3.1 引言

可靠性评估是产品寿命预测的重要内容之一，其关注的是产品总体寿命分布情况，该工作对于持续改进产品设计、提高产品质量水平至关重要。可靠性试验是获取评估数据的重要手段。可靠性试验分为寿命试验和退化试验，后者因试验时间短、试验信息更加丰富，近年来越来越受到工程人员的青睐。按照对试验应力控制方式的不同，退化试验可以分为非加速退化试验和加速退化试验两类。非加速退化试验模拟产品实际工作过程中的应力条件，对产品的真实退化过程描述更为精准。但是，产品在实际工作过程中的某些应力（如负载、温度等）随时间不断变化，其应力剖面非常复杂，在实验室条件下往往很难将上述真实应力剖面模拟再现。因此，工程人员有时也会用恒定应力或准恒定应力代替实际工作应力，称为常应力退化试验 ^[11] 。此外，若产品寿命较长，退化过程十分缓慢，可通过提高应力水平的方式加速产品性能退化，称为加速退化试验。加速退化试验中常见的加速应力形式有恒定应力、步进应力、序进应力、周期应力等。

目前，常见性能退化建模方法大多是针对实验室条件下的常应力退化试验和加速退化试验数据的。上述退化试验有一个共同特点，即在实验室环境下，通过一些应力施加装置（如恒温箱）将事先设计好的应力剖面施加到产品上，无论是恒定应力、步进应力、序进应力还是周期应力，应力随试验时间的变化规律都是比较确定的。相比实验室环境，产品在现场工作条件下所经历的应力剖面往往更为复杂，且其随时间的变化规律呈现出不确定性的特点。例如，锂离子电池在工作过程中，受到外界环境、自身内部电化学反应等多种因素共同影响，电池表面温度随时间不断变化，且这种温度变化无法用某种确定性函数描述和建模。本章将这种随时间不断变化且无确定性规律的应力剖面定义为复杂应力剖面。如果产品性能退化过程对应力变化非常敏感，在对复杂应力剖面下的退化数据建模时就必须考虑应力变化给退化过程带来的影响。研究复杂应力剖面下的性能退化建模方法优点如下。

（1）传统常应力退化试验和加速退化试验需要在实验室条件下开展，相应的高精度应力控制设备必不可少，因此试验费用较高。相比之下，在现场条件下开展退化试验无须严格控制应力，只需要一些传感器实时记录应力变化即可，故试验费用相对较低。

（2）产品在使用过程中经历的应力剖面大多是时变的，现场条件下积累了大量的复杂应力剖面下性能退化数据，这些现场数据可以为产品可靠性评估提供更为丰富的数据来源。

复杂应力剖面广泛存在于现场工作环境中。但是，建模过程较为困难，目前针对复杂应力剖面下退化数据的性能退化建模和可靠性评估方法的研究还比较少。在工程上，人们在处理复杂应力剖面下退化数据时，通常将复杂应力简化为恒定应力，用应力均值代替真实应力，而忽略其变动性。这种方法虽然可以简化建模过程，但有时会降低模型精度，造成可靠性评估结果不够精确。为了弥补上述方法的不足，一些学者针对复杂应力剖面下的退化数据提出了一些新的退化模型。例如，Liao等 ^[136] 提出了一种适用于现场随机应力下退化数据的产品可靠性评估方法，该方法假设应力均值和方差都会影响退化速率；Ozekici ^[137] 认为复杂应力剖面下的每次应力变化可以看作一次随机冲击，首先使用半马尔可夫过程对应力变化进行建模，进而实现性能退化建模；Rafiee等 ^[138] 将一次应力变化看作一次外部冲击，认为一次冲击既会造成性能参数突变，又会改变性能参数退化速率，并基于此建立了一种冲击-退化竞争失效模型；王越等 ^[139] 对非恒定应力下的产品加速寿命试验数据处理方法进行了研究，其思想可以引入复杂应力剖面下的退化数据建模中；Yang ^[140] 提出了一种现场条件下的产品可靠性评估方法，其在建模过程中假设应力是服从某种随机分布的。

上述方法在退化建模时有一个共同的假设，即认为产品性能退化速率会受到应力影响，高应力会加速产品退化。然而，对于一些产品，应力除了会影响退化速率，还与性能参数测量值之间存在很强的相关性，即应力突变不但会改变退化速率，还会造成性能参数值突变。因此，在对复杂应力剖面下退化数据进行建模时，既要考虑应力对退化率的影响（称为应力加速效应），同时还要考虑应力与性能参数之间的相关性（称为应力补偿效应）。 nZKKy3QYlk/DUkdq2F3oYgQS6m2tMg7fRWBK8DYANmKXQwWFfPECFB5bXD9QfbS0