随着市场竞争日益激烈,产品除了功能和性能,可靠性也已经成为一项重要的评价指标。对于生产厂家,提升产品可靠性、降低产品失效的不确定性将有助于增强其品牌溢价能力,是提升产品竞争力和企业效益的重要途径。因此,近年来对产品可靠性问题的研究受到了来自学术界和工业界的普遍关注。随着检测技术的进步和对产品失效机理认识的不断深入,越来越多产品的失效可以归因于其性能退化,基于性能退化的可靠性分析已经成为该领域的研究热点之一。本课题来源于国家重大科学设备仪器开发专项“大功率半导体激光器综合测试仪器”。大功率半导体激光器是激光产业的核心部件,是一种典型的性能退化器件。激光器输出光功率随着工作时间的增加会逐渐减弱,直至无法满足应用需求,发生退化失效。本文以半导体激光器为背景,围绕退化系统(产品)的可靠性建模、剩余寿命预测、老练策略优化以及大功率半导体激光器可靠性测试仪器的开发等问题展开研究,主要内容如下:1.研究了基于故障率的退化系统建模与应用。采用故障率递增特性刻画系统自身退化过程,采用随机冲击模型刻画外部环境对系统自身退化过程的影响,基于有效役龄的方法推导出了系统的可靠性模型。提出了一种融合预防性维修和恢复性维修的混合维修策略,并以优化产品长期可用度和平均维修费用为目标对维修策略进行了多目标优化。2.研究了基于逆高斯过程的退化系统建模与剩余寿命预测问题。采用逆高斯过程对系统的退化过程进行建模,引入随机效应参数刻画个体间的退化特性差异,采用双参数环境应力协变量刻画实际环境应力和工作负荷,并推导出了非线性形状函数条件下的剩余寿命分布。根据贝叶斯定理对随机效应参数进行在线更新,实时估计当前工作应力,进而得到当前工作应力下的剩余寿命。该模型在考虑个体差异的同时能够有效地描述实际工作应力对系统固有退化过程的影响,最终通过参数在线更新进一步提高了剩余寿命预测精度。3.研究了具有退化特性产品的老练策略建模与优化问题。对于退化失效的产品,老练试验会导致参与试验的所有产品的性能发生退化,进而影响合格品平均剩余寿命。本文突出了试验过程对产品性能退化的影响,提出了一种最小化老练成本和最大化剩余寿命的老练策略优化模型。采用带有时移特性的维纳过程刻画系统的非线性退化路径,基于退化量构建了以老练试验时间和筛选阈值作为决策变量的老练筛选模型,推导出了试验成本和平均剩余寿命两个维度的目标函数,采用进化算法实现老练策略的双目标优化,并通过仿真实验验证了该方法的有效性。4.依据大功率半导体激光器的光电特性和退化特征,研发了一套基于现场总线的分布式大功率半导体激光器可靠性测试与老练筛选系统。从测试系统的总体结构、硬件电路、控制算法以及可靠性数据分析等方面详细介绍了该系统的设计与实现,并通过测试验证了其高效电流控制与可靠性测试等功能。本系统实现了激光器温度和电流的双应力测试,可用于大功率半导体激光器的加速退化试验、老练筛选试验和寿命测试等多种可靠性试验。