可靠性强化试验（Reliability Enhancement Testing,缩写RET）技术

可靠性强化试验（Reliability Enhancement Testing,缩写RET）技术以失效物理学作为理论依据，通过与传统可靠性试验进行对比，实施可靠性强化试验需要具体方法、需要选择在产品设计与生产周期过程中实施可靠性强化试验的时机，并且实施可靠性强化试验的具有重大意义。

随着电子产品越来越复杂，使用环境越来越严酷，对产品质量的要求也越来越高。为了提高电子产品的可靠性，内场（实验室）可靠性试验越来越被国内外可靠性工程界所重视。目前电子产品在研制阶段应用的环境应力筛选、可靠性增长、可靠性鉴定等试验技术均存在着试验时间长、试验费用高等弊端，已经不能完全满足装备发展的需要。为了缩短研制周期，减少试验费用，尽快提高装备的可靠性，必须研究新的试验技术和方法。为此，有必要进行可靠性强化试验技术及方法研究。

在研制新型产品的过程中，如何缩短研制周期，减少维修和后勤保障费用，降低寿命周期费用，根治故障，确保产品得到早期高可靠性的试验方法和试验技术，一直是我国产品研制持续不断解决的问题，经国外的实践证明可靠性强化试验正是综合解决这一问题的好方法。
研究可靠性强化试验的目的和意义是，如果在产品研制阶段适当的规划和实施可靠性强化试验，可以使产品承制方在研制阶段确保得到高可靠性，并且已经知道第一件产品具有“成熟的可靠性”；可以使产品承制方从中获得可用于改进产品最快和最准确的的信息；可以确定环境应力筛选（ESS）的应力量级；可以使鉴定试验的故障减到最低程度，确保使用方在使用时拿到较成熟的高可靠性产品。
从21世纪80年代末至90年代初，可靠性强化试验相继在美国的各工业部门推广应用，并取得很大成功。我国尽管已开始研究新的试验技术和方法并取得一些进展，包括研究可靠性强化试验技术，但与国外水平相差甚远。为了进一步提高装备的可靠性，与国际同类技术接轨，需要系统地开展对可靠性强化试验技术和试验方法的研究。

可靠性强化试验的目的是通过施加逐渐增大的环境应力和工作应力，来激发故障和暴露设计中的薄弱环节，可靠性强化试验假设受试产品在短时间高应力作用下表现出的特性与产品在长时间低应力作用下表现出的特性是一致的。因此可靠性强化试验最适合累计损伤型和某些容差型。
敏纳(Miner)的线性累积损伤假设是振动疲劳分析中最常见的累积损伤理论。设产品经受m个常幅交变应力的作用，幅值分别是,各应力的实际循环次数分别，则总的累积损伤：
（1）
为试件在常幅循环应力作用下达到破坏时的循环次数。
敏纳假设D=1时试件发生疲劳破坏，忽略了各次应力循环作用之前已有损伤的历史，也没有考虑多次应力作用的次序及其他因素的影响。尽管敏纳假设很粗糙，但疲劳寿命有巨大的分散性，没有任何一种累积损伤理论能做出普遍的寿命预计，所以应用很广泛。
应力疲劳问题中的载荷寿命关系式既是相应的S-N曲线表达式。大多数疲劳试验数据表明，应力和达到损伤次数可用双对数坐标图的直线表示。
         （2）
其中：C是试验决定的常数，b是疲劳试验确定的材料常数，变化范围为8—12。
可靠性强化试验的主要特点是施加高温变率温度应力和三轴六自由度振动应力，要实施强化应力必须要有相应的设备，延用传统的试验设备进行RET也有一定的效果，但因温箱的温变率一般都在10℃/min以下和振动台单方向振动的限制，致使效果难以得到进一步的提高。所以只有20世纪90年代美国发明的一种新型强化试验设备，即液氮制冷和气动式三轴六自由度随机振动台面问世后，可靠性强化试验技术才得到迅速的发展。它采用了一种新的思路，即以液氮制冷技术来实现超高降温的高温变速率（最大温变率可达105℃/min）的温度循环环境；以气锤连续冲击多向激励技术来实现全轴振动环境；以上述两种环境应力与湿度应力综合来实现强化应力的综合环境。RET试验设备除了采用液氮制冷技术来实现超高的降温速率之外，最突出的技术是气锤式三轴六自由度随机振动，也称之为全轴振动。RET试验设备除了采用液氮制冷技术来实现超高的降温速率之外，最突出的技术是气锤式三轴六自由度随机振动，也称之为全轴振动。
通常用自功率谱密度，概率密度函数，均方根值来描述振动环境，由于全轴振动台产生的激励是非高斯、非各态历经的平稳随机过程，因此只用自功率谱密度和均方根值就不能描述全轴振动台的振动特性。因为疲劳损伤是应力作用次数与应力幅值作用的结果，所以分析描述的方法也应与峰值和峰值出现的次数有关。通常用以下4种方法进行全轴振动台动态特性分析。
（1）峰值概率密度函数
给定一平稳随机信号x(t)；0≤t≤T， 峰值概率密度函数可由下式估计：
        （3）
其中为测得信号的峰的总数，是在以量值x为中心的很窄的量值间隔△X内的峰的数目，而上标(∧)表示"估计值"。因此峰值概率密度函数估计简化成了峰的统计问题，而峰的确定是关键。如果用数字方法来进行估计，确定一个峰的最简单方法是看任何落在以x为中心的间隔△x中的数据值是否紧邻数据值的前后。对于信号并非对称于均值的情况，还要估计峰谷(下峰)的概率密度函数，确定峰谷的方法是看任何落在以x为中心的间隔△x中的数据值是否紧邻值的前后。
峰值概率密度函数估计既会由于有限的幅值间隔△x导致的量值分辨率偏离误差，也会有由于有限的测量周期T(或块尺寸N)导致的统计采样(随机误差)，其本身又是信号自谱的函数。要控制这些误差，推荐峰值概率密度函数的数字计算采用△x≤0.1和≥1000进行，这里的峰值被定义为信号中任何其前后值的一个值或一串值，而为测得信号的标准差。图用的单位为(1/x)一量值X。
带有正态(或高斯)瞬时概率密度函数的平稳随机信号的峰值概率密度函数完全由该信号的自谱所确定。在这种情况下，假设
（4）
其中：
在上述公式中，和分别为信号x(t)的标准差和自谱，而erf[ ]为[ ]的误差函数。只有平稳随机信号能被假设为具有上式中定义的正态实时概率密度函数。
峰值概率密度函数被广泛用于各种包含预测结构承受随机振动而造成的疲劳损坏的问题。然而，近年来其他一些方法巳经在低周期疲劳预计中大量地取代了峰值概率密度函数的使用。
（2）高阶矩分析
随机信号的数学特征一般由各阶矩决定，各阶矩由随机信号的概率密度函数来描述。
随机变量的各阶矩、偏态和峰态的定义：
对于连续的随机变量x的k阶原点矩定义为： 　 　　
（5）
对于离散的随机变量x的k阶原点矩定义为：
        （6）
对于连续的随机变量x的k阶中心矩定义为：
        （7）
对于离散的随机变量x的k阶中心矩定义为：
   （8）
随机变量的偏态S定义为：
（9）
是随机变量的均方根，是随机变量的三阶中心矩。S是一个无量纲的量，它反映了概率分布的对称程度。S>0称为左偏，S<0称为右偏。
随机变量的峰态定义为：
        （10）
随机变量的峰态K>0 说明概率分布的曲线比正态分布的曲线尖削，K<0 说明概率分布的曲线比正态分布的曲线平坦。
由于随机信号的数学特征一般由各阶矩决定的，求各阶矩通常采用概率密度函数积的方法来计算。为研究随机信号的数字特性，通常采用随机变量的特征函数来描述。随机信号的特征函数和概率密度互为傅里叶变换。
     （11）
特征函数与各阶矩的关系
   （12）
随机信号的各阶矩可通过对特征函数求导数的方法得到，在随机信号作用下，进行疲劳损伤估计和寿命预估一般建立在从外场测量的应力时间历程上，采用循环计数的方法。
由于全轴振动台产生的振动是非高斯分布的，因此应对其产生的信号进行高阶矩分析，用特征函数来描述。实际上由于地面和空中飞行的运载工具，由于非线性的影响和随机气流的扰动等影响，并不都是高斯分布的，其峰态往往要大，有关文献已阐明了概率密度曲线形状，特别是峰态和峰值因子对车载设备疲劳寿命的实际影响，频率特性是主要的但不是唯一的模拟振动的参数，车载设备的适应性和耐久性还依赖幅值分布。这些文献对具有规定峰态和峰值因子及规定自功率谱密度的方法进行了探讨。
（3）冲击响应谱分析
冲击响应谱是系统固有频率的函数，是单自由度系统在冲击作用下的最大响应和固有频率的关系，其不包含相位信息，因此冲击脉冲和响应谱之间不存在唯一的对应关系。由于时间历程不同的激励可以有不同的冲击响应谱，因此不能用它精确估计疲劳，但若从一个连续的动态过程中或从平稳的随机函数中任取两个等时间的片断，将有基本相同的冲击响应谱，由于全轴振动台产生的随机信号，可看作伪随机信号，如运用得当，在确定元件的响应系数后，可将冲击响应谱作为描述峰值响应和频率关系的工具。
（4）统计能量法
传统的模态方法(含有限元法)是确定性分析方法，可应用于低频振动环境分析。虽然在理论上可以在任何频率范围内预示复杂结构的振动环境．但由于复杂系统(包括结构、声空间等于系统)的高阶模态参数对原始参数的变化非常敏感，所以对高阶模态参数存在着很大不确定性。由于大推力发动机的喷气噪声和高速飞行器的气动噪声是非高斯分布的，时间上是随机的，宽带高额分量(20Hz一10KH2)是丰富的；全轴振动台由于能量集中在高频部分，并且不能控制其功率谱密度，其信号是随机的。
统计能量分析中“统计”的含义是把研究对象划分成子系统后，假定每个子系统的模态参数(频率、振型、阻尼等)的统计分布为已知的统计母体，这个统计母体是由一系列名义相同或近似的子系统组成。这些近似于系统的模态参数上的差异在给定的频率范围内随机分布，任何一个具体的子系统都是其统计母体中的一个子样。既然作为研究对象的子系统是统计的，那么子系统的模态参数都是随机变量，所以统计母体对给定输入激励的响应也是统计的，即响应也是随机变量，对响应级也要作出平均值和标准偏差的计算。统计能量分折中“能量”的含义是使用子系统的动力学能量(动能、势能、电磁能、热能等)来描述系统的状态。根据能量预示的结果，可再将其换算成所需要的各种响应量(如速度、应力、声压级等等)。 统计能量分析中“分析”的含义是指一些参数(如模态密度、内损耗因子和锅台损耗因子等)都是所研究的子系统的几何、材料和介质特性的函数，这是必须通过分析研究才能搞清楚的。
根据统计能量分析模型中每个子系统模态密度n(f)的大小或带宽Δf内振型数目N（n(f)*Δf）的多少，可把所研究对象的频率范围划分为低频区、高额区和中频区：
当 N《1 时，定义为低频区；
当 N》5 时，定义为高频区；
当1《N《5时，定义为中频区。

通过选取具有代表性的样品进行可靠性强化温度应力、振动应力以及综合应力试验，找出应力工作极限和破坏极限，定出设计余量；找出应力施加的大致规律；对比可靠性强化台振动与电磁台的特性，找出各自适用的产品范围。得知：

1. 不同产品有不同的工作极限和损坏极限，因此，对所有产品不存在统一的进行RET和HASS的应力。不同产品筛选的应力类型是不一样的，应根据产品各自的特点，选择产品最敏感的应力进行筛选。因此应该针对具体的问题，把电磁台和全轴振动台有机地结合在一起用。同样对于可靠性要求高的产品，应该把RET和模拟试验结合起来，用RET技术获得大的设计余度，确保高的可靠性，用模拟技术按“军标”或“国标”规定的条件进行鉴定和验收试验，以确保设计可靠性和验收产品。
2. 通过试验证明，可靠性强化试验是研究产品耐温耐、振能力的非常好的手段，可以快速激发故障和暴露设计中的薄弱环节。为产品耐温度以及振动应力的研究提供了一种新的方法。虽然对不同的产品有不同的工作极限和损坏极限，但是对这种方法也有一些规范：
3. 通过数据分析得出一些性能参数在高温和低温情况下的变化规律。同时得出一些对可靠性强化试验有更好的指导作用的初步结论：步长的最佳取值范围为5～15℃；先做低温试验和先做高温试验没有显著差别；稳定时间一般设置在20分钟之内；温变率设定不宜太过于保守。对于一些产品的故障，提出了初步的改进措施，这些改进措施可以为相似产品耐温能力的改进提供借鉴。
4. 全轴振动台是靠反复冲击产生的连续随机，可近似为稳态的，其概率分布不服从高斯分布，可用高阶矩对其描述。但随着气锤数目增加越来越接近高斯分布。
5. 由于全轴振动台有很宽的频带、强度大、能同时进行多轴试验，单位时间内应力大、次数多，因此有很高的疲劳累积速率。
6. 全轴振动台产生的速度和位移极小，对位移敏感的产品不适用，由于其高频能量大因此对高频敏感的电子组件有效。
7. 仅用自功率谱密度和均方根值不能全面描述全轴振动台的振动特征，可用峰值概率密度函数和冲击响应谱来描述其时域特征。
8. 全轴振动台的谱形是由设计决定的，其谱形不可变化，但负载及夹具可能改变原定的谱形，产品的固定方法影响产品的频率和幅值分布，试验时应能监控试件的频率特性，以确保试验的一致性。

经过可靠性强化试验的样品具有很高的固有可靠性，如果在研制阶段适当地应用可靠性强化试验，可以延长产品的可靠性，可以使鉴定试验和验收试验成为一种形式。例如，验证试验中所用的电源用传统的可靠性试验方法需要一个月的时间，而用可靠性强化试验只需2天的时间。如果产品的最低可接受值为2000小时，若采用GJB899推荐给我们试验中常用的方案17，即用θ1×4.3=2000×4.3=8600小时，即使节假日不休息，试验设备一天24小时运转，且不发生故障，也需要一整年时间，代价太大，而用可靠性强化试验几天就可以找出缺陷。另外，国外统计资料表明，在设计阶段纠正潜在的缺陷需要1美元，而在使用阶段纠正这个缺陷就可能需要1000美元，也就是说，在使用阶段纠正设计缺陷，比在设计定型前纠正潜在的缺陷所需的费用要高达几百倍甚至上千倍。所以应该产品设计和生产周期中适时地实施可靠性强化试验。
由于航空航天产品对可靠性的要求高，因此必须把RET和传统可靠性试验结合起来，用RET技术获得大的设计余度，确保高可靠性，用模拟技术按“军标”或“国标”规定的条件进行鉴定试验和验收试验，以确保设计可靠性和验收产品。