布形式如w e i b u l l 分布、 对数正态分布、倒数w e i b u l l 分布等。 本节首先介绍加速试验的基本类型，然后综述加速寿命试验优化设计、加速 退化试验优化设计、仿真基优化设计等方面的研究现状。 1 2 1 加速试验的基本类型 产品的失效主要包括两种失效模式：0 1 型失效( 突发型失效) 和退化型失效 【1 ，2 1 。0 1 型失效的产品只有两种状态，即产品具有某种功能( 1 状态) 或产品不 具有某种功能( 0 状态) 。如元器件击穿、电路短路、材料断裂等都属于此类失效。 退化型失效的产品在工作或贮存过程中，性能随着时间的延长而逐渐劣化，直至 达到无法正常工作的状态，如机械零件的磨损、绝缘材料和隔热体的老化、药品 效力的降低、电子倍增器增益的下降、裂纹的萌生与生长、金属材料的腐蚀、氧 化与蠕变等。 加速试验( a t ：a c c e l e r a t e dt e s t i n g ) 一般包括加速寿命试验( a l t ：a c c e l e r a t e d 第2 页 国防科学技术大学研究牛院博士学位论文 l i f et e s t i n g ) 和加速退化试验( a d t ：a c c e l e r a t e dd e g r a d a t i o nt e s t ) ，分别针对这 两类失效型产品的寿命预测问题。对于0 1 失效型产品，加速寿命试验是在进行合 理的工程及统计假设的基础上，利用与物理失效规律相关的统计模型对在超出正 常应力水平的加速环境下获得的失效数据信息进行转换，预测试件在使用应力水 平下寿命特征数值估计的一种试验方法【3 】。对于零失效或性能逐渐退化的退化失效 型产品，加速退化试验方法通过提高应力水平来加速产品性能退化，搜集产品在 高应力水平下的性能退化数据，并利用这些数据来估计产品的可靠性，预测产品 在使用应力水平下的寿命【4 5 】。加速试验记录的试验数据形式如图1 2 1 所示。 q ( a ) a l t 失效数据( b ) a d t 性能退化数据 图1 2 1加速试验数据类型 按照受试产品所经历的应力水平历程，a l t 和a d t 又可分为恒定应力 ( c o n s t a n t s t r e s s ) 试验、步进步降应力( s t e p s t r e s s s t e p d o w n s t r e s s ) 试验、变 应力( v a r y i n g s t r e s s ) 试验，如图1 2 2 所示。 s 是 s a 恒定应力试验b 步进应力试验c 步降应力试验d 变应力试验 图1 2 2 加速试验应力一时间关系类型 ( 1 ) 恒定应力试验1 6 ，7 j 恒定应力试验首先选定一组加速应力水平，比如s l ，& ，& ，然后将一定 数量的试样按照加速应力水平数进行随机分组，每组在一个加速应力水平下进行 寿命试验或退化试验，直到各应力水平下都有一定的失效数( 或者达到一定的试 验时间) 时为止。恒定应力试验的应力加载时间历程见图1 2 2a 。最简单、最基 本的恒定应力试验只包含两个加速应力水平，被称为简单恒定应力试验。恒定应 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 力加速试验实施过程、数据分析方法相对简单，寿命预测结果比较准确。但是在 较低的加速应力水平下，需要较长的试验时间才能得到一定的失效数或性能退化 量。 ( 2 ) 步进步降应力试验1 6 。8 1 步进( 步降) 应力试验也是先选定一组加速应力水平，比如s l ，& ，& ， 然后将一定数量的试样全部置于最低( 高) 应力水平s l ( & ) 下进行试验，当检测 到一定数量的失效数( 或者达到一定的试验时间) 以后再将试验应力提高( 降低) 到下一应力水