老煉試驗(yàn)優(yōu)化建模與應(yīng)用研究.pdf

1、老煉試驗(yàn)是工業(yè)生產(chǎn)，尤其是電子制造、軍事和航空航天工業(yè)中廣泛使用的一種用于減少或消除產(chǎn)品早期失效的可靠性篩選方法，它對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，減少早期失效造成的損失以及降低保修和維修費(fèi)用都十分重要。過去近半個(gè)世紀(jì)，工程技術(shù)和科研人員對老煉試驗(yàn)進(jìn)行了廣泛研究，重點(diǎn)集中在老煉試驗(yàn)應(yīng)該在何種條件下進(jìn)行并持續(xù)多長時(shí)間以獲得最大利潤或最高可靠性，即老煉試驗(yàn)優(yōu)化問題。有效的老煉試驗(yàn)優(yōu)化模型對于確定最優(yōu)老煉試驗(yàn)十分關(guān)鍵，通常根據(jù)制造商和決策者的意圖、

2、產(chǎn)品的壽命特征以及老煉試驗(yàn)實(shí)施過程進(jìn)行建模，進(jìn)而求解獲得最優(yōu)的老煉試驗(yàn)設(shè)置以及最優(yōu)的保修和維修策略。然而，現(xiàn)有的研究對加速應(yīng)力下的老煉試驗(yàn)優(yōu)化建模重視不夠，缺乏有效的高可靠、長壽命產(chǎn)品的老煉試驗(yàn)優(yōu)化建模方法，并且對復(fù)雜失效產(chǎn)品的老煉試驗(yàn)優(yōu)化建模研究也不深入。為此，本文以實(shí)際工程中的老煉試驗(yàn)優(yōu)化問題為背景，結(jié)合失效建模、加速模型和壽命分布的參數(shù)估計(jì)以及常見的保修和維修策略，研究若干典型失效產(chǎn)品，包括無耗損和有耗損階段產(chǎn)品、Wiener過程

3、退化失效產(chǎn)品以及突發(fā)和退化競爭失效產(chǎn)品的老煉試驗(yàn)優(yōu)化建模問題及其應(yīng)用。主要研究內(nèi)容包括基于失效的加速老煉試驗(yàn)優(yōu)化建模與應(yīng)用、基于退化的老煉試驗(yàn)優(yōu)化建模與應(yīng)用以及突發(fā)和退化競爭失效的老煉試驗(yàn)優(yōu)化建模與應(yīng)用。論文的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)有：
　?。?）針對無耗損和有耗損階段產(chǎn)品，結(jié)合保修和維修提出了兩種基于失效的加速老煉試驗(yàn)優(yōu)化建模方法，解決了MOS電容器和光路控制機(jī)電部件的加速老煉試驗(yàn)優(yōu)化問題。
　　利用線性加速失效時(shí)間回歸模型建立

4、了加速老煉試驗(yàn)產(chǎn)品的失效模型，推導(dǎo)出壽命分布和失效率的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，用威布爾-指數(shù)分布建立了無耗損階段產(chǎn)品的失效模型，提出了一種包含一維混合保修的加速老煉試驗(yàn)優(yōu)化模型；用混合威布爾分布建立了有耗損階段產(chǎn)品的失效模型，提出了一種包含最小修復(fù)的加速老煉試驗(yàn)和定時(shí)更換聯(lián)合優(yōu)化模型。應(yīng)用上述方法和模型解決了MOS電容器和“神光III”大型激光裝置光路控制機(jī)電部件的失效建模、參數(shù)估計(jì)和加速老煉試驗(yàn)優(yōu)化等問題。結(jié)果表明，和正常應(yīng)力下的老煉

5、試驗(yàn)相比，加速老煉試驗(yàn)?zāi)茱@著縮短試驗(yàn)時(shí)間。論文提出的方法和模型彌補(bǔ)了現(xiàn)有的基于失效的老煉試驗(yàn)優(yōu)化方法在加速失效建模方面存在的不足，對傳統(tǒng)老煉試驗(yàn)優(yōu)化方法在工程中的應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。
　?。?）深入分析了Wiener過程退化失效產(chǎn)品在正常應(yīng)力和加速應(yīng)力下進(jìn)行老煉試驗(yàn)的失效模型和篩選過程，在篩選效率約束下提出了兩種結(jié)合保修和維修的基于退化的老煉試驗(yàn)優(yōu)化模型，解決了金屬化膜脈沖電容器的老煉試驗(yàn)優(yōu)化問題。
　　對于正常應(yīng)力下基于退化

6、的老煉試驗(yàn)，深入分析了Wiener過程退化失效產(chǎn)品的壽命分布，在包含缺陷產(chǎn)品和正常產(chǎn)品的一批產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行老煉試驗(yàn)的情形下，給出了根據(jù)老煉試驗(yàn)后產(chǎn)品的退化量對缺陷產(chǎn)品進(jìn)行篩選的判決規(guī)則和老煉試驗(yàn)后產(chǎn)品可靠度函數(shù)和剩余壽命分布的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，考慮到老煉試驗(yàn)存在的兩類誤判風(fēng)險(xiǎn)，提出了兩種包含篩選效率約束的基于退化的老煉試驗(yàn)優(yōu)化模型：一種從制造商的角度考慮了產(chǎn)品的售價(jià)和保修費(fèi)用，以期望利潤最大作為優(yōu)化目標(biāo)；另一種則從制造商和使用方的整

7、體利益出發(fā)考慮了產(chǎn)品在實(shí)際使用中的收益和定壽更換，以期望凈收益最大作為優(yōu)化目標(biāo)。對于加速應(yīng)力下基于退化的老煉試驗(yàn)，研究了加速退化模型，采用和正常應(yīng)力下類似的方法提出了兩種基于退化的加速老煉試驗(yàn)優(yōu)化模型。最后利用提出的方法和模型對“神光III”大型激光裝置金屬化膜脈沖電容器的老煉試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，和基于失效的老煉試驗(yàn)方法相比，基于退化的老煉試驗(yàn)，尤其是加速老煉試驗(yàn)不但能極大地縮短試驗(yàn)時(shí)間，還能降低試驗(yàn)對正常產(chǎn)品性能的影響，提高產(chǎn)品的

8、利潤或收益。上述研究為高可靠、長壽命產(chǎn)品的老煉試驗(yàn)優(yōu)化提供了新的方法，具有理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　?。?）針對突發(fā)失效和退化相關(guān)的典型競爭失效產(chǎn)品，建立了正常應(yīng)力和加速應(yīng)力下產(chǎn)品的失效模型，給出了一種未知參數(shù)的極大似然估計(jì)方法，提出了以可靠性指標(biāo)和費(fèi)用指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)的老煉試驗(yàn)優(yōu)化模型，解決了脈沖氙燈的老煉試驗(yàn)優(yōu)化問題。
　　針對退化軌道服從Wiener過程的情形，采用比例危險(xiǎn)模型建立了突發(fā)失效和退化相關(guān)時(shí)的競爭失效模型，并給

9、出了未知參數(shù)的極大似然估計(jì)方法。對于這種典型競爭失效產(chǎn)品在正常應(yīng)力和加速應(yīng)力下的老煉試驗(yàn)，提出了兩類優(yōu)化模型：一類以可靠性指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，包括任務(wù)可靠度和平均剩余壽命，對老煉試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化；另一類則以平均費(fèi)用率作為優(yōu)化目標(biāo)，對老煉試驗(yàn)時(shí)間和定壽更換時(shí)間同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。利用提出的方法和模型解決了“神光III”大型激光裝置脈沖氙燈的失效建模、參數(shù)估計(jì)和老煉試驗(yàn)優(yōu)化問題，并同其它僅考慮老煉試驗(yàn)或者預(yù)防性維修的優(yōu)化策略進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明