环境试验加速因子模型及其计算示例

环境试验加速因子模型及其计算示例余建宏(维谛技术(西安)有限公司，西安710075)摘要：在环境试验中，大家经常关注产品在可控的环境条件下试验若干小时相当于产品在实际使用条件下使用的 时间。对于某些测试时间比较长的试验，往往会选择通过加速应力的方式，可以缩短试验时间和节约试验经费，

达到想要的试验结果。本文统计了环境试验中常见的高温、湿度应力、温度冲击、振动和电应力等加速模型，并 举例计算便于理解，希望能为同行提供参考。关键词：环境试验；加速因子；加速模型中图分类号：V216. 5 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2019)06-0174-04Acceleration Factor Model of Environmental Test and Calculation ExampleYU Jian-hong(Vertiv Tech (Xi'an) Co., Ltd., Xi'an 710075)Abstract: In environmental tests, people often pay attention to how many hours a product is tested

under controllable environmental conditions, which is equivalent to how long the product will be

used under actual conditions. For some tests with long testing time, accelerated stress is often chosen, which can shorten the testing time and save test funds, and achieve the desired test

results. So this paper counts the common acceleration models of high temperature, humidity stress, temperature shock, vibration and electric stress in environmental test, and gives examples to

facilitate understanding, hoping to serve as a reference for colleagues.Key words: environmental test； acceleration factor； acceleration model引言在环境试验中，有一个问题经常困惑试验人员：产

间的关系，即加速模型。下面统计了环境试验中常见的高温、湿度应力、温

品在可控的环境条件下试验若干小时相当于产品在实际 使用条件下使用多长时间。这是一个亟待解决的问题， 其意义不仅在于能极大地降低试验成本，减少不必要的

度冲击、振动和电应力等加速模型,并举例计算加以说明，

希望能够作为同行的参考。浪费.同时也让测试更加具有目的性和针对性。对于某些测试时间比较长的试验，如进行耐久性试

1高温试验加速因子1.1 阿伦纽斯模型(Arrhenius Model)阿伦纽斯模型(Arrhenius Model)由热和电压加速度 组成.可独立使用，也可以组合使用。广泛用于建立产 品寿命与温度的关系模型，这一关系式用于表示某个失 效机理对温度的敏感度和产品的热加速因数，有人也把

验、寿命试验或者可靠性验证试验时，若按照常规的方 法进行，则耗时耗力。所以往往会选择通过加速应力的

方式，缩短试验时间，节约试验经费，达到想要的试验 结果。这种试验被称为加速试验，其基本思想是利用高应 力下的寿命特征去外推正常应力水平下的寿命特征。实

阿伦纽斯模型叫作热-压效应。阿伦纽斯模型是最典型、

应用最广的加速模型。阿伦纽斯模型(Arrhenius Model)的表达式为：现这个基本思想的关键在于建立寿命特征与应力水平之2019 年 12 月 / December 2019技术专栏/Tc^AF(t) = exp[(» 任-紳

式中：(1)由于激活能常用eV为单位，故可靠性中玻尔兹曼常

数常选用 K=8.617 332 4 x 10-5 eV/Ko 电子伏特(electron

AF ( t)—温度加速因子；volt),简称为电子伏，缩写为eV ,是能量的单位。代

表一个电子(所带电量为-1.6X10-'9 C)经过1 V的电

Ea—激活能(Activation energy 介于 0.3~1.2 eV );K一玻尔兹曼常数(Boltzman Constant );位差加速后所获得的动能。电子伏与SI制的能量单位焦

Tu—Tuse为正常使用的环境温度，绝对温度(K)=T +273;耳(J)的换算关系是：1 eV = 1.602 176 53 ( 14) x 10-19 J,故 K= 1.380 648 8 ( 13 ) x 10'23J.K''Ts—Tstress为试验应力时环境温度，绝对温度(K)=七 +273 o说明：任何加速应力必须在产品规定的使用条件范 围内进行，即加速应力出现的失效机理不能够是超出应

=1.380 648 8 ( 13) x 10_23eV.K_, /1.602 176 53 ( 14) x IO\"19=8.617 332 4 ( 78 ) x 10-5 eV.K-1 o例如：某电子产品进行高温试验，试验应力时环境 温度为50七，产品正常使用的环境温度为25七。计 算出AF (t) =6.1„即50七条件下工作lh,相当于在

力所引起的。1.2激活能Ea激活能Ea是使晶体原子离开平衡位置迁移到另一个

新的平衡或非平衡位置所需要的能量。Ea根据原材料的不同，有不同的取值，一般情况下：氧化膜破坏

25七条件下工作6.1 h；相当于加速了 6.1倍。0.3 eV2湿度试验加速因子哈尔伯格-佩克模型(Hallberg-Peck Model)离子性(SiO2中Na离子漂移)1.0-1.4 eV 离子性(Si-SiO2界面的慢陷阱)1.0 eV 由于电迁移而断线

Hallberg-Peck模型综合考虑了温度、湿度影响，是

在Arrhenius模型上的延伸。在众多的环境试验中，温度、

0.6 eV铝腐蚀

金属间化合物生长

0.6~0.9 eV湿度是最为常见的，同时也是使用频率最髙的模拟环境

0.5-0.7 eV因子。实际环境中温度、湿度也是不可忽略的影响产品 使用寿命的因素。一般激活能Ea介于0.3-1.2 eV之间，电子产品通常 选取0.6 eVoHaUberg-Peck模型中的温、湿度加速因子计算模型

如下式。1.3玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数(Boltzmann Constant) ( k或kB )是

AF(T&H) = (舲Jexp [(釣 *(佥-剤(2)式中：有关于温度及能量的一个物理常数。玻尔兹曼是一个奥 地利物理学家，在统计力学的理论方面有重大贡献，波

AF ( RH ) —®度加速因子；兹曼常数具有相当重要的地位，玻尔兹曼常数根据单位 不同有表1中的三种数值。表1玻尔兹曼常数K的三种取值RHs—RHstress为施加应力相对湿度值；RHu—RHuse为正常使用条件下的相对湿度值；n—为湿度加速率常数介于2~3,推荐选择3;

其余参数同Arrhenius模型。单位J.K-*eV. K-1数值1.380 648 8 (13)X10切8.617 332 4 (78) X 10-5例如：某产品定湿热工作试验，施加的高温应力为

50 1C,湿度应力为95 %RH;产品正常工作温度为25

湿度为70 %RHO1.380 648 8 (13) X1016erg. K 1175 环境技术 / Environmental TechnologyTSS：/技术专栏嘴计算出 AF (T&H )=1525。即 50 t, 95 %RH 条

Tt—试验时间；As—运行加速度；件下工作lh,相当于在25 °C, 70 %RH条件下工作

15.25 ho相当于加速了 15.25倍。At—试验加速度；m—金属材料选择4。3温度冲击试验加速因子科芬-曼森模型(Coffin-Manson Model)可以得到如下公式：科芬-曼森模型给出的温度冲击加速模型如下式。对于振动加速度，如果不加说明，一般指振动的峰

AF(Thermal shock)=制“,任)\"* exp [$) * 仕 _ *)]峰值，即g。对随机信号，一般是取一段时间计算均方

(3)

该公式由三部分相乘组成，下面举例说明。第一部分的加速是指温度差的加速，例如-30咒

根的加速度，即g ( RMS ) , rms是均方根值(有效值)

的意思。例如某产品进行随机振动试验，加速度均方根值为

到60 t的温度差是90 °C, -40七到85 t的温度差 是 125 七。故(125/90) *1.9=1.93第二部分是温度冲击循环不同引起的加速，例如实

0.7 grms,振动时间是10 h;如果实际产品24 h处理工

作状态，所面临的振动加速度是0.08 grms;可以计算 出该产品耐振动的运行时间是Ts=10 h* ( 0.7/0.08 ) 4=

际应用中是一天两个循环，而测试是一天24个循环，所

58 618 h = 6.5 年。以加速是(2/24 ) * ( 1/3 ) =0.44o第三部分就是最高工作温度引起的加速，一个60—个 85 T ,根据 Arrenhius 公式得到 Af ( t ) =4.31.5电压应力加速因子艾琳模型(Eyring Model)产品除了环境应力的作用外，电应力的作用也不可

所以温度冲击加速因子的总体加速系数是：AF ( Thermal shock ) =1.93*0.44*4.31=3.66。忽视。电应力也会促使器件内部产生离子迁移、质量迁

移等，造成短路、绝缘击穿短路失效等。器件在电压、

4随机振动试验加速因子振动试验是指评定产品在预期的使用环境中抗振能 力而对受振动的实物或模型进行的试验。根据施加的振

电流或功率等电应力作用下，应力越强、失效速率越快，

器件寿命越短。Eyring模型是Arrhenius模型的扩展，用于温度和电

压同时加速的试验项目。动载荷的类型把振动试验分为正弦振动试验和随机振动 试验两种。是模拟产品在运输、安装及使用环境下所遭

遇到的各种振动环境影响，用来确定产品是否能承受各

AF = exp [(罟)* (佥—言)]* exp[p * (Vstress — Vuse)/Vuse](6)式中：种环境振动的能力。振动试验是评定元器件、零部件及

整机在预期的运输及使用环境中的抵抗能力。在标准GB/T 21563-2008《轨道交通机车车辆设备

B—电压加速常数(0.5 w B W 1.0,根据不同失效

机理，默认值为1.0);冲击和振动试验》中给出了试验时间和寿命时间与试验 加速度和实际应力加速度的对应关系。Vstress― 验时应力电压(Stress voltage );(4)7； *啻=耳*朋

式中：Vuse—正常使用电压(Operating voltage )。从艾琳模型模型中的电应力加速因子计算模型可知，

Ts—运行寿命/时间；只有正向的电压才有加速应力，即试验电压要高于额定2019 年 12 月 / December 2019 176+士 ~~ 土亠 玖不 二 /

/ r I1 1 echnicalColumn电压。例如：某电子产品额定输入电压为220 Vac,试验时

(上接162页)输入电压为250 Vaco计算出AF ( v) =1.12。参考文献：6结束语本文统计了环境试验中常见的高温、湿度应力、温 度冲击、振动和电应力等加速模型，进行了单个加速模

(1) 刘星，龙伦，谢俊岭，等•基于有限元法的亶升机动力传动轴的设计 [J].机械设计,2018.23(4):97-100.[2] 童振，孟强，芦迪，等•基于有限元法对多自由度剑麻收割机的分析

与实验[J].农机化研究，2018, 40(5):30-35.[3] 洪涛，胡业发，谭建，等•碳纤维传动轴刚度不平衡胶接接头的失效型的计算举例。通过加速试验能够缩短试验时间达到节

行为研究[J]-玻璃钢/复合材料，2017.25(9):52-57.(4) 孙玉凤，刘兴亚，张明•基于有限元的调心滚子轴承接触应力和疲劳

省费用的目的，同时也能够通过试验室试验应力及时间 反推出市场应用时间。但也不是加速试验的应力就可以

寿命分析[J]•轴承,2018(6).⑸黄晓明，孙杰，李剑峰•基于刚度与应力演变机制的航空整体结构件

一味的提高，需要根据产品的规格及工程师经验共同得 出，有一点要求就是加速应力条件下不应有新的失效机 理出现。但是产品若经历多个应力综合作用，加速因子 可以选择对应加速模型的乘积，在此不再举例说明。 54321*

加工变形预测理论建模(JJ.机械工程学报，2017, 53(9):201-208.[6] 王珍兰，赵文虎，杜成斌，等•基于扩展有限元法的结构内部多缺陷

的反演分析UL水运工程，2017.12(12):66-72.[7] 杨猛，阚树林，谢超•基于有限元法的新型汽车门锁中塑料斜齿轮强

度仿真分析[J].机械强度，2017(1):146-151.[8] 云永琥，塔静宁，胡泓•基于有限元法的塑料齿轮动态啮合接触分析

UL机械设计与研究.2018(1):87-90.[9] 李云鹏，李峰，魏伟，等.某熔融泵齿轮转子断裂失效分析与研究 [J].机械强度.2018.23(4):971-977.[10] 马祥禹，张锦光，蔡光胜，等.汽车用碳纤维传动轴结构设计与有

限元分析(J]-玻璃钢/复合材料.2017.23(8):5-9.【11]潘毅，赵利民，马耘，等•基于优化感应淬火工艺对航标船Z170型

柴油机中传动轴耐磨性能的研究[儿铸造技术，2018.23⑺:1578>1581.[12] 朱有利，王燕礼，唐亮，等.HXD1机车小齿轮轴断裂失效应力分

析[JJ-材料科学与工艺，2017,25(1):69-75.[13] 刘晓光，徐浩，李博，等.35CrMo汽车凸轮轴的综合检测与断裂

参考文献：[1] 蔡玲芳•半导体器件寿命计算[J].杭料电于料技大学学报.2012.

失效行为研究卩】.铸造技术，2017, 38⑺:1628.[14] 陈赛，张彦敏，宋克兴，等.5CrMnM。热挤压模具断裂失效分析

(J].塑性工程学报，2017, 24(3):160-165.[15] 彭以超，楼玉民.徐绍平，等.超超临界机组中压汽门阀盖 Alloy783合金螺栓断裂失效分析[J].热力发电，2018, 47⑶:115-122.32 ⑸:131-134.[2] 赵帅帅，陈永祥，等•基于修正Coffin-Manson模型的加速寿命试

验设计与评估UJ.强度与环境，2013,(4):52-58.[3] 王易君,周本权，史平安，等.温度试验加速加载有效性分析【J].装

作者简介：刘文伟(1985-),男，学士，讲师，研究方向：机械设计和计算 机设计辅助；备环境工程,2019,16(3):63-66.[4] Patrick P. O' Connor, Andre Kleyner. Practical Reliability

Engineering (5th Edition) [M].Jan 30,2012.[5] GB/T 21563-2008轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验[S].⑹ 振动 https://baike.sogou.com/v64431438.htm?fromTitle=%E6 %8C%AF%E5%8A%A8 [DB/OL].艾国(1966-)，男，硕士，讲师，研究方向：机械电子工程；白榕(198】-),男，学士，讲师，研究方向：计算机设计辅助方向。作者简介：余建宏(1984.10),男，学士，工程师，在维谛技术(原艾默生 网络能源)从事十年电力电子产品的环境适应性与可靠性设计和试验

研究工作。现为CAQ注册可靠性工程师，中国电子学会可靠性分会委

员，中国电工技术学会电工产品环境技术专业委员会委员。177环境技术/ Environmental Technology