5.2 - Variáveis de Estresse

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Variável de estresse é aquela que, utilizada em um teste em níveis diferentes daqueles considerados em condições normais de uso (normalmente em níveis mais elevados), encurta o tempo até a falha do produto ou material. Retomemos o exemplo das memórias de computador do tipo RAM. Sabemos que, para esse dispositivo, a tensão nominal de uso é 5 volts e quando utilizada a níveis mais elevados a tensão acelera a degradação do produto. Portanto, tensão é uma variável de estresse para essas memórias. Para produtos alimentícios, temperatura e umidade são, em geral, variáveis de estresse.

 

Formas de Aceleração de Testes

 

De modo geral, aceleramos um teste submetendo as unidades à níveis mais altos de estresse do que aqueles encontrados nas condições normais de uso. Em outras palavras, escolhemos níveis para as variáveis de estresse bem mais altos do que aqueles aos quais os produtos são submetidos em condições normais de uso (certos testes podem ser acelerados usando níveis baixos para as variáveis de estresse no entanto, isso não é muito comum). As formas de aceleração podem ser divididas de acordo com dois tipos de variáveis de estresse:

Aceleração por alta taxa de uso 

Nesse caso, a variável de estresse é o uso. O produto é colocado em operação porém, com uma taxa de uso mais elevada do que a normal. Isso pode ser feito de duas maneiras:

velocidade mais alta - por exemplo, coloca-se um motor em funcionamento a uma velocidade mais alta do que ele funcionaria normalmente;
redução do tempo de descanso - nesse caso, o mecanismo automático de acionamento de vidro é um exemplo típico. Deixa-se o mecanismo funcionando por um certo número de ciclos maior que o número diário esperado. Outro exemplo é o de uma máquina de lavar roupas. Em uma residência, acredita-se que ela fica em funcionamento uma ou duas horas por dia. Em um teste, poderíamos colocá-la em funcionamento por 24 horas, ininterruptamente.

 

Aceleração por altos níveis de estresse

 

Nesse caso, o produto é submetido a níveis elevados das variáveis de estresse com o objetivo de encurtar o tempo de vida ou degradar a performance do produto de maneira mais rápida. Nesse tipo de aceleração as variáveis de estresse podem ser definidas como temperatura, voltagem, vibração, entre outras.

Para alguns tipos de materiais e produtos já é possível ter uma ideia de quais são as variáveis de estresse mais comuns. Alguns exemplos são apresentados nas Tabelas 5.2.1 e 5.2.2.

Tabela 5.2.1: Exemplos de Materiais, Medidas de Performance e Variável de Estresse.

Materiais Medida de Performance Variável de Estresse
1. metais trinca, corrosão, oxidação temperatura, umidade, sal
2. dielétricos e isolantes tempo até a falha, alongamento temperatura, voltagem, vibração
3. alimentos e drogas tempo de estocagem, pH reações químicas específicas temperatura, umidade, radiação solar
4. plásticos propriedades mecânicas, firmeza da cor temperatura, vibração, choque

Tabela 5.2.2: Exemplos de Produtos, Medidas de Performance e Variáveis de Estresse.

Produtos Medida de Performance Variável de Estresse
1. semicondutores e componentes microeletrônicos tempo até a falha e características de operação temperatura, corrente, voltagem, umidade, pressão
2. capacitores tempo até a falha temperatura, voltagem, vibração
3. resistores tempo até a falha temperatura, voltagem, vibração
4. contatos elétricos corrosão, tempo até a falha temperatura, umidade, corrente
5. lâmpadas tempo até a falha, eficiência, luminosidade voltagem, temperatura, choque (elétrico ou mecânico)

 

Formas de Aplicação de Carga (ou Nível) de Estresse

 

A carga de estresse em um teste acelerado pode ser aplicada de várias maneiras. Ressaltamos que essas formas só se aplicam para o segundo tipo de variável de estresse discutido no tópico anterior, isto é, outras variáveis que não o "uso". A seguir apresentamos algumas formas de aplicação de carga de estresse.

Constante: é o tipo mais comum. Cada unidade é submetida à um nível de estresse constante. Note que, para que possamos modelar os dados obtidos devemos utilizar vários níveis de estresse. No entanto, uma vez fixado o nível de estresse para uma determinada unidade, está ficará submetida a este nível até o final do teste. As vantagens dessa forma de aplicação de estresse vão desde a simplicidade da realização do teste até o uso de modelos simples na análise dos resultados. Os modelos com base em estresse constante estão definidos na literatura e empiricamente verificados para alguns materiais e produtos. A análise dos dados para estimação das funções de confiabilidade também está bem definida e disponível em pacotes computacionais. Devido ao fato de que muitos produtos, quando em uso, estão submetidos a níveis de estresse constante, seria razoável nos concentrarmos nessa forma de aplicação de carga de estresse.
Escada ("step stress"): cada unidade é submetida a um nível de estresse por um período de tempo. Se a unidade não falhar, o nível de estresse é elevado para um novo patamar e o procedimento se repete. Portanto, nessa forma de aplicação de carga, o nível de estresse é aumentado em pequenos "degraus" até que ocorra a falha. A principal vantagem do "step stress" é submeter cada unidade rapidamente à ocorrência de falha. Por outro lado, sua maior desvantagem está na estimação das medidas de confiabilidade. A maioria dos produtos em condições normais de uso é submetida a uma carga constante e não do tipo "escada". Portanto o modelo deve, de maneira adequada, levar em consideração o efeito acumulativo da exposição a estresses constante. Uma outra desvantagem do "step stress" é que os modelos de falha que ocorrem nos patamares mais altos, em geral, diferem daqueles que ocorrem em condições normais de uso.
Progressivo: cada unidade é submetida a um nível crescente de estresse, porém esse aumento não é feito em patamares mais progressivamente. O uso de testes com estresses progressivo apresenta as mesmas vantagens e desvantagens do tipo "escada". Além disso, pode ser difícil em um teste acelerado controlar o aumento progressivo do nível de estresse.

 

Considerações Importantes para a Realização de um Teste Acelerado

 

A validade e a precisão das informações oriundas de um teste acelerado dependem do cuidado com o planejamento e a realização do mesmo. Este é um trabalho que deve ser desenvolvido de forma conjunta, por Engenheiros e Estatísticos. A seguir, listamos alguns elementos importantes, que bem definidos, garantirão a validade e precisão das informações. Lembrando que, estamos tratando de testes acelerados para estimação das medidas de confiabilidade do produto em condições de projeto.

Escolha da medida de performance: para muitos produtos já existem normas técnicas que definem quais são as medidas de performance a serem utilizadas e como medi-las. As medidas de performance para alguns materiais e produtos são apresentadas nas Tabelas 5.2.1 e 5.2.2 descritas acima. Em terminologia estatística, a medida de performance é chamada de variável resposta.
Definição de "falha": é importante que fabricante e consumidor concordem antecipadamente com a definição de falha para evitar problemas futuros.
Determinação de Condições Realistas de Teste: o ideal é que um teste acelerado simule com precisão as condições reais de uso, exceto pelos níveis utilizados da variável de estresse. No entanto, apesar dos esforços, muitos testes diferem das condições reais de uso. Sendo assim, os Engenheiros assumem (baseados em experiência) que um produto cuja performance é boa nos testes terá boa performance em uso.
Definição das Variáveis de Estresse: nesse caso, nos deparamos com o fato de que, para muitos produtos, existem padrões/normas para os testes e para os estresses de aceleração. Alguns exemplos desses padrões/normas de variáveis de estresses são apresentados nas Tabelas 5.2.1 e 5.2.2. Contudo, para outros produtos pode não haver padrão estabelecido. Nesse caso, é preciso determinar os estresses apropriados por meio de experimentação. Há casos ainda que pode ser conveniente e/ou necessário utilizar mais do que uma variável de estresse, sendo de fundamental importância reconhecer qual estresse, de fato, diminui o tempo de vida do produto.
Definição da Forma de Aplicação da Carga de Estresse: a escolha da forma de aplicação de carga de estresse (constante, escada, etc.) depende de como o produto é sobrecarregado nas condições de uso e de limitações práticas e teóricas. No entanto, como já discutimos, o estresse constante é preferível sobre os outros tipos.
Escolha do Plano Experimental: um plano experimental é formado por três elementos, discutidos a seguir. Portanto, escolher um plano experimental significa:
determinar os níveis de estresse: os níveis de estresse que são utilizados não devem ser tão altos a ponto de produzir novas falhas nas condições de projeto. Mesmo assim, os níveis devem ser altos o suficiente para provocar o aparecimento das falhas ativas no projeto. Isto requer uma experimentação adequada, anterior ao teste, para que os níveis de estresse possam ser bem definidos,
determinar o tamanho da amostra: determinar quantas unidades no total serão submetidas à teste,
determinar a proporção de alocação: dada uma amostra com n unidades e o número de níveis de estresse, devemos determinar quantas unidades serão testadas em cada nível. A engenharia tradicional, fixa um total de três a quatro níveis de estresse e aloca o mesmo número de unidades para cada nível. Essa prática gera resultados menos precisos do tempo de vida em níveis baixos, uma vez que as falhas ocorrem com menor frequência. Nos níveis mais baixos, uma quantidade maior de unidades devem ser submetidas à teste do que nos níveis mais altos.

 

 

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