航天电连接器综合应力加速寿命试验与统计分析的研究

摘要

航天电连接器作为航天系统中电信号传输、电路连接和实现特定功能的重要配套元件，数量庞大、地位重要。任何一套电连接器的失效都将导致系统发生故障，因此其可靠性的高低直接影响系统是否能可靠地工作。鉴于电连接器在实际工作中会遭受多种环境因素的影响，且目前仍然缺乏电连接器在工作环境应力下的可靠性指标，使得系统的可靠性设计难以进行，造成系统的可靠性得不到保证，因此评估电连接器在工作环境综合应力作用下可靠性的相关技术成为重要的研究课题。本文以Y11X—1419圆形低频电连接器为研究对象，对快速评估产品综合应力作用下可靠性水平的加速寿命试验相关技术进行了全面的研究。
　　 第一章阐述了课题的研究背景和重要意义，分析了加速寿命试验统计模型、加速寿命试验优化设计以及加速寿命试验数据的统计分析方法的国内外研究现状以及存在的问题，回顾和总结了航天电连接器的可靠性研究现状及存在的问题，最后给出了论文的主要研究内容和框架结构。
　　 第二章从失效机理层面推导了航天电连接器在温度和振动应力综合作用下的可靠性统计模型。首先对航天电连接器接触失效进行分析，从导致接触件失效的内在原因——电连接器接触件表面氧化物和磨损腐蚀物构成的绝缘膜层的增生出发，研究膜层的增长规律，并结合电连接器结构特点，利用渐近分布理论，导出航天电连接器的工作寿命服从二参数的威布尔分布；同时基于化学反应论及微动磨损理论，得出电连接器在温度和振动应力作用下的失效物理方程为广义Eyring模型，从而建立了航天电连接器在温度和振动应力作用下的可靠性统计模型。
　　 第三章建立了产品基于定时测试的综合应力加速寿命试验方案优化设计方法。依照产品的可靠性统计模型，利用均匀设计理论确定了综合试验应力的组合方式和试验次数，结合测试时间等概率原则，建立了定时测试下的综合应力试验方案优化设计的数学模型。将优化的加速寿命试验方案与未经优化的一般试验方案进行比较，结果表明，在相同的样本量下，优化试验方案大大提高了试验的估计精度。同时对优化试验方案进行模型初值偏离的鲁棒性分析，为设计稳健性试验方案的初值选择提供了理论依据。
　　 第四章建立了定时测试综合应力加速寿命试验方案模拟评价方法。以产品在正常应力水平时中位寿命渐近方差的期望值和标准差作为加速寿命试验方案估计精度和稳定性的考核指标，应用蒙特卡洛模拟方法，建立了定时测试综合应力加速寿命试验的模拟方法，利用定时测试极大似然估计理论，建立了定时测试综合应力加速寿命试验方案模拟评价的数学模型，并以随机抽样的渐近方差的均值和标准离差分别代替其期望值和标准差，提出了试验方案模拟评价的方法。对试验方案的模拟结果表明，所提出的定时测试综合应力加速寿命试验方案的优化理论正确，方法可行。
　　 第五章应用估计性能优良的极大似然估计方法对分组试验数据进行统计分析，得到了电连接器的可靠性寿命特征量的估计值，定量评估了电连接器的工作可靠性水平。
　　 第六章建立了具有较高估计精度的综合应力加速寿命试验数据的置信区间估计方法。基于现有估计方法中的二步拟合回归方法，将基于大样本理论的Bootstrap方法引入到回归分析方法中，再次利用Bootstrap思想对Bootstrap估计值进行纠偏处理，提出了小样本情况下产品可靠性特征量的Bootstrap回归置信区间估计方法。随机模拟的结果表明， Bootstrap回归区间估计精度均能基本满足给定置信度的要求。
　　 第七章提出了产品综合应力可靠性统计模型的验证方法。利用加速寿命试验数据，结合图分析和数值分析方法，验证了电连接器的寿命分布模型；从三维空间角度将失效物理方程准确度的验证问题转化为空间数据点共面性的检验问题，从加速寿命数据的统计检验角度出发，通过对综合应力失效物理方程进行多元线性回归拟合，以表征空间数据点和拟合值的垂直距离平方和与空间数据点本身的离差平方和相对大小的统计量作为检验指标，提出了定量评估失效物理方程准确度的多元线性回归拟合检验的验证方法，对电连接器的可靠性统计模型验证结果表明，该模型能很好地描述电连接器特征寿命在温度和振动综合应力作用下的变化规律；进一步通过扫描电镜分析和能谱分析，证明了从失效机理层面建立可靠性统计模型的合理性，为加速寿命试验方案的优化设计、模拟评价及试验数据的统计分析的正确性提供了有力的依据。最后总结了全文的研究工作，并展望了进一步的研究工作。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1研究背景

1.2加速寿命试验方法及发展趋势

1.3加速寿命试验技术研究现状

1.3.1加速寿命试验中统计模型的概况

1.3.2加速寿命试验优化设计研究及存在的问题

1.3.3加速寿命试验数据统计分析方法研究概况

1.4电连接器可靠性研究概况及存在的问题

1.5课题来源及主要研究内容

1.5.1课题来源

1.5.2主要研究内容及内容框架

2 航天电连接器失效分析及可靠性统计模型

2.1引言

2.2电连接器的失效分析研究

2.2.1电连接器的传导

2.2.2航天电连接器的接触失效分析

2.3电连接器的可靠性统计模型

2.3.1电连接器的接触失效寿命分布

2.3.2电连接器在温度应力下的失效物理方程

2.3.3电连接器在振动应力下的失效物理方程

2.3.4电连接器在温度和振动作用下的失效物理方程

2.3.5电连接器在温度和振动作用下的可靠性统计模型

2.4本章小结

3 电连接器定时测试下综合应力加速寿命试验方案优化设计

3.1引言

3.2基于定时测试下综合应力加速寿命试验方案优化设计的准则

3.2.1均匀试验设计

3.2.2试验应力的组合方式和原则

3.2.3试验设计的基本假定

3.2.4试验优化的准则

3.2.5产品寿命估计方法

3.3基于定时测试下试验方案优化的极大似然估计理论

3.3.1定时测试定时截尾样本的似然函数

3.3.2定时测试下模型参数估计值的协方差矩阵和信息矩阵

3.3.3正常应力水平下渐近方差的估计

3.4定时测试下试验方案优化设计的数学模型

3.4.1优化设计的目标函数

3.4.2优化设计的变量选择

3.4.3优化设计的约束条件

3.4.4每组应力水平下最小样本量确定

3.5电连接器定时测试综合应力加速寿命试验方案的优化设计

3.5.1试验参数的确定

3.5.2定时测试试验方案的优化设计

3.6定时测试综合应力加速寿命试验优化方案的鲁棒性分析

3.6.1鲁棒性分析评价指标

3.6.2鲁棒性分析的方法及结果

3.7电连接器定时测试综合应力加速寿命试验方案的调整

3.8本章小结

4 电连接器定时测试综合应力加速寿命试验方案的模拟评价

4.1引言

4.2加速寿命试验方案模拟评价的准则和数值模拟方法

4.3本章小结

5 电连接器综合应力加速试验数据的统计分析

5.1引言

5.2电连接器加速寿命试验数据

5.3电连接器加速试验数据的统计分析

5.3.1定时测试ML估计理论的综合应力加速寿命数据的统计分析

5.3.2电连接器的可靠性特征值

5.4本章小结

6 电连接器可靠性特征量置信区间的bootstrap回归统计分析

6.1引言

6.2 bootstrap的基本思想与应用

6.2.1 bootstrap方法及其基本思想

6.2.2 Bootstrap方法在产品可靠性回归分析中的应用

6.3 bootstrap估计的纠偏处理

6.4电连接器可靠性特征量置信区间的bootstrap回归估计

6.5 bootstrap回归分析精度的评估

6.6本章小结

7 电连接器综合应力可靠性统计模型的验证

7.1引言

7.2电连接器可靠性统计模型验证的试验方案

7.2.1试验应力组合方式的确定

7.2.2试验方案参数的确定

7.2.3用于统计模型验证的试验方案

7.3电连接器可靠性模型的统计验证

7.3.1加速寿命试验数据及合理性初步分析

7.3.2航天电连接器失效寿命分布的验证

7.3.3航天电连接器失效物理方程的验证

7.4电连接器可靠性模型的失效分析验证

7.4.1宏观检查

7.4.2微观检查

7.4.3结果分析

7.5本章小结

8 总结与展望

8.1本文研究成果

8.2展望

参考文献

附表

攻读博士学位期间发表(录用)的论文及取得的成果