A degradation failure model is proposed considering the relative failure standard. The second kind of degradation failure of random failure standard is the stress-strength interference failure considering stochastic stress and strength aging degradation. Two SSI reliability analysis methods considering strength aging degradation with cycle stochastic stress and stochastic
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multi-stress are presented respectively.
In dealing with degradation failure, it is very important to analyze data from accelerated degradation test. We describe basic ideas on accelerated test degradation models, and give the general definition of the factors and equations of accelerated degradation. These basic conceptions provide necessary foundation for the following studies of important accelerated degradation models and, such as the Gauss processs-based model, the model with B-S distribution, the Lognormal process-based model and the model with Weibull distribution respectively, and that the methods to estimate the unknown parameters in the above models are also discussed. The degradation failure analysis method of metallized film pulse capacitors from accelerated degradation tests is presented.
At the end of this paper, we also give some concluding remarks and future work, there remain many open questions about how to collect and analyze degradation data.
Keywords: reliability, performance degradation measurements, stochastic process, competing failure, degradation failure standard, accelerated degradation failure
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第一章 绪论
可靠性是指产品在规定的条件下和规定时间内成规定功能的能力。它是对产品无故障工作能力的度量[1]。在工程设计、制造以及质量控制等方面，可靠性起着越来越重要的作用，已成为决定产品市场竞争力的重要指标。可靠性评定是可靠性工程的重要组成部分，指在整个寿命周期内，根据产品的可靠性结构、分布模型，以及有关的可靠性信息，利用统计的方法，对评价产品的可靠性指标给出估计的过程。可靠性评定是对产品可靠性进行定量控制的必要手段，目的是衡量产品的可靠性是否达到预期的设计目标，验证产品可靠性设计的合理性，指出产品的薄弱环节，为改进设计制造工艺指明方向，从而加速产品研制的可靠性增长过程。科学的可靠性评定方法不仅使分析结果更为准确，而且可以减少试验经费，缩短研制周期，这无疑是现代工业生产所需要的。传统的可靠性分析技术的分析对象是寿命数据，但由于科技的不断进步，设计、制造以及使用材料的不断提高与改善，产品的可靠性越来越高，寿命越来越长，在相对短期内无法获取足够的失效数据，因此很难利用传统的可靠性理论对产品进行可靠性评定。产品在使用过程中的性能退化数据包含着大量的寿命信息，是可靠性分析的一个丰富的信息源，鉴于此，针对传统可靠性分析方法与实际工程应用不相适用的问题，本文对基于性能退化数据的可靠性分析技术展开研究，解决高可靠性、长寿命产品的可靠性评定过程中退化失效建模分析与实际应用问题。
§1.1研究的背景与意义
可靠性的概念是在二战时期提出的，最早来源于航空领域，该时期把可靠性作为一门单独的学科，并进行了大量的、有组织的研究，原因是系统越来越高级、结构越来越复杂，不解决可靠性问题，系统功能就失去了意义；另一方面，由于新技术、新材料的不断出现，不允许对制造的产品反复进行高费用、长周期的试验，这就需要将可靠性分析贯穿于研制、使用和维修的全过程。上个世纪60年代发展了许多应用于可靠性分析的统计方法，在可靠性试验与评估方面取得了很大的进步，从20世纪70年代开始到80年代初期，可靠性专家大量的研究了失效物理，许多产品的失效模式与失效机理被深入分析，基于此的可靠性试验与环境应力筛选变得越来越有效。随着失效分析、设计改进以及评估技术的不断发展，产品的可靠性达到了一个新的水平。
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按照一定的设计要求和工艺方案所生产出来的产品，在规定的工作条件下均具有某种规定的功能，在可靠性理论中，将产品丧失规定功能的现象称为失效，产品在存储或工作一段时间以后，往往会出现失效的现象。产品失效通常是由产品内在的失效机理与产品外部环境和工作条件综合作用而产生的，这一般是一个十分复杂的过程。根据文献[3]，大致可以将失效机理分为两大类：①过应力机理，②耗损型机理。对于第一种，当应力超过产品所能承受的强度时产品就会发生失效，如果应力低于产品的强度时，该应力不会对产品造成影响；在第二种机理中，不论是否导致产品失效，应力都会对该产品造成一定的损伤且损伤会逐渐累积，此损伤累积可能会导致产品功能逐渐退化，或功能不发生变化，只是产品的内部材料、结构等抗应力的某种强度发生退化，当这种强度或产品的功能退化到一种程度时，产品随即失效。
根据产品丧失规定功能的形式，可以将产品失效分成两种类型，若产品在以往的工作或存储过程之中，一直保持或基本保持所需要的功能，但在某一时刻的某一瞬间，这种功能突然完全丧失，则称这种现象为突发型失效，如器件击穿、电路短路、材料断裂等；若产品在以往的工作或存储过程中，其功能随时间的延长而逐渐缓慢下降，直至达到无法正常工作的状态，则称此种现象为退化型失效，如电子元器件性能的衰退、机械件磨损、药品效力降低、绝缘材料老化等。
目前，大部分可靠性分析采用的是传统的可靠性理论，传统的可靠性分析技术是以失效时间作为统计分析对象的，其做法是通过大量试验得到产品或其部件的失效数据，然后使用统计判断准则，选择最合适的统计分布模型（主要是指数、正态、威布尔、对数正态等传统寿命分布），最后通过系统可靠性结构模型和部件寿命分布模型，得到产品的可靠性。对于高可靠度长寿命产品，则常采用加应力试验提高可靠性，降低研制费用，缩短研制时间，比如，利用超过实际使用条件的应力暴露设计和制造上的缺陷，然后采取措施预防或避免缺陷或其影响，提高产品的可靠性；利用加速寿命试验建立产品寿命与应力之间关系的模型（加速方程），然后使用外推方法预计产品在正常应力下的寿命和可靠性。传统可靠性分析方式假定产品只具有正常、失效两种状态，无论是否具有容错能力，其正常与失效之间都具有明显的界限，也就是说，产品“非好即坏”，分析过程中并不区分失效机理的不同，不重视产品使用过程中的微观变化，没有利用失效前的相关信息；另外，由于是基于大量寿命数据进行分析，其分析结果反映的是总体在给定的条件下的“平均属性”。这种分析方式比较适合于技术复杂性比较低的产品，对于现代工业生产条件下的高技术复杂结构和小批量生产的产品，传统的可靠性分析方法与工程实践有些不相适应，有许多难
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以解决的问题，主要表现在如下的几个方面：
（1）工程上保证或提高产品的可靠性是从改善产品性能和运行稳定性方面着手，重视技术细节，重视产品的稳定性、耐久性和寿命，通过改进设计和制造工艺等措施来进行的，而传统的可靠性分析方法不能充分利用产品在性能试验和性能测试中获得的关于产品寿命和可靠性的重要信息，导致可靠性理论与工程实践脱节，这样的分析方式不能说明产品“为什么”以及“如何”随时间失效，严重影响了可靠性工作在产品研制中应有的作用；
（2）产品状态受工作环境的影响，大多数情况下产品的工作环境复杂多变，建立在独立性假设基础上的传统可靠性（逻辑）模型，无法刻划环境的实时、动态特性以及多种因素及其复杂相关性对产品可靠性的影响；用简单的加速因子或环境因子难以描述工作环境等因素对产品可靠性的影响，导致了可靠性预计与实际情况相差较大；并且当产品运行环境或它的某些特性改变后，得到的寿命模型可能变得无效，需重新进行建模分析；
（3）现代工业生产具有“多品种、小批量、快速生产”等特点，产品受到研制经费和时间限制，导致寿命试验甚少，依赖于大样本寿命数据的传统可靠性定量分析与评估难以进行，特别是对于高可靠性、长寿命产品来说，在有限时间内很难获取足够的失效数据（甚至没有失效数据），比如，目前市场上的mp3播放器芯片的研制周期仅约半年，但其寿命理论上一般约100000小时，即大约11年，生产厂家是不可能花费如此长的时间去获取该芯片的寿命数据的，没有足够的寿命数据，则无法依据传统可靠性理论建立有效寿命分布模型；
（4）退化失效是产品失效的主要原因，传统可靠性理论侧重研究偶发失效，有些舍本逐末。
以上分析表明，随着产品可靠性水平的不断提高，可靠性试验所用时间与资源越来越得不到满足，面对实际情况，急需发展更为有效的可靠性评估方法。
产品规定完成的功能是由其性能参数表征的，并且动态环境对产品的影响也体现在性能参数的变化上，很多情况下，产品失效与性能退化存在着必然的联系，产品性能退化可导致失效。传统的可靠性验证试验仅记录失效和试验时间，在建模分析过程中并没有考虑产品性能退化过程中所包含的信息，而产品性能退化过程中包含着大量可信、精确而又有用的与产品寿命有关的关键信息，所以从产品性能参数的变化着手，通过对表征产品功能的某些量进行连续测量，取得退化数据，利用退化数据对产品功能的退化过程进行分析，就可以对产品可靠性做出评定。利用性能退化数据进行可靠性分析是一个有重要意义的课题，这种分析方法可以解决传统可靠性与工程实际不相适应的问题。
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一般情况下，随着使用时间的增加，表征产品特性的性能特征参数将出现退化的情况。性能退化现象是自然而又大量存在的，如电子元器件的特性退化，金属材料的蠕变、裂纹初始化及其传播、磨损、腐蚀、氧化，绝缘体和隔热体的老化，等等。当产品的某些性能特征参数不断退化并超过其规定范围时，产品就会失效，很多失效机理可以在退化过程中跟踪，如果某些高可靠性产品在正常应力条件下退化速度较慢以至于在合理的实际内很难做出有用的推断时，可以利用提高应力的方法加速性能参数的退化过程，从而在较短的时间内得到可用的退化信息。因此可以从产品性能退化的角度去分析产品的可靠性问题。
