利用实测数据制定可靠性试验剖面综述

王学孔，江露，张钟文，钟云龙，解禾

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东　广州　510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东　广州　510610；3.广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广东　广州　510610；4.陆军南京军代局驻上海地区军事代表室，上海　201109）



利用实测数据制定可靠性试验剖面综述

王学孔1，2，3，江露4，张钟文1，2，3，钟云龙1，2，3，解禾1，2，3

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东广州510610；3.广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广东广州510610；4.陆军南京军代局驻上海地区军事代表室，上海201109）

首先，分析了利用可靠性试验标准计算可靠性试验剖面的局限性；然后，介绍了利用实测数据制定可靠性试验剖面的益处；最后，总结了利用实测数据制定可靠性试验剖面的一般过程及常用的数据处理方法，对于今后可靠性试验剖面的制定具有一定的指导意义。

实测数据；可靠性；试验剖面；归纳方法

0　引言

随着科学技术的发展，产品的可靠性越来越受到人们的重视，特别是在航空航天领域。目前，由于试验时间和成本的制约，为了快速地评价产品的可靠性水平，在可靠性增长和鉴定试验中，一般运用内场试验模拟其外场环境剖面的方式并结合数理统计原理来计算产品的可靠性水平。因此，能否准确地模拟产品实际的使用环境剖面便成为了内场试验是否有效的关键问题。

1　直接根据可靠性试验标准计算试验剖面的局限性

GJB 899《可靠性鉴定试验测试》和GJB 899A《可靠性鉴定和验收试验》推荐的确定试验应力的先后次序的原则为：1）实测应力；2）估计应力，只有在无法得到实测应力的情况下方可使用估计应力；3）参考应力，只有在无法得到实测应力或估计应力的情况下方可使用参考应力。

但是，长期以来，在可靠性试验过程中多数采用可靠性试验标准中推荐的应力或按其提供的数据、公式和方法推导出的应力，即参考应力。这不论是从理论上还是从工程实际效果来看，都存在一定的问题。

1.1从标准制定上说明按标准计算试验剖面存在的问题

到目前为止，我们对GJB 899编制的背景材料仍缺乏更加深入的研究，这势必会造成理解上的误区和实际应用上的困难。我们对GJB 899编制的理论基础、相关公式的背景材料和公式的推导原理与过程都还不够清楚。以空中发射武器和组合式外挂及其设备为例，其可靠性试验标准中的计算公式、试验方式及方法和提供的例证基本上都是直接引用美军标的相关内容，参照这些标准为国内型号制定可靠性试验剖面时，出现了许多问题。虽然知道国军标中存在一些问题，但是，由于缺乏依据而不得不贯彻国军标的现象已经屡见不鲜［1］。

GJB 899是以美军标MIL-STD-781为蓝本编制的，GJB 899中的计算公式、试验方式及方法、试验流程和提供的例证基本上都是直接引用相应的美国军用标准中的内容，而美军标MIL-STD-781中的可靠性试验应力都是以美军飞机、舰艇等平台的实测数据为依据确定的。但是，美军现役飞机、舰艇等平台的任务剖面、外形、动力装置、机载、舰载设备功率和环控系统设计等都与我国现役军用飞机、舰艇平台存在一定的差异，不一定完全适合我们的实际情况，因此，利用上述数据编制的可靠性试验剖面，势必会对试验的效果和准确性产生影响。

1.2从工程实践说明按标准计算试验剖面存在的问题

在我们实际的试验过程中会遇到内场试验效果与外场实际的使用状态不一致的现象。

例如：不久前，在做某型弹的环境适应试验的过程中，三枚弹都在较短的时间内出现了相同部位的结构损坏故障，但是在外场使用过程中未出现此类故障。根据弹的相关参数，按GJB 899提供的计算公式计算出来的振动能量只分布在443 Hz以下，但是，如果是弹上设备按GJB 899提供的计算公式计算，其在443～2 000 Hz处也有能量分布。由此可以看出，整弹和弹上设备的振动谱存在较大的差异，整弹的上限频率比弹上设备的上限频率要小得多。总均方根加速度值是振动谱线包络面积的平方根，当总均方根加速度值为1时，由于整弹的上限频率远远小于弹上设备的上限频率，因而会导致其计算得出的整弹的功率谱密度要大于弹上设备的功率谱密度的问题。对于给定的任务剖面，由于整弹和弹上设备的飞行动压和位置因子均相同，所以两者的挂飞振动量值调节因子也相同，总均方根加速度值相等，因而会造成整弹的试验功率谱密度大于弹上设备的试验功率谱密度，尤其是整弹低频段的试验功率谱密度会较大，在长时间的可靠性试验中将对整弹的结构和性能产生不符合实际情况的影响。理论分析认为，喷气式飞机整弹的挂飞振动主要是由作用在整弹外表面的气动扰流产生的宽带随机振动和通过挂架由载机传递过来的随机振动，整弹振动通过结构传递到弹上的设备，弹上设备的输入振动在本质上与外挂的响应振动相同，两者的振动谱不应相差太大，因此，这种由总均方根值反推功率谱密度的方法不太适宜。

再如：某型机载电子设备在做环境鉴定和可靠性鉴定试验时一次性地通过，但在外场使用中故障率偏高。

通过以上讨论，可以确定上述两种现象均是由内场模拟试验未能真实地模拟产品实际的使用环境所造成的，前者应为内场应力远大于外场环境应力造成的，后者为内场试验应力小于外场环境应力造成的。

2　用实测数据制定可靠性试验剖面的益处

通过实测数据可以获得产品实际的环境应力剖面，通过对这些数据进行工程化处理，然后将其用于内场试验可以更加真实地模拟产品实际的使用环境状态。

为了更真实地模拟装备的使用环境，在MILSTD-810G中已经有多激励振动试验的方法。由于多激励振动试验除了需要振动幅度的信息，还需要相位和相关性的信息，而这些信息与装备的安装平台的关系更加密切，所以实测就变得更加重要和必要了。

另外，可以利用国产军用设备的实测数据与GJB 899提供的相关公式和数据进行差异分析，并对标准进行修订和完善，以使其更加适合国内军用设备的实际情况，只有利用这样的数据编制的可靠性试验剖面才能更真实地反映出设备所承受的实际应力水平，利用这样的剖面进行的可靠性试验才能更加真实、有效。

3　利用实测数据制定试验剖面的过程

根据文献 ［2］-［3］中的有关规定，利用实测数据制定试验剖面包括两个基本阶段，即数据预处理与分析阶段和数据归纳阶段，有必要的话，还需要进行实测数据的回归与外推。在进行实测数据归纳前，所完成的数据分析与预处理工作主要应包括数据预处理、数据检验和数据处理3个部分。

3.1数据分析与预处理

数据预处理与分析是实测数据归纳的基础，预处理与分析直接决定了数据归纳的有效性和合理性，同时数据处理作为数据归纳的准备工作，能够为数据归纳提供初始输入数据，数据处理的结果数据就是数据归纳的样本数据。为了给数据归纳提供科学、有效的输入，应首先对实测环境数据进行分析和预处理。

a）数据预处理包括：1）一般性检验，数据一般性检验主要包括检查信号中是否有异常的峰值和变化，与状态参数的对应关系是否合理等，发现无效信号后进行适当的处理或标记出位置以便数据归纳时处理；2）零均值化处理，为了消除数据采集过程中的直流分量便于以后的数据计算处理，将振动数据进行零均值化 （也叫中心化）处理；3）数据标定，将每个测试通道的测试精度和灵敏度等标定值输入数据处理软件，以保证在数据采集过程中将数据自动转换成所需要的形式。

b）数据检验主要包括：1）平稳性检验和各态历经检验，因为只有平稳和各态历经的随机过程，对其进行统计分析才有意义，因此，在正式进行数据处理之前，应首先对测试数据的平稳性和各态历经进行检验；2）周期性检验，使用自相关函数和功率密度曲线对测试数据进行周期性的检验；3）正态性检验，使用幅值概率密度曲线对测试数据进行正态性检验。

c）数据处理包括对均方根值和功率谱的处理。

3.2实测数据归纳方法

以环境试验为目的的实测数据的归纳方法有许多种，例如：综合包线法、状态包线法［4］和区域包线法［5］等。

a）综合包线法是通过综合相应情况下的全部应力测量数据得出总的包络线，作为标准规定的试验量值曲线，对功能试验的试验时间大多凭经验估计，并无适当的理论依据。该方法可细分为作图包络线法、区间估计包络线法和瞬时值等百分比包络线法。

b）状态包线法只对一定状态下的所有测量数据归纳包线。比起综合包线方法，该方法对具体状态下的测量数据的归纳结果的准确性更高。此外，该方法还可利用各种状态经历时间设计试验时间，这样就可以将试验时间建立在比较合理的基础上。

c）区域包线法首先将军用设备安装平台 （例如：飞机）划分为几种类型，并按军用设备的安装部位将其划分成几个或十几个合理的区域，然后对不同类型的平台和不同的区域进行环境应力实测处理。

虽然以上方法不能满足可靠性试验数据归纳的要求，但其与可靠性试验数据归纳的原理和内容基本是一致的，只是方法不同。

以可靠性试验为目的的实测数据归纳方法有统计容差法［6］和累积损伤等效归纳方法［1］。

a）统计容差法是数据归纳从传统的上限包络法到以统计为基础进行置信区间估计的质的飞跃。

b）累积损伤等效归纳法的基本思想是根据环境应力的作用机理，利用累积损伤等效的基本理论和计算方法将特定状态下所有的环境应力按不同的量值和不同的持续时间通过一定的转换方法转换成在相同试验时间内的等效应力量值。

3.3实测数据回归与外推

由于各种条件的限制，不可能得到所有状态的实测数据，尤其是飞机边界飞行状态。因此，为了满足编制可靠性试验剖面的需求，必须对实测的数据归纳的结果进行回归和外推，具体的方法及步骤参见文献［1］。

4　结束语

本文通过对利用国军标计算可靠性试验剖面的局限性进行分析，并结合实际试验中碰到的问题，认为应用实测数据制定可靠性试验剖面是非常必要的，通过实测数据来修正和完善相关标准的意义也非常大。此外，本文还总结了利用实测数据制定可靠性试验剖面的一般过程及相关方法。

［1］刁文琦.利用实测环境数据制定可靠性振动试验剖面技术研究 ［D］.北京：北京航空航天大学，2002.

［2］飞机飞行振动环境测量数据处理的一般技术要求：HB/Z 86-84［S］.

［3］动力学环境数据采集和分析指南：GJB/Z 222-2005［S］.

［4］姚起杭.英国标准3G·100机载设备的通用标准［J］.航空标准化与质量，1975（3）：26-41.

［5］飞机飞行振动环境测量数据的归纳方法：HBJZ 87-1984［S］.

［6］中国人民解放军总装备部.振动、冲击环境测量数据归纳方法：GJB/Z 126-99［S］.

Summary of Designing Reliability Test Profile Based on Measured Data

WANG Xue-kong1，2，3，JIANG Lu4，ZHANG Zhong-wen1，2，3，ZHONG Yun-1ong1，2，3，XIE He1，2，3
（1.CEPREI，Guangzhou 510610，China；2.Guangdong Provincia1 Key Laboratory of E1ectronic Information Products Re1iabi1ity Techno1ogy，Guangzhou 510610，China；3.Guangdong Provincia1 Research Center of E1ectronic Information Products Re1iabi1ity and Environment Engineering Techno1ogy，Guangzhou 510610，China；4.Mi1itary Representative office of Army Nanjing Mi1itary Representative Bureau in Shanghai，Shanghai 201109，China）

First1y，the 1imitations of ca1cu1ating re1iabi1ity test profi1es according to re1iabi1ity test standards are ana1yzed.And then，the advantages of ca1cu1ating re1iabi1ity test profi1es with measured data are presented.Fina11y，the genera1 process of ca1cu1ating re1iab1i1ity test profi1es with measured data and common data processing methods are summarized，which has a certain guiding significance for the future deve1opment of the re1iabi1ity test profi1es.

measured data；re1iabi1ity；test profi1e；inductive method

TB 114.37

A

1672-5468（2016）03-0072-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.014

2016-01-07

2016-05-17

王学孔 （1982-），男，河南信阳人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心工程师，硕士，主要从事可靠性试验技术和可靠性仿真试验技术的研究工作。