文 | 工業(yè)和信息化部電子第五研究所 袁 敏 王 忠
涂裝工藝組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)綜述
文 | 工業(yè)和信息化部電子第五研究所 袁 敏 王 忠
本文介紹了組合/綜合試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展歷程及標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用情況,論述了研究涂裝工藝組合/綜合試驗(yàn)技術(shù)的必要性,對(duì)試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法及其技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了深入剖析,并介紹了幾種試驗(yàn)結(jié)果相互關(guān)系的分析方法。
涂裝工藝;組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)過(guò)程中,將多種環(huán)境因素順序作用稱為組合試驗(yàn)(Composite Test),多種環(huán)境因素的同時(shí)或綜合作用稱為綜合試驗(yàn)(Combined Test)[1]。
大型/復(fù)雜裝備在其整個(gè)壽命期歷程中,往往要經(jīng)受各種環(huán)境因素或綜合作用的影響。為了能夠盡量反映裝備在預(yù)定壽命期環(huán)境中功能、性能表現(xiàn),實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)需要盡量再現(xiàn)裝備所經(jīng)受的真實(shí)環(huán)境或環(huán)境影響效應(yīng)。通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)獲取的自然環(huán)境數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用于裝備的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)。因此,需要對(duì)自然環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、剪裁和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[2]。對(duì)大型/復(fù)雜電子裝備而言,各組件、結(jié)構(gòu)件、設(shè)備之間環(huán)境因素及環(huán)境應(yīng)力復(fù)雜而多樣,多環(huán)境因素的組合/綜合產(chǎn)生的協(xié)合影響效應(yīng)(Synergistic Effect)不容忽視[3]。本文將重點(diǎn)介紹裝備涂裝工藝組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)的必要性、試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及結(jié)果對(duì)比評(píng)價(jià)方法。
2.1.展歷程
隨著裝備研制的環(huán)境適應(yīng)性要求不斷提高,實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)已經(jīng)從單因素模擬向多因素的組合/綜合模擬發(fā)展,環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備也從過(guò)去的單一型不斷發(fā)展為復(fù)雜型、綜合型。
早在上世紀(jì)40年代,美國(guó)就在佛羅里達(dá)空軍基地建立了著名的麥金萊氣候?qū)嶒?yàn)室(McKinley Climatic Laboratory),同期為美軍B-29,P-51,P-38和R-5D等型號(hào)開展了多種氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)。麥金萊試驗(yàn)室8個(gè)大型氣候試驗(yàn)室,其中主氣候試驗(yàn)室容量最大、控制系統(tǒng)最為復(fù)雜,能夠綜合模擬高低溫、風(fēng)、雪、凍雨、結(jié)冰等復(fù)雜氣候環(huán)境。麥金萊氣候試驗(yàn)室具有優(yōu)越的試驗(yàn)?zāi)芰驮囼?yàn)條件控制功能,成立以來(lái),已為美軍55%的武器裝備開展了多項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)[4]。
氣候試驗(yàn)室的卓越表現(xiàn),使美軍裝備的研制取得了事半功倍的效果,彌補(bǔ)了野外生存訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)的不足。為此,美軍不斷加大了對(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的投資。
上世紀(jì)70年代,美軍開始針對(duì)各軍兵種的武器裝備特點(diǎn),在不斷組合原有試驗(yàn)室的同時(shí),建立相應(yīng)的氣候試驗(yàn)室,并逐漸重視力學(xué)環(huán)境與氣候環(huán)境的綜合作用。同一時(shí)期,英國(guó)國(guó)防部也針對(duì)某些大型/復(fù)雜裝備的試驗(yàn)需求,斥巨資建立了一系列具有先進(jìn)試驗(yàn)?zāi)芰Φ木C合環(huán)境試驗(yàn)室。例如英海軍部門1974年建立的馬可尼雷達(dá)系統(tǒng)試驗(yàn)中心,具有溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、搖擺、淋雨、鹽霧、太陽(yáng)輻射等試驗(yàn)?zāi)芰?,有效的試?yàn)區(qū)容積約為788m3,能安裝重量最大約為8t的裝備進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)[5]。
至上世紀(jì)90年代,美軍已經(jīng)系統(tǒng)地為陸軍、海軍、空軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)四大軍種陸續(xù)建立了試驗(yàn)室。著名的麥金萊試驗(yàn)室,發(fā)展成為可以對(duì)30多種氣候環(huán)境、天氣條件進(jìn)行研究和模擬,對(duì)多種復(fù)雜環(huán)境因素進(jìn)行組合/綜合的大型試驗(yàn)室,試驗(yàn)對(duì)象涉及坦克、裝甲車、飛機(jī)、大型水面艦艇等,組合/綜合模擬試驗(yàn)室還同時(shí)應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[6][7][8]。
2.2.準(zhǔn)應(yīng)用情況
目前,GB/T 2423和GJB 150/GJB 150A等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了少數(shù)組合/綜合試驗(yàn)項(xiàng)目,例如GJB 150中的溫度-高度、太陽(yáng)輻射、濕熱、溫度-濕度-高度、溫度-濕度-振動(dòng)-高度和振動(dòng)-噪聲-溫度等試驗(yàn),GJB 150A中規(guī)定的組合/綜合試驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量則更多[9][10][11]。
組合/綜合試驗(yàn)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的能力提出了新的技術(shù)要求。實(shí)際上,盡管各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中提出了明確的組合/綜合試驗(yàn)方法,但標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)試驗(yàn)作強(qiáng)制性的實(shí)施要求。一方面由于組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)過(guò)程中引起的裝備故障原因難以確定,需要采取更先進(jìn)的分析手段;另一方面由于某些組合/綜合試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜,購(gòu)買、維護(hù)費(fèi)用較高。正因?yàn)槿绱?,GJB 150.1和GJB 150.1A對(duì)綜合環(huán)境試驗(yàn)均做出了以下說(shuō)明:“綜合環(huán)境試驗(yàn)可能比一系列連續(xù)的單個(gè)試驗(yàn)更能代表實(shí)際環(huán)境效應(yīng)。使用環(huán)境中遇到這些條件時(shí),鼓勵(lì)進(jìn)行綜合環(huán)境試驗(yàn)?!?/p>
即便標(biāo)準(zhǔn)未作強(qiáng)制性規(guī)定,由于組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)某些單因素試驗(yàn)條件下不會(huì)產(chǎn)生的故障模式,為裝備環(huán)境適應(yīng)性和可靠性提供了最直接的驗(yàn)證途徑,因此在裝備的研制、生產(chǎn)、定型、交付過(guò)程中,組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)仍然越來(lái)越多地在各類試驗(yàn)中開展。
涂裝工藝的防護(hù)性能,是裝備在環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)初始階段必須考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。GB/T 2423和GJB 150/GJB 150A等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的組合/綜合試驗(yàn)方法,除濕熱試驗(yàn)、太陽(yáng)輻射試驗(yàn)外,大多針對(duì)于設(shè)備或組件的環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證,并不能直接適用于涂裝工藝的篩選、驗(yàn)證試驗(yàn)。特別地,在某些環(huán)境條件惡劣的地區(qū),現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的組合/綜合試驗(yàn)方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能體現(xiàn)涂裝工藝受壽命期預(yù)定環(huán)境條件下的影響效應(yīng)。例如我國(guó)南海海域,具有常年高溫、高濕、高鹽霧、高太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及霉菌生長(zhǎng)活躍的典型熱帶海洋氣候環(huán)境特點(diǎn),各種環(huán)境因素之間具有明顯的協(xié)合影響作用。高溫、高濕會(huì)加快鹽霧對(duì)腐蝕速率和太陽(yáng)輻射的老化效應(yīng),鹽霧與太陽(yáng)輻射之間的協(xié)合作用也不容忽視。如果采用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法對(duì)涂裝工藝進(jìn)行試驗(yàn),并以此試驗(yàn)結(jié)果作為其防護(hù)性能的決定標(biāo)準(zhǔn),則不能體現(xiàn)這些協(xié)合作用產(chǎn)生的影響。
研究涂裝工藝的組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)方法,可以更有效地發(fā)現(xiàn)涂裝工藝選材、設(shè)計(jì)、防護(hù)缺陷,對(duì)裝備使用過(guò)程中的表面防護(hù)、使用維護(hù)維修具有很好的參考指導(dǎo)作用。
實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境試驗(yàn)可以快速地提供試驗(yàn)結(jié)果,但不能對(duì)實(shí)際環(huán)境條件進(jìn)行精確而全面地模擬,其試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間存在差異性和不確定性;在一定條件下,自然環(huán)境試驗(yàn)的結(jié)果比較真實(shí),但缺陷是獲得試驗(yàn)結(jié)果一般需要較長(zhǎng)的時(shí)間,且需要專門的場(chǎng)地,環(huán)境惡劣地區(qū)的試驗(yàn)場(chǎng)地建設(shè)和維護(hù)都相當(dāng)困難,不方便開展試驗(yàn)。因此,研究制定涂裝工藝的組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)方法,必須將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)與自然環(huán)境試驗(yàn)結(jié)合在一起進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)自然環(huán)境條件的主要環(huán)境影響因素進(jìn)行分析,確定各環(huán)境因素對(duì)涂裝工藝的影響機(jī)理,在組合/綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出主要的環(huán)境因素和次要環(huán)境因素的試驗(yàn)量值及試驗(yàn)時(shí)間比例,并采用合理的方法分析兩種試驗(yàn)之間的相互關(guān)系。
4.1.境影響因素的確定
影響產(chǎn)品功能和性能的環(huán)境因素是多方面的,各個(gè)地區(qū)的主要環(huán)境影響因素均不相同。要通過(guò)收集實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù),并充分分析各環(huán)境因素的量值和作用時(shí)間或頻率,才能確定各環(huán)境因素的影響程度。
4.1.1.定環(huán)境影響
需要對(duì)單項(xiàng)環(huán)境因素的影響進(jìn)行分析,了解它們對(duì)涂裝工藝的影響效應(yīng),確定組合/綜合試驗(yàn)開展的項(xiàng)目。例如,東南海海區(qū)環(huán)境具有典型熱帶海洋環(huán)境氣候特點(diǎn),影響涂裝工藝的主要環(huán)境條件包括太陽(yáng)輻射、溫度、濕度、鹽霧、霉菌、氧氣等。
4.1.1.1.陽(yáng)輻射。涂裝工藝材料一般都是采用有機(jī)高分子材料,太陽(yáng)光紫外線部分的光能量能夠切斷有機(jī)高分子材料中的化學(xué)鍵。太陽(yáng)光中的紅外線能產(chǎn)生熱效應(yīng),使材料溫度上升,加速有機(jī)材料的老化。
4.1.1.2.度。東南海常年高溫,高溫環(huán)境對(duì)有機(jī)高分子材料的老化具有加速作用。
4.1.1.3.度和鹽霧。東南海區(qū)大氣持續(xù)的高濕度環(huán)境,使有機(jī)材料表面容易形成水膜,海上含鹽水分又能滲入有機(jī)材料內(nèi)部,加速材料的老化。
4.1.1.4.菌。東南海區(qū)持續(xù)的高溫和高濕,特別適合霉菌生長(zhǎng)和繁殖。霉菌可以分解有機(jī)高分子材料的某些化合物,代謝物還可與某些有機(jī)分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致有機(jī)材料性能的劣化。
需要指出的是,并不是所有的組合/綜合環(huán)境因素都能對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生更嚴(yán)酷的影響效應(yīng)。對(duì)涂裝工藝而言,溫度、濕度、鹽霧、太陽(yáng)輻射的組合/綜合會(huì)加速材料的老化,但是鹽霧與霉菌綜合時(shí),高鹽霧會(huì)殺死一部分霉菌,從而降低試驗(yàn)效果。
4.2.驗(yàn)設(shè)計(jì)原則
涂裝工藝大多數(shù)情況下都是經(jīng)受幾種環(huán)境的同時(shí)作用,是否需要把所有的單項(xiàng)環(huán)境因素都作為組合/綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的考慮因素,如何對(duì)單項(xiàng)環(huán)境因素進(jìn)行科學(xué)地組合/綜合,是組合/綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。一般來(lái)講,組合/綜合設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則:
表2.勻正交設(shè)計(jì)表[14]
表3.勻正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)示例
4.2.1.因素組合/綜合試驗(yàn)要與自然環(huán)境試驗(yàn)有較好的相關(guān)性,并具有一定的加速性,因此應(yīng)將具有放大效應(yīng)的環(huán)境因素進(jìn)行組合/綜合;
4.2.2.因素的組合/綜合方式(環(huán)境因素和量值)會(huì)有多種,因此在設(shè)計(jì)試驗(yàn)剖面時(shí)應(yīng)盡量以國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和研究成果為基礎(chǔ),減少試驗(yàn)的組合/綜合次數(shù)和試驗(yàn)量值設(shè)置的盲目性;
4.2.3.合/綜合試驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)以現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)條件為基礎(chǔ),排除一些不合實(shí)際的組合/綜合方法。
4.3.驗(yàn)方法設(shè)計(jì)
組合/綜合試驗(yàn)中涉及的環(huán)境因素較多,各環(huán)境因素又有多個(gè)應(yīng)力水平,因此,僅僅采用4.2.2中的設(shè)計(jì)原則仍然會(huì)產(chǎn)生太多的組合/綜合試驗(yàn)組。如果對(duì)試驗(yàn)組進(jìn)行全面試驗(yàn),試驗(yàn)實(shí)施和數(shù)據(jù)分析變得復(fù)雜而繁瑣,帶來(lái)不必要的工作量和試驗(yàn)成本。
日本統(tǒng)計(jì)學(xué)家田口(Taguchi)在提出了經(jīng)典的田口正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,我國(guó)方開泰院士對(duì)該方法進(jìn)行了深入研究[12],現(xiàn)已發(fā)展成為更精簡(jiǎn)、更實(shí)用的均勻正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(Uniformity and Orthogonality Method),并廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)各行業(yè)[13]。
均勻正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在大大減少試驗(yàn)次數(shù)的同時(shí),又可保證試驗(yàn)效果與全面試驗(yàn)的效果相近。表2是一種二因素五水平的均勻正交表。
用表2對(duì)溫度、太陽(yáng)輻射綜合試驗(yàn)進(jìn)行均勻正交設(shè)計(jì),各組試驗(yàn)如表3所示。
溫度(℃):38,40,43,47,50;
輻照度(W/m2):0.55,0.58,0.60,0.65,0.68。
組合/綜合試驗(yàn)的直接目的是為了使實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)環(huán)境更接近于真實(shí)環(huán)境,因此需要分析實(shí)驗(yàn)室組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果的相互關(guān)系。相互關(guān)系可通過(guò)相關(guān)性和加速性來(lái)表示。如果相關(guān)性高,則說(shuō)明兩種試驗(yàn)方法所取得的試驗(yàn)結(jié)果差異較小,對(duì)實(shí)際結(jié)果的預(yù)示性就較一致。在相關(guān)性較高的前提下,提高加速性,就會(huì)使實(shí)驗(yàn)室組合/綜合試驗(yàn)方法更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
5.1.性分析
定性分析的主要方法是對(duì)試驗(yàn)中性能檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理,繪制成圖表形式,直觀分析兩種試驗(yàn)條件下性能檢測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,對(duì)比兩種試驗(yàn)的相互關(guān)系。
5.2.量分析
定量分析是比較常用的相關(guān)性分析方法,[15][16]通過(guò)對(duì)不同種試驗(yàn)產(chǎn)生的性能檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算,可直接得出各種試驗(yàn)之間的相關(guān)系數(shù)和加速倍率。下面介紹幾種相互關(guān)系分析方法。
5.2.1.關(guān)性
相關(guān)性分析的方法有很多,各種相關(guān)性分析均有不同的性質(zhì)和類型,在選擇相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法的時(shí),應(yīng)根據(jù)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)的變化特點(diǎn),選擇適當(dāng)?shù)姆治龇椒ā?/p>
5.2.1.1.爾遜(Pearson)積矩相關(guān)系數(shù)法
積矩相關(guān)系數(shù)法是19世紀(jì)末英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家Karl Pearson提出來(lái)的,用于計(jì)算兩組符合正態(tài)分布或近似正態(tài)分布且具有線性關(guān)系的測(cè)量值的相關(guān)系數(shù)。該方法適用于檢測(cè)數(shù)據(jù)較多的情況下使用,且檢測(cè)數(shù)據(jù)越多,相關(guān)系數(shù)計(jì)算越準(zhǔn)確。皮爾遜積矩相關(guān)系數(shù)基本計(jì)算公式如下[17]:
其中,r為積矩相關(guān)系數(shù),XY分別表示變量X與Y的平均數(shù)。
值得注意的是,在對(duì)樣品性能檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí),一般情況下并不能確定性能數(shù)據(jù)的分布是正態(tài)分布或近似正態(tài)分布,因此,應(yīng)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn),以確定計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的。[18]
5.2.1.2.皮爾曼(Spearman)秩相關(guān)系數(shù)法
斯皮爾曼秩相關(guān)系數(shù)法是一種非參數(shù)線性相關(guān)分析,方法較皮爾遜積矩法簡(jiǎn)便,適用于小樣本容量的檢測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析。與皮爾遜積矩法相比,該方法優(yōu)點(diǎn)是對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的總體分布不做要求,缺點(diǎn)是計(jì)算精度不高。計(jì)算的基本公式為:
其中,r為相關(guān)系數(shù),D是兩個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)的秩差,n是檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)。
以上是兩種常用的相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法,兩種相關(guān)系數(shù)的計(jì)算值均不大于1,相關(guān)系數(shù)越接近于1,說(shuō)明兩種方法的相關(guān)性越好。
5.2.2.速性
加速性可用加速因子(AF)表示。在取得相同的性能檢測(cè)結(jié)果的情況下,采用一種試驗(yàn)方法試驗(yàn)了h1小時(shí),采用另一種試驗(yàn)方法試驗(yàn)了h2小時(shí),加速因子AF= h1/h2;或者在試驗(yàn)相同的時(shí)間時(shí),把獲得的性能檢測(cè)結(jié)果p1與p2之比定義為加速因子,即AF= p1/p2。加速因子越大,說(shuō)明試驗(yàn)的加速性越高。
6.1.行的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的組合/綜合試驗(yàn)項(xiàng)目并不全能直接適用于裝備涂裝工藝的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),研究涂裝工藝的實(shí)驗(yàn)室組合/綜合試驗(yàn)具有重要的實(shí)用意義。
6.2.合/綜合試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)應(yīng)全面考慮涂裝工藝預(yù)期壽命環(huán)境剖面中的主要環(huán)境影響因素,根據(jù)環(huán)境影響因素實(shí)測(cè)值確定各因素的應(yīng)力水平,然后采取一定的原則,設(shè)計(jì)科學(xué)合理的試驗(yàn)方法。
6.3.擇合理的結(jié)果分析方法,對(duì)實(shí)驗(yàn)室組合/綜合試驗(yàn)與自然環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)性分析,并驗(yàn)證分析結(jié)果。
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Overview of Composite and Combined Environmental Test for Military Equipment Coating
Evolution history and related standards application of the composite and combined environmental test technology were both introduced in this paper. The necessity of research on composite and combined environmental test for military equipment coating was also discussed. Furthermore, designing methods and principles of the test as well as its technical difficulties were analyzed, correlation analyzing plan was laid out in the end.
equipment coating;composite and combined environmental test
袁敏,男,1986年生,工業(yè)和信息化部電子第五研究所工程師,主要從事環(huán)境試驗(yàn)及試驗(yàn)技術(shù)研究工作。王忠,男,1968年出生,工業(yè)和信息化部電子第五研究所科技委委員、高級(jí)工程師,主要從事可靠性與環(huán)境適應(yīng)性理論和工程技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)制修訂等工作。