可靠性工程发展与思考 ——1 国外可靠性工程发展回顾

后续不少人想，设计好、管理好，就不需要可靠性试验。然而，再优秀的设计与管理，也难免存在瑕疵和漏洞。特别是面向新品设计与管理时，缺乏相关经验，更是容易导致瑕疵和缺陷的潜入。可靠性试验是一个重要的把关手段，是研制阶段不可缺少的一个把关环节。

因此，可靠性试验是对产品可靠性进行评价的一个有效手段，更是保证与提高产品可靠性的一个重要方法。实际上，可靠性试验技术是可靠性的发展史中的重心。 

国外可靠性试验技术发展大致可分成3个阶段：

——第一阶段是基于概率统计的传统试验技术阶段；

——第二阶段是基于失效物理的加速试验技术阶段；

——第三阶段是基于故障仿真的虚拟试验技术阶段。

经过几十年发展，第一阶段的试验技术完全成熟，已广泛应用，第二阶段的试验技术已在装备研制中应用，部分技术有待突破，第三阶段的试验技术正在兴起，有待进一步成熟和规范。

   图1 美国可靠性技术发展

上世纪50~80年代，以美国为主要代表的西方国家，推动了全世界可靠性技术的发展，经历了萌芽、创建、兴起和全面发展四个阶段，可靠性试验技术是可靠性技术的核心技术之一，基于概率统计的传统试验技术是该阶段的主要特征，建立了系统的组织机构，形成了一系列的法规文件和技术规范，在管理和技术两方面都取得了重要进展，详见表1。

上世纪40年代，电子设备突出的可靠性问题引发了全世界的关注，开启了可靠性技术发展的新时代，1943年，美国成立了电子管研究委员会专门研究电子管可靠性问题，1947年美国无线电工程师学会成立了国际第一个可靠性专业学术组织——可靠性技术组，发挥了推动可靠性研究及学术交流的作用。至此，可靠性试验还停留在学术研究范畴，相关组织也多为民间学术机构。

1952年，美国国防部成立了“电子设备顾问委员会”（AGREE），标志着可靠性试验开始步入武器装备研制工程应用。1957年，AGREE发布了“军用电子设备的可靠性”报告，明确了产品的可靠性是可建立的、可分配的、可验证的，建立了可靠性工程的框架，提出了MTBF最低可接受值、可靠性试验验证等问题，吹响了世界可靠性发展新篇章，为后续世界各国开展可靠性工作提供了重要参考。此后各军兵种纷纷成立相关组织机构，颁发管理办法，为武器装备开展可靠性试验奠定基础。1958年，美国国防部成立“导弹可靠性特设委员会”（ACGMR），研究可靠性管理问题。1959年，美国空军导弹系统分部出版AFMM-58-10《弹道导弹及航天系统的可靠性大纲》、MIL-R-2754《航宇系统、分系统及设备的可靠性大纲要求》，空军颁布MIL-R-25717C《电子设备可靠性保证大纲》，这些文件规定了试生产和批生产电子设备可靠性保证的一般要求，成为美国空军采购用的主要可靠性管理规范。

上世纪60年代，美军陆续颁布了多个基于概率论和数理统计的可靠性试验和抽样方案，主要包括MIL-STD-690《失效率抽样方案和程序》、MIL-STD-781《可靠性试验，指数分布》、DOD-H-108《寿命和可靠性试验抽样程序和表格》，在武器装备研制工作中全面推行可靠性试验，对武器装备可靠性水平进行评估验证。1965年美国国防部为进一步加强可靠性管理，颁布了MIL-STD-785《系统与设备的可靠性大纲要求》，其中规定了可靠性鉴定试验等4类试验，成为武器装备研制工作中可靠性试验工作的顶层标准。1965年，美国空军以罗姆航空发展中心（RADC）牵头组建了第一个专门的军用可靠性研究中心，其主要工作就是开展可靠性试验。

随着可靠性试验在武器装备研制验收工作中不断应用，可靠性试验暴露故障、改进设计的作用越显突出，在研制过程中开展可靠性试验、促进设计改进、提高产品健壮性水平逐渐成为一种行业共识。为此，在70年代，美军逐步颁布了MIL-STD-2068《可靠性研制试验》、MIL-STD-1635《可靠性增长试验》，规定在武器装备研制过程中开展可靠性试验，从研制源头提高武器装备可靠性水平。1981年，美国国防部颁布了MIL-STD-189《可靠性增长管理》，提出了基于整个研制过程开展可靠性增长管理的方法。

为进一步加强全军武器装备可靠性试验的管理，规范各军兵种可靠性试验工作，在对前期可靠性试验工作梳理总结的基础上，80年代，美国国防部颁布DOD3235.1《系统可靠性、可用性和维修性的试验和评估，入门》、MIL-STD-781D《工程研制、鉴定及生产的可靠性试验》，这些标准和文件成为可靠性鉴定和验收试验的重要依据，在国际上得到广泛应用。1985年美国国防部编制了《R&M2000计划》，提出了“可靠性翻倍，维修减半”的目标，其中实现这一目标的一个重要途径就是进行有效的环境应力筛选，通过政策导引完善了MIL-STD-785中环境应力筛选的方法及其试验管理。

作者小结：美国是世界可靠性技术发展的中心，早在上世纪70年代，已逐步经形成一套完整的可靠性管理、试验传统方法，成为后续我国可靠性理论和技术学习和引入的标杆和来源。

2 基于失效物理的加速试验技术发展与现状

基于失效物理的加速试验技术以超过产品正常使用的应力为激励，加快产品设计制造缺陷暴露，从而进行可靠性改进，以达到快速提高或评估产品可靠性水平的目的。基于失效物理的加速试验技术起始于上个世纪60年代，为快速评估武器装备的寿命水平，以控制试验时间和经费，催生了加速寿命试验，到80年代，为进一步减少试验时间和经费，逐步提出了加速退化试验。80年代末，为解决装备高可靠性健壮性设计问题，提出了高加速寿命试验（HALT）和高加速应力筛选（HASS），至90年代，HALT逐步工程应用，形成了目前在军品、民品中大面积推广的可靠性强化试验（RET）。1996年，美国国防部在“美国空军2025”规划报告中指出，可靠性试验要提高效率，减少无用的试验时间，其中，缩短暴露故障的时间是其主要的目标，从而加快了加速试验在武器装备研制工作中的应用步伐。

总的来看，基于失效物理的加速试验技术主要包括两个发展方向，一是以暴露设计问题，进行可靠改进，促进产品健壮性设计的定性试验方向，主要是强化试验；二是以验证评估，评价产品寿命可靠性水平是否达到设计要求的定量试验方向——包括加速寿命试验和加速退化试验，统称为定量加速试验。定量加速试验是全球公认的解决高可靠、长寿命指标快速评价的最佳途径。

强化试验属于激发试验，理论依据是故障物理学(Physics of failure)，把故障或失效当作主要研究对象，通过采取强化环境条件，高效激发现场可能存在的隐患，寻找和改善产品耐环境极限应力、加固薄弱环节，达到健壮产品可靠性水平的目的。强化试验经济高效，是加快产品研制速度、缩短交付周期、快速提高产品可靠性的最有效方法之一。

最早的激发试验是20世纪50年代的老化试验，70年代后发展成广义的环境应力筛选，从本质上讲老化试验和环境应力筛选不能真正提高产品的固有可靠性，只是剔出早期故障。为了从根本上提高产品可靠性水平，1988年Hobbs博士提出了高加速寿命试验(HALT)和高加速应力筛选(HASS)。前者用于产品设计阶段，目的是快速暴露产品的设计缺陷，以便及时改进设计，提高产品固有可靠性；后者用于产品生产阶段，目的是快速暴露产品在生产过程中的各种制造缺陷，为用户提供高可靠性的产品。

HALT和HASS从提出之日起，由于具有暴露问题充分彻底、试验时间短、节约经济成本、缩短研制周期的显著优势，在装备研制中得到美国军方和研制企业的高度重视，相继在航空、通讯、电子、电脑、能源、汽车等工业部门的产品上推广应用，都无一例外地取得了很大成功，成为国际上最流行的可靠性试验技术之一。目前，国外从事该领域的主要机构有QualMark公司、OtisElevator公司、Hobbs Engineering公司等，很多著名企业成立了专门的可靠性强化试验机构，如Boeing公司、HP公司、CISCO公司等。

从90年代开始，HALT和HASS陆续在F22、F35新型装备研制中进行了应用，在美国工业界基本进入普及阶段。由于高加速寿命试验容易让人误会与寿命评价有关，因此波音公司在1994年将该项技术引入波音777设计时，为该技术提出了一个新名称“可靠性强化试验”，极大缩短了波音777的研制周期，并有力地保证了波音777的高可靠水平。但可靠性强化试验主要以企业规范为主，缺乏统一的标准规范。而且由于商业竞争与军工保密等原因，至今可靠性强化试验许多重大成果仍未解密，军用级可靠性强化试验系统也一直被国外禁运。

作者推荐：近年来，我国已有厂商制造出了可靠性强化试验系统，如广五所制造的可靠性强化试验系统，其中，快速温变试验箱是其传统强项，采用德国汉斯原装进口三周六自由度振动台。 航天系统个别单位也具备超宽宽温度范围的可靠性强化试验系统，可满足特殊产品（如传感器）超宽耐温范围的强化试验需求。

加速试验主要包括加速寿命试验和可靠性加速试验，前者解决长寿命产品寿命评价问题，后者解决高可靠性产品可靠性指标评价问题。但由于加速试验技术难度大、方法通用性不强，当前国外有关加速试验确实可行的标准还比较少，在老装备寿命评价方面应用较多，在新装备可靠性和寿命评价方面应用还比较少。

1967年，美罗姆航展中心首次给出了加速寿命试验（ALT）技术，得到国际大量学者的追逐研究，提出了大量加速寿命试验建模、试验和统计方法，当前，这一方法的理论研究基本趋于成熟。但由于加速寿命试验必须以故障数量作为评价基础，产品在加速试验条件下短时间内未必会发生大量故障，所需样本量大、试验消耗资源多。为提高试验效率，研究人员进一步提出了加速退化试验方法，对于具有性能退化特征的产品可以充分利用失效前的信息进行性能预测，从而外推寿命指标。上世纪80年代，国外研究提出了性能线性退化模型、加速退化试验模型及其设计与优化方法。相对加速寿命试验，加速退化试验不依赖故障数量，能够显著减少试验样本，缩短试验时间，因此，在现役装备寿命研究中，由于样品的数量和贮存/使用历史信息充足，美国、俄罗斯等国家多采用加速寿命试验方法，在新研装备中，多采用加速退化试验方法。

可靠性加速试验是指在不改变失效机理前提下，通过提高试验应力，缩短可靠性试验时间，用于快速评估可靠性指标的试验方法。可靠性加速试验的关键技术是加速模型和加速因子确定，最近10来年，美国马里兰大学、国际IEC组织加强了对加速试验相关技术的研究，为加速建模预先评估加速因子提供了2类方法。一类是马里兰大学提出的基于可靠性仿真进行加速建模，预先获得加速因子的方法；另一类是国际IEC标准中提供的加速建模的方法，利用IEC62380、IEC61709等可靠性预计标准中提供的大量元器件加速模型及其经验参数，通过IEC62506加速可靠性试验标准，建立整机的加速模型，仿真获得整机加速因子。通过使用统计数据与加速试验数据进行对比分析，可以完善和调整加速模型和加速因子，提高加速试验可信度。CISCO公司通过大量现场使用数据与试验数据的对比分析，建立了自己的加速试验量化评估方法。但由于可靠性加速模型和加速因子与产品特性息息相关，难以建立通用的加速试验技术体系，因此在工程推广应用方面还存在较大困难。

作者观点：国内很多单位都曾咨询笔者，幻想找到一把解决他单位产品加速试验的万能钥匙，给一个公式和参数，自己一套就得出加速因子，而且是准确的。实际上，这是一种不切实际的奢望，任何公司做出自己的加速模型及参数都是结合自身产品，通过不断实践，摸索总结出来的模型参数。要想准确和适用，只有收集后续产品的真实可靠性信息获得其真实水平结果，并结合产品不断摸索实践加速试验并评估加速试验结果，通过两者的对比和关联，方可能得到适合自己的可信的模型及参数。我们从来不去实践，只想得到一个准确的模型及其参数去套用，怎么可能呢？照搬照抄的，只能是个大概，不可能贴身和准确。

为了能够更早、更有效发现设计问题，从设计的根本上预防问题的发生，同时达到降低改进成本和缩短改进周期的目的，自上世纪90年代以来，美国研究机构开始开展基于故障仿真的虚拟试验技术研究。

21世纪初期，马里兰大学电子产品与系统寿命研究中心（CACLE）在各类元器件失效物理模型研究的基础上，开发了世界上第一款基于失效物理的可靠性仿真试验软件——SARA（Simulation Assisted Reliability Assessment），具备电路板失效、电子元器件失效评估、锡须风险评估等功能。该软件可利用产品设计数字样机，模拟产品在预期使用环境下的故障产生过程，其最大优势是可以在设计的初始阶段提供改进设计所需的信息，以优化产品设计和提高电子产品可靠性。马里兰大学还组建了一个会员组织，共同发展基于失效物理的可靠性评估模型，其会员包括全世界100多家电子行业的公司、研究机构和组织。迄今该组织建立的可靠性评估模型及数据库，已能对组件级电子产品的可靠性进行仿真试验。

由于可靠性仿真试验可在产品研制早期确定产品设计的薄弱环节，以便采取适当的改进措施，并对设计过程和制造过程进行预先鉴定，验证产品是否达到期望的可靠性要求，还可以用于对可靠性加速试验方案设计和实施起到指导作用，且成本低、周期短、效率高，已经得到美国国防部和NASA的认可，并在军用装备研制中进行了应用。美国陆军装备系统分析活动中心（AMSAA）专门成立了一个“基于失效物理的可靠性”小组，组织对该方法的工程化应用，对联星（Joint STARS）、长弓（Longbow）和布雷德利战车（Bradley）等军用装备电子系统的可靠性进行仿真分析与评估，在增强产品的健壮性和可靠性、降低寿命周期费用方面成绩卓著。

作者认为，基于失效物理的仿真方法概念是良好的，逻辑也是合理的。然而，要取得失效物理仿真的效果确是艰难的，一方面当前马里兰大学仿真方法的模型复杂，参数多，实际上要得到那么多参数是不现实的或瞎拍的；另一方面，目前国内几大用户仿真出来的失效模式仅仅几种（引出端和焊点的热疲劳和振动疲劳），绝大多数内嵌模型的失效模式并没有仿真出来，仿真效果与真实情况差距容易较大。马里兰大学的模型方法国内已经研究清楚，其效果从某种程度上也被否定，个别研究机构提出了自己的模型方法。

作者观点：实际上，热环境、力学环境的仿真的方法早已存在，我们不主张盲目地对一个设备进行全面的热仿真、振动仿真、可靠性失效物理仿真，这样耗费大量的人力，且效果不见得好。我们不主张有实物的，不做应力测试，而直奔仿真，仿真出来也不清楚与实际情况的差异。我们的主张主要两点：1）已有实物的，一定先做环境应力测试，了解真实情况并实施改进分析，还可为仿真提供一手宝贵的真实数据用于模型和参数调校；2）针对电子组件，热仿真技术成熟且结果相对准确，能取得良好的设计改进效果；针对机械结构和运动部件实施力学仿真，能够取得相应的效果。

当然，值得一提的是，马里兰大学还是一直在做基础研究，包括模型方法研究、深入试验设计与验证。做出来那么多模型方法不难，然而，仅靠一批批学生，要做出来那么多模型参数是难以置信的。我国目前做基础研究的太少，大家套方法的多，去研究基础模型及其参数的甚少，一定程度导致了我国基础数据的严重缺乏，仿真自然难得到真正好的效果。