舰载电子产品综合环境应力筛选方法研究.pdf

舰 船 电 子 工 程2023 年第 8 期1引言舰载电子产品功能要求多、组成复杂，实际研制生产过程中会大量选用国产化器件，必然会引入一定数量的潜在缺陷，从而使得产品的实际可靠性水平受到影响。环境应力筛选作为剔除产品早期缺陷的重要手段，主要是通过向产品施加应力以激发缺陷，使其发展成为故障并加以纠正，从而提高产品的可靠性13。舰载电子产品开展环境应力筛选的传统依据文件包括 海军电子装备环境应力筛选实施方法和GJB1032A-2020，二者均强调的是采用随机振动和温度循环两类单项应力，实施过程中难免存在反复拆装产品以及过应力筛选的问题46。本文通过分析现阶段舰载产品环境应力筛选方法及其特点，提出了综合环境应力筛选方法，为研制单位高效开展环境应力筛选提供参考。2舰载电子产品环境应力筛选常规方法目前，舰载电子产品筛选主要采用“顺从式”筛选，即严格按照标准或规范要求的筛选条件来开展筛选。筛选的应力主要选择随机振动和温度循环，筛选的程序是“缺陷剔除随机振动缺陷剔除温度循环无故障检验温度循环无故障检验随机振动”。常见的筛选条件见表1。收稿日期：2023年2月2日，修回日期：2023年3月8日作者简介：昝爱帮，男，工程师，研究方向：环境试验和环境应力筛选技术。舰载电子产品综合环境应力筛选方法研究昝爱帮（武汉数字工程研究所武汉430205）摘要环境应力筛选作为装备可靠性保证的一项重要手段，在舰载电子产品研制生产阶段广泛应用。传统的环境应力筛选主要采用随机振动和温度循环两个单项应力，对于舰载电子产品这种长时间承受复杂综合环境应力的产品，难免存在不适用的地方。论文通过分析舰载电子产品的环境试验和可靠性试验振动应力，从环境应力筛选是为了尽早使产品进入偶然失效的角度考虑，提出了综合环境应力筛选方法，可为类似产品提供借鉴。关键词舰载电子产品；环境应力筛选；振动试验；综合环境应力中图分类号TJ01DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.08.035Research on the Method of Comprehensive Environmental StressScreening for Shipborne Electronic ProductsZAN Aibang（Wuhan Digital Engineering Institute，Wuhan430205）AbstractEnvironmental stress screening，as an important means of equipment reliability assurance，is widely used in the development and production of shipborne electronic products.The traditional environmental stress screening mainly uses two singlestresses，which are random vibration and temperature cycling.It is inevitable that shipborne electronic products，which have beensubjected to complex comprehensive environmental stress for a long time，are not applicable.By analyzing the vibration stress of environmental test and reliability test of shipborne electronic products，this paper proposes an integrated environmental stress screening method from the perspective of environmental stress screening to make products enter accidental failure as soon as possible，which can provide reference for similar products.Key Wordsshipborne electronic products，ESS，vibration test，comprehensive environmental stressClass NumberTJ01总第 350 期2023 年第 8 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.8181总第350期3舰载电子产品常规环境应力筛选问题及其对策舰载电子产品采用常规方法开展筛选时，主要面临是反复拆装、过筛选和筛选对缺陷剔除不充分的问题。当前筛选采用单应力筛选，程序实施上将随机振动和温度循环交叉进行，使得需要在振动台和试验箱之间反复拆装产品，从而影响产品交付进度。为此，研制单位可考虑采用三综合（振动、温度和湿度应力）可靠性试验箱来完成筛选。至于过筛选问题，则主要是由于标准规定的筛选条件往往超出了舰载电子产品使用环境条件。目前舰载电子产品开展振动试验 的 主 要 依 据 标准是 GJB150.16A-2009，开展可靠性试验的主要依据标准是 GJB899A-2009。其主要的振动条件见表 2711。从表 2 可知，舰载电子产品振动试验频率范围覆盖的是 1Hz200Hz，随机振动功率谱峰值是 0.01g2/Hz，与表 1 所给的随机振动频率范围20Hz2000Hz，随机振动功率谱峰值0.04g2/Hz存在明显差异。理论上，舰载电子产品应按照其振动环境条件开展耐振动环境设计，强度设计会取一定的安全系数，但不会过度设计以降低产品的生产成本。数据统计发现，舰载电子产品在可靠性试验和装备交付后的早期，常发生较多故障，通常是由于环境应力筛选不充分造成的，因为常规筛选主要采用的是单应力，而较多采用国产化工业级器件的舰载电子产品，常时间面临的是综合环境应力，很多综合应力下才能激发的间歇缺陷难以在常规方法中得到剔除。综上所述，采用综合环境应力筛选方法对舰载电子产品开展筛选是科学且高效的，能很好地释放产品在将来可靠性试验和实际中环境中可能存在的技术风险。4舰载电子产品综合环境应力筛选方法及其应用舰载电子产品综合环境应力筛选采用的是恒项目温度循环随机振动筛选参数名称温度范围温度变化速率温度保持时间温度循环数通/断电试验中功能检测振动频率范围功率谱密度振动持续时间振动轴向工作状态GJB1032A要求技术文件规定的产品工作温度范围10/min一般1h30min或2h缺陷剔除10个循环+无故障检验20个循环（在最长20个循环内连续 10 个循环无故障）从低温升温开始直至高温保温结束，应通电检测性能其余时间断电进行20Hz2000Hz20Hz80Hz，3dB/Oct80Hz350Hz，0.04g2/Hz350Hz2000Hz，-3dB/Oct缺陷剔除 5min+无故障检验15min（无故障检验 15min 内连续 5min 无故障则试验结束）一般取敏感轴向振动中保持通电监测，振动后检测实施方法的要求模块-55-+8515/min60min25个（40个）不通电/同左同左同左同左同左单元技术文件规定的产品工作温度范围5/min90min缺陷剔除 10 个循环+无故障检验 10 个循环（在最长10个循环内连续5个循环无故障）从低温升温开始直至高温保温结束，应通电检测性能其余时间断电进行同左同左同左同左同左分机技术文件规定的产品工作温度范围5/min120 min缺陷剔除 5个循环+无故障检验10个循环（在最长 10 个循环内连续5个循环无故障）从低温升温开始直至高温保温结束，应通电检测性能其余时间断电进行同左同左同左同左同左表1舰载电子产品常见筛选方法昝爱帮：舰载电子产品综合环境应力筛选方法研究182舰 船 电 子 工 程2023 年第 8 期定温度、温度变化、振动、电应力多应力综合环境。实际上，GJB1032A-2020的第7.2.3节强调“环境应力筛选可采取”温度、振动同时施加的综合环境应力；海军电子装备环境应力筛选实施方法 的附录中给出了采用综合环境应力的强化筛选方法。借鉴航空产品的综合环境应力筛选经验12，提出舰载电子产品综合环境应力筛选方法，具体见表3，对应的筛选剖面见图1。表2舰载电子产品振动试验参数试验类型环境试验可靠性试验振动类型正弦振动随机振动正弦振动（战斗损伤频谱）运输随机频谱分类水面舰船和潜艇各类舰艇注1：桅杆区是指桅杆等部位，主体区是桅杆区、往复机上以外其他的部分；注2：如果已知设备仅安装在特定的舰船上，则试验的上限频率一般为该舰船的最高桨叶频率（螺旋桨每分钟最高转速螺旋桨叶片数60）。频率范围1Hz100Hz战斗损伤频谱的施加条件如下：1）频率范围：4Hz60Hz；2）振幅：0.76mm（0.15）（4Hz15Hz），7.5 m/s2（15Hz60Hz）；3）持续时间：10min。运输随机频谱的施加条件如下：1）频率范围：10Hz200Hz；2）量级（总均方根值r.m.s）：10m/s2；3）持续时间：20min。分区主体区桅杆区往复机上以及与往复机直接相连的设备振动谱类型平直谱试验参数频率Hz11616602101016165022525100加速度功率谱密度g2/Hz0.001位移mm1.02.51.01.6加速度m/s2101040舰载电子产品综合环境应力筛选的温度循环数N由产品一个温度循环的时间来决定，其计算方法是N=T0Tc式中，T0表示由GJB1032A附录B所确定的缺陷剔除时间，取值为40h；Tc表示由GJB1032A附录A通过温度测定确定的一个循环时间，包括高温保持时间、低温保持时间和升降温时间；表示取整。某型号舰载计算机由于生产批量大，有较高的质量一致性要求。为了确保交付进度，同时提升产品的使用可靠性水平，采用了上述综合环境应力筛选方法，与传统筛选方法相比，提高了筛选效率。183总第350期项目温度循环正弦振动随机振动电应力筛选参数名称温度范围温度变化速率温度保持时间温度循环数通/断电试验中功能检测频率范围位移或加速度振动持续时间振动轴向工作状态振动频率范围功率谱密度振动持续时间振动轴向工作状态电压要求技术文件规定的产品工作温度范围10/min经温度测定的温度保持时间缺陷剔除N个循环+无故障检验2N个循环（在最长2N个循环内连续N个循环无故障）从低温结束前30min开始直至高温保温结束，应通电检测性能，其余时间断电进行1Hz60Hz1Hz16Hz，1mm16Hz60,10/s2每个振动持续10min一般取敏感轴向进行检测10Hz200Hz10Hz20Hz，3dB/Oct20Hz80Hz，0.01g2/Hz80Hz200Hz，-3dB/Oct每次真振动持续20min一般取敏感轴向振动中保持通电监测，振动后检测从第一个温度循环开始，按“上限电压标称电压下限电压”的电压要求，以三个循环为一个周期开展电压拉偏表3舰载电子产品综合环境应力筛选方法注：每个温度循环中，低温和高温段各施加一次振动，每次振动30min，含10min正弦振动和20min随机振动。图1综合环境应力筛选剖面5结语环境应力筛选作为装备研制生产的一项工序已经融入研制单位生产过程。对于批量生产的产品，其实施过程耗费的人力、物力、财力巨大，必须基于成本分析改进当前的筛选方法。本文聚焦于舰载电子产品当前环境应力筛选的问题，分析了环境试验和可靠性试验的振动应力，结合工程经验提出了适用于舰船电子产品的综合环境应力筛选方法，为船舶行业相关产品环境应力筛选的高效实施提供借鉴。参 考 文 献1董正明，马晓峰.舰船电子产品高加速环境应力筛选方法研究 J.舰船电子对抗，2020，43（3）：107-110.2董正明，陈启航.基于GJB 1032A的船用电子设备综合环境应力筛选方法研究J.中国标准化，2022，8：163-166.3王道震，徐建生，汪澜，等.通过优化环境应力筛选提高电子产品可靠性 J.环境技术，2022（1）：40.4海装电子部.海军电子装备环境应力筛选实施方法（2006）Z.5GJB1032A-2020.电子产品环境应力筛选方法 S.6GJB150.16A-2009.军用装备实验室环境试验方法第16部分：振动试验 S.7GJB899A-2009.可靠性鉴定和验收试验 S.8朱宜生，王超，陈中青.舰船设备振动试验方法的探讨J.装备环境工程，2016，13（1）：112-116.9陈中青，朱宜生，刘玉石，等.舰船装备可靠性鉴定试验昝爱帮：舰载电子产品综合环境应力筛选方法研究184舰 船 电 子 工 程2023 年第 8 期中振动应力施加问题的探讨 J.环境技术，2020，38（2）：49-51.10邓建国，汤俊，宋岩.舰船设备振动试验方法分析 J.环境技术，2022，40（5）：200-205.11宁薇薇，陈立伟，孙立明，等.舰船电子设备振动试验条件的分析和对比 J.环境技术，2017，35（3）：76-80.12张伟，陈立涛.某机载雷达微波组件综合环境应力筛选方法研究 J.环境技术，2017，35（2）：63-65.弹的加速性能，导弹惯性飞行段的初速度有所减小，在两方面综合作用下导弹的脱靶量随高度的升高出现了一定程度的波动。当高度进一步升高时，导弹的控制稳定性进一步变差，此时导弹完全丢失目标，脱靶量急剧增大。以上结论对不同初始条件下空空导弹的脱靶量进行了分析，为空空导弹在空战中的作战使用以及基于脱靶量分析的攻击区计算提供了参考。参 考 文 献1蔡培培.空空导弹与空战模式的演变 J.航空兵器，2007（03）：11-14.2鲁星，李妙玲，王国栋.未来空战特点以及红外空空导弹作战能力分析 J.中国军转民，2014（11）：55-57.3李海军，王天然，牟俊杰，等.中远距空空导弹五自由度弹道建模与仿真分析 J.中北大学学报（自然科学版），2020（06）：498-503.4杨雪榕，李晓冬，梁加红.空空导弹高抛弹道仿真研究J.系统仿真学报，2010（05）：1261-1265.5周须峰，易华，谢永强.近距格斗空空导弹三自由度弹道仿真建模 J.四川兵工学报，2014（02）：9-12.6黄鹤松，童中翔，李建勋，等.基于空战评估的红外空空导 弹 功 能 仿 真J.红 外 与 激 光 工 程，2015（03）：803-809.7Rodriguez A，Sonne M.Evaluation of Missile Guidanceand Control Systems on a Personal Computer J.Simulation，1997（6）：363-376.8Renganathan V.Kill Zone Analysis for a Bank-to-turnMissile-Target EngagementD.Arizona：Arizona StateUniversity，2016.9彼得 基普斐.航空航天飞行器动力学建模与仿真 M.高亚奎，译.第三版.北京：航空工业出版社，2017.10Buantowicz W.Matlab Script for 3D Visualization of Missile and Air Target Trajectories C/Computer and Information Technology，Istanbul，2016：419-422.11刘云南，董满才，陈战旗，等.基于Matlab和Simulink的导弹弹道仿真与应用J.弹箭与制导学报，2011（03）：183-185.12金华，戴金海.基于Matlab/Simulink的旋转导弹六自由度弹道仿真 J.弹箭与制导学报，2007（02）：222-224.13赵军民，何亚娟.基于Matlab/Simulink的弹道仿真模块化设计 J.弹箭与制导学报，2007（01）：147-149.14樊会涛.空空导弹方案设计原理 M.北京：航空工业出版社，2013.15钱杏芳，林瑞雄，赵亚男.导弹飞行力学 M.北京：北京理工大学出版社，2013.（上接第143页）185