【摘 要】
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机电系统通常服役于多应力环境且具有多个失效模式。然而,传统的基于单一应力单一失效模式的加速试验方法主要面向电子产品和机械元件,难以准确高效评估机电系统的可靠性。因此,亟需开展多应力加速试验方法、多应力多失效模式情况下的可靠性建模方法,以评估机电系统的可靠性水平。MEMS陀螺通常服役于温度、振动、转动、电应力等综合环境与载荷条件下,且具有高可靠长寿命要求。因此,亟需研究MEMS陀螺多应力加速试验方法
【基金项目】
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部委级预先研究项目:“xxxxx机电装备加速试验技术研究；
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机电系统通常服役于多应力环境且具有多个失效模式。然而,传统的基于单一应力单一失效模式的加速试验方法主要面向电子产品和机械元件,难以准确高效评估机电系统的可靠性。因此,亟需开展多应力加速试验方法、多应力多失效模式情况下的可靠性建模方法,以评估机电系统的可靠性水平。MEMS陀螺通常服役于温度、振动、转动、电应力等综合环境与载荷条件下,且具有高可靠长寿命要求。因此,亟需研究MEMS陀螺多应力加速试验方法及MEMS陀螺可靠性评估方法,为MEMS陀螺的可靠性优化设计提供依据。本文针对机电系统可靠性评估的工程应用需求,以某型蝶翼式MEMS陀螺为研究对象,通过失效机理分析建立蝶翼式MEMS陀螺性能退化模型,系统深入研究多应力加速试验方法与可靠性建模方法,为机电系统可靠性评估与寿命预测提供理论方法与技术支撑,主要研究内容如下:1.研究蝶翼式MEMS陀螺的退化模型。推导硅微结构中残余应力对陀螺驱动模态谐振频率影响的解析表达式,采用有限元法对不同残余应力（29组）下的硅微结构进行预应力模态分析,有限元仿真结果与所提出的解析模型仿真结果非常接近。基于解析模型建立蝶翼式MEMS陀螺驱动模态谐振频率和机械灵敏度退化模型,设计并开展陀螺长时间静置测试试验,试验结果表明蝶翼式MEMS陀螺的谐振频率和机械灵敏度随着时间的增加而逐渐降低,与退化模型的数值仿真结果一致。2.建立蝶翼式MEMS陀螺零偏不稳定性退化模型和温度应力下的加速因子模型,并设计试验进行验证。首先,通过Allan方差分析得知蝶翼式MEMS陀螺噪声项主要由角度随机游走、零偏不稳定性和速率随机游走构成。然后,通过退化试验数据分析得知零偏不稳定性随时间呈线性增大,且温度应力水平越高,零偏不稳定性的退化速率越大。最后,对蝶翼式MEMS陀螺的寿命进行预测。3.针对现有加速模型包含应力类型少、缺乏应力耦合项、存在多参数难以辨识的问题。基于经典Arrhenius模型建立多应力加速模型统一范式及多应力加速因子模型统一范式。然后基于粒子群算法和极大似然估计法,提出多应力加速模型多参数估计方法。最后采用六个仿真案例和一个实际应用案例验证所提出方法的正确性和准确性。4.考虑多应力对寿命特征的耦合影响,退化过程与随机冲击过程的相依性,基于多应力加速模型统一范式和相依竞争模型建立N应力M失效模式相依竞争条件下的可靠度模型。在此基础上,结合产品退化量分布函数建立N应力M失效模式相依竞争条件下加速退化试验统计分析方法,由于多个未知参数不能采用最小二乘算法直接估计,提出二步分析法以解决多参数估计问题,并通过算例验证所提模型和方法的有效性。5.将多应力加速试验方法应用于某型国产微惯导系统的关键件——蝶翼式MEMS陀螺的寿命预测,为多应力加速试验方法提供完整的工程应用案例。首先,构建多应力加速试验平台,该平台可同时施加温度、振动、转动、电应力等综合条件。然后,基于正交与均匀试验理论设计多应力加速试验方案,实施蝶翼式MEMS陀螺的多应力加速退化试验。最后,建立多应力下蝶翼式MEMS陀螺寿命预测模型,完成寿命预测。综上所述,在“十三五”预研项目的资助下,本文针对蝶翼式MEMS陀螺建立其关键性能指标退化模型;建立多应力加速试验方法;提出多应力多失效模式情况下的可靠性建模与统计分析方法。研究成果可为其它高可靠长寿命机电系统的可靠性评估与寿命预测提供理论基础与技术支撑。
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