一种基于装备环境剖面及环境当量分析的环境试验条件剪裁方法及环境试验控制系统

技术领域

本发明属于环境试验技术领域，具体涉及一种基于装备环境剖面及环境当量分析的环境试验条件剪裁方法，以及采用该剪裁方法的环境试验控制系统。

背景技术

针对装备或其部件/材料开展环境试验时，涉及的剪裁是一个选择或改变试验程序、试验条件、试验量值的过程，其目的是能够帮助确保装备在其寿命期内预期遇到的特定环境方面不会出现过设计和欠设计、过试验和欠试验，使给定装备制造出来并经过试验后能在整个寿命期内经历的各种环境因素和量值的影响下可靠地工作。

目前，速环境试验条件的剪裁主要基于极值和实测值来开展环境应力选择。前者试验应力选择偏向极值，但装备往往不是一直在极值条件下使用或者贮存，采用该方法极值的试验强度与实际服役差异较大，产品需要满足更高的环境强度，研制方增加额外的成本；后者需要大量的实测数据，对于新产品来说，最缺少的就是实测数据，只在研制初期或者样机阶段有少量实测数据，少量实测数据不能代表一般性，后一种方法在新产品开展试验时逻辑层面存在一定缺陷。更关键地是，采用现有方法不能快速对新研制的使用于多个区域的装备进行试验评估。

现有文献CN113933086B提供了实验室内飞机整机低温环境试验条件剪裁优化方法，包括步骤：飞机关键运动机构的性能定量分析；低温环境试验条件剪裁；低温环境中飞机关键运动机构的性能定量测量；剪裁温度数据的修正；确定停发后飞机的冷浸透时间；优化实验室内飞机整机低温环境试验条件试验谱。然而，该方案只是针对飞机整机低温环境试验条件剪裁优化，并不能量化地表征装备寿命内面临的环境当量，以及准确确定环境试验条件。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于装备环境剖面及环境当量分析的环境试验条件剪裁方法，该方案不仅能量化地表征装备寿命内面临的环境当量，以及准确确定环境试验条件，而且克服了(极值和实测)两种方法的不足，可以获得其在选定环境下的损伤效应，并以当量关系辅助判断被试品同类环境却有着不同量值水平下的适应性，该方案对装备产品特别是对于新装备产品的环境试验应力选择确定方面更加合理可行，环境适应性设计和试验效率更高。

为了实现上述目的，本发明采用如下所述技术方案。

一种基于装备环境剖面及环境当量分析的环境试验条件剪裁方法，步骤包括：

步骤1，根据装备服役区确定试验环境因素；

步骤2，结合已确定的试验环境因素，获取其对应的环境当量和环境当量级别；

步骤3，根据式(Ⅰ)获取环境当量转化系数，

式中，F表示环境当量转化系数；W

步骤4，根据式(Ⅲ)获取装备各环境剖面的环境试验倍服役时长K。

K＝1/F……………………………(Ⅲ)

进一步地，该方法还包括步骤5和步骤6：

步骤5，根据式(Ⅱ)获取装备的试验环境总当量，

W＝L×I×F×(1+E)………………………………(Ⅱ)

式中：W表示装备的试验环境总当量；T表示装备所要经历环境的时间长度(通常以年为单位)；I表示装备服役区的环境当量基准值；F表示环境当量转化系数；E表示扩展系数，通常取年值与年均值的相对标准偏差高者，一般情况下E取0.10；

步骤6，结合前述环境当量转化系数和试验环境总当量，建立装备试验环境推荐表，并根据试验环境总当量确定加速试验条件。

作为优选方案，所述环境当量转化系数包括按地理区域划分的贮存积温环境当量转化系数、按地理区域划分的温湿耦合环境当量转化系数、按环境类型划分的湿热耦合环境当量转化系数、按地理区域划分的大气温度-太阳辐照的环境当量转化系数、按环境类型划分的大气温度-太阳辐照当量转化系数。

本发明另一目的在于提供一种能够快速、准确确定环境试验条件环境试验控制系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序；其特征在于：

所述程序包括可运行的试验环境因素数据模块、环境当量及其转化系数数据模块、计算模块、输入模块和输出模块；

其中，试验环境因素数据模块包括可读取、调用的表1中内容；

表1试验环境因素

其中，环境当量及其转化系数数据模块包括可读取、调用的表2至表6中内容；

表2按地理区域划分的贮存积温环境当量及其转化系数

表3按地理区域划分的温湿耦合环境当量及其转化系数

表4按环境类型划分的湿热耦合环境当量及其转化系数

表5按地理区域划分大气温度-太阳辐照的环境当量及其转化系数

表6按环境类型划分大气温度-太阳辐照当量及其转化系数

其中，计算模块用于先按照式(Ⅱ)计算出试验环境总当量，

W＝L×I×F×(1+E)………………………………(Ⅱ)

式中：W表示装备的试验环境总当量；T表示装备所要经历环境的时间长度；I表示装备服役区的环境当量基准值；F表示环境当量转化系数；E表示扩展系数，通常取年值与年均值的相对标准偏差高者，一般情况下E取0.10；

再根据所得试验环境总当量计算出加速试验条件；

其中，输入模块用于输入或选择待试验的装备或其部件/材料的类目、应用场景、所要经历装备服役区环境的时间长度；输出模块用于输出装备试验环境推荐表和加速试验条件；

所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

步骤1，存储器读取通过输入模块选择的装备或其部件/材料的类目、应用场景、所要经历装备服役区环境的时间长度，并将读取到的信息与存储器上存储的相关数据进行匹配；

步骤2，调用匹配好的相关数据，根据式(Ⅱ)计算出试验环境总当量W，根据所得试验环境总当量计算出加速试验条件，并根据式(Ⅲ)计算出倍服役时间K，

K＝1/F……………………………(Ⅲ)

式中：F表示环境当量转化系数；

步骤3：根据匹配好的相关数据和所得试验环境总当量、试验条件生成环境试验推荐表；

步骤4：处理器将匹配好的相关数据、计算出的试验环境总当量、加速试验条件和环境试验推荐表通过人机交互界面显示。

进一步地，在步骤3中：将匹配好的环境当量转化系数F与表7中相应信息进行匹配，并标记推荐项；

表7环境试验推荐表

有益效果：本发明提供了装备环境试验的环境剖面及环境当量分析等步骤并设计了一套完整的流程，基于装备环境剖面及环境当量分析对装备环境试验的环境条件进行剪裁，客观反应了装备寿命期环境剖面内所受主要环境因素类型，量化地表征装备寿命内面临的环境当量，不仅有助于快速选择及确定(剪裁)合适的环境应力类型与环境应力当量水平，更科学、合理地设计装备环境试验条件，提高了装备环境损伤评价与寿命评估准确性，而且能够有效缩短试验时间，适用于装备及产品环境适应性考核评价。

本发明通过将环境当量化，以固定的量化算法计入一类环境因素量值或多类环境因素组合的特征属性值，并将各同类环境进行当量归一化比较，利用该值可定量描述各种环境下该类环境应力或环境组合应力的水平，并涵盖了一般水平至极值水平的区间。在开展装备环境试验前，用户可根据自己的环境适应性要求，针对新产品选择合适的应力等级开展试验考核，而不仅仅是极值水平或仅由少量实测值确定的存在偏失性的应力水平；本发明克服了(极值和实测)两种方法的不足，可以获得其在选定环境下的损伤效应，并以当量关系辅助判断被试品同类环境却有着不同量值水平下的适应性，该方法对装备产品特别是对于新产品的环境试验应力选择确定方面更加合理可行，环境适应性设计和试验效费更高，可节省研制经费。

采用本发明方案，通过在其中一个典型地区开展环境试验后，就能够快速给出其它地区的相关试验结果，能够快速对新研制的使用于多个区域的装备进行试验评估，而无需像传统方式一样在每个地区开展标准试验，属于将现有的“点对点试验模式”改为了“点对面试验模式”，大幅节约试验成本和试验时间。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例1

一种基于装备环境剖面及环境当量分析的环境试验条件剪裁方法，步骤包括：

步骤1，根据装备服役区确定试验环境因素。

装备或其部件/材料在寿命期内必然经历不同的应用场景，不同应用场景代表不同的环境剖面，各剖面下环境因素对装备产生影响和破坏作用不尽相同。一般户外状态下，装备主要受高低温、湿热、太阳辐射等环境因素影响，而库内贮存状态下受到温度(积温)的影响更为突出，对于太阳辐照的影响较小甚至可以忽略。

本步骤中，根据装备服役区确定环境因素或者因素组合类别(简称试验环境因素)，主要分为I(单因素)、II(双因素)、III(多因素)3种类别，详见表1所示。需要特别说明的是由于试验侧重考虑的是寿命期的影响与评估，通常周期较长，故本发明中的环境当量一般采用年值作为基本特征值。当然，也不限于年值，还可以采用其他单位时长的值作为基本特征值，如月值、季度值，但在作环境当量计算时，需要采用同一单位时长的值进行当量归一化比较。

表1试验环境因素

步骤2，结合已确定的试验环境因素，获取其对应的环境当量和环境当量级别。

明确环境因素及其组合类别后，选择环境当量级别。根据统计计算完整自然年的不同气候区不同环境条件下各类环境因素及组合的累计环境当量划分为低、中低、中、中高、高五个等级，对于不同环境因素及组合进行级别划分，对于序号为1～2为低当量等级，序号3～4为中低当量等级，5～6为中当量等级，7～8为中高当量等级，9～10为高当量等级，具体环境当量划分如表2-1、表2-2、表2-3所示，按照按地理区域划分的贮存积温环境当量级别如表2-4、表2-5、表2-6所示。

表2-1按贮存温度(积温)当量及级别划分

表2-2按户外大气温度-太阳辐照当量及级别划分

表2-3按温湿度耦合当量及级别划分

表2-4按地理区域划分贮存积温环境当量级别

表2-5按地理区域划分温湿耦合环境当量级别

表2-6按地理区域划分户外大气温度-太阳辐照耦合环境当量转化级别

步骤3，计算装备在寿命期不同阶段各类环境因素的环境当量，以环境因素的环境当量表征各类环境因素在寿命期各阶段水平的高低，定义为环境当量转化系数，具体根据式(Ⅰ)获取环境当量转化系数，

式中，F表示环境当量转化系数；W

所得部分地区积温环境当量、温湿耦合环境当量、湿热耦合环境当量的转化系数见表2、表3、表4。

表2按地理区域划分的贮存积温环境当量及其转化系数

表3按地理区域划分的温湿耦合环境当量及其转化系数

表4按环境类型划分的湿热耦合环境当量及其转化系数

所得部分地区的温度-太阳辐照环境当量转化系数见表5、表6所示。

表5按地理区域划分大气温度-太阳辐照的环境当量及其转化系数

表6按环境类型划分大气温度-太阳辐照当量及其转化系数

步骤4，结合前述步骤所得环境当量转化系数以及装备所要经历环境的时间长度L(即装备在服役区的服役时间，通常以年计)，根据式(Ⅱ)获取装备的试验环境总当量，

W＝L×I×F×(1+E)………………………………(Ⅱ)

式中：W表示装备的试验环境总当量；L表示装备所要经历装备服役区环境的时间长度；I表示装备服役区的环境当量基准值；F表示环境当量转化系数；E表示扩展系数，通常取年值与年均值的相对标准偏差高者，一般情况下E取0.10。

步骤5，结合前述环境当量转化系数和试验环境总当量，建立装备环境试验推荐表，见表7所示，并根据试验环境总当量确定试验条件(根据试验环境总当量确定试验条件属于常规技术，在此不做赘述)。

表7环境试验推荐表

接下来以具体案例作进一步说明。

某新型装备因结构功能需要采用橡胶产品以及冶金粉末产品作为配件，需要通过环境试验考核摸底其在特定区域亚热带海洋大气环境以及某特定区域沙漠大气环境适应性能，需要尽快获得失效数据，以帮助制定维修及配件更换周期。

环境试验条件剪裁1

模拟某特定区域亚热带海洋大气环境以及某特定区域沙漠大气环境条件，剪裁和设计某牌号橡胶材料环境试验条件，包括以下四个步骤：

步骤1，根据装备服役区确定试验环境因素：首先分析某牌号橡胶该新型装备在寿命期内经历的应用场景，橡胶件主要是作为弹性材料使用，主要是受到户外大气温度与太阳辐射的影响更为突出，根据产品服役环境确定试验环境因素或者因素组合类别主要分为II类(大气温度\太阳辐射因素)；

步骤2，结合已确定的试验环境因素，获取其对应的环境当量和环境当量级别：选取亚热带海洋大气环境、沙漠大气环境下最具有环境代表性的典型地区，亚热带海洋环境地区选取海南万宁，沙漠环境地区选取甘肃敦煌，分别对两地的温度-太阳辐射耦合环境当量进行计算，结果见表8所示；

表8环境因素、环境当量和环境当量级别

步骤3，获取环境当量转化系数：根据选取的典型地区计算环境因素的环境当量，根据表5和表6可得万宁、敦煌两地区的环境当量转化系数，分别为0.93和1.00；

步骤4，获取装备的橡胶材料试验环境总当量：计算橡胶材料在亚热带海洋大气环境、沙漠大气环境的环境总当量，其中

敦煌地区：W

万宁地区：W

结合前述环境当量转化系数和试验环境总当量建立装备的橡胶材料环境试验推荐表，见表9，并根据试验环境总当量确定试验条件。

表9装备的橡胶材料环境试验推荐表

通过在敦煌地区开展环境试验，试验时根据预先确定的压缩率将试样(橡胶材料)装进专用压缩工装中，在试验站标准实验室环境下放置一天后将试样从工装中取出，再在同样环境中放置一天后使用橡胶测厚仪测定其高度，作为初始高度h

进一步验证：将试样(橡胶材料)在万宁地区分别开展自然环境试验，万宁地区按照1.11倍服役时间(1606天)进行；结果见表10。

表9试样在敦煌的自然环境试验结果

表10试样在万宁地区的自然环境试验结果

由表9、表10可知，各阶段的试样压缩永久变形保留率均呈同比下降趋势，且在试验结束时均下降近4成至失效临界值，表示已到达更换周期。另外，试样(橡胶材料)在万宁地区服役1606天后的压缩永久变形保留率为0.6014，与前期评估要求(在万宁地区服役1606天会失效或接近失效)一致。

测试结果表明，在其中一个典型地区开展环境试验后，就能够快速给出其它地区的相关试验结果，能够快速对新研制的使用于多个区域的装备进行试验评估，而无需像传统方式一样在每个地区开展标准试验，属于将现有的“点对点试验模式”改为了“点对面试验模式”，大幅节约试验成本和试验时间。

环境试验条件剪裁2

模拟系列大气环境条件，剪裁和设计某牌号冶金粉末材料环境试验条件，包括以下四个步骤：

步骤1，根据装备服役区确定试验环境因素：首先分析某牌号冶金粉末该新型装备在寿命期内经历的应用场景，冶金粉末主要是作为结构材料使用，主要是受到户外大气温度与湿度的影响更为突出，根据产品服役环境确定试验环境因素或者因素组合类别主要分为II类(大气温度\湿度因素)；

步骤2，结合已确定的试验环境因素，获取其对应的环境当量和环境当量级别：选取代表性的典型地区，分别对温度-湿度耦合环境当量进行计算，结果见表11；

表11典型地区环境当量及级别

步骤3，获取环境当量转化系数：根据选取的典型地区计算环境因素的环境当量，根据查询表6和表7可得万宁、重庆、敦煌三地区的环境当量转化系数，分别为1、0.67和0.2；

步骤4，获取装备的橡胶材料试验环境总当量：计算冶金粉末材料在亚热带海洋大气环境、内陆湿热环境、沙漠大气环境的环境总当量，其中

敦煌地区：W

重庆(江津)地区：W

万宁地区：W

结合前述环境当量转化系数和试验环境总当量建立装备的冶金粉末材料环境试验推荐表，见表12，并根据试验环境总当量确定试验条件。

表12装备的冶金粉末材料环境试验推荐表

实施例2

一种环境试验(计算机)控制系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序；所述程序包括可运行的试验环境因素数据模块、环境当量及其转化系数数据模块、计算模块、输入模块和输出模块；

其中，试验环境因素数据模块包括可读取、调用的表1中内容；

表1试验环境因素

其中，环境当量及其转化系数数据模块包括可读取、调用的表2至表6中内容；

表2按地理区域划分的贮存积温环境当量及其转化系数

表3按地理区域划分的温湿耦合环境当量及其转化系数

表4按环境类型划分的湿热耦合环境当量及其转化系数

表5按地理区域划分大气温度-太阳辐照的环境当量及其转化系数

表6按环境类型划分大气温度-太阳辐照当量及其转化系数

其中，计算模块用于先按照式(Ⅱ)计算出试验环境总当量，

W＝L×I×F×(1+E)………………………………(Ⅱ)

式中：W表示装备的试验环境总当量；L表示装备所要经历环境的时间长度；I表示装备服役区的环境当量基准值；F表示环境当量转化系数；E表示扩展系数，通常取年值与年均值的相对标准偏差高者，一般情况下E取0.10；

再根据所得试验环境总当量计算出加速试验条件；

其中，输入模块用于输入或选择待试验的装备或其部件/材料的类目、应用场景、所要经历装备服役区环境的时间长度；输出模块用于输出装备环境试验推荐表和加速试验条件；

所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

步骤1，存储器读取通过输入模块选择的装备或其部件/材料的类目、应用场景、所要经历装备服役区环境的时间长度，并将读取到的信息与存储器上存储的相关数据进行匹配；

步骤2，调用匹配好的相关数据，根据式(Ⅱ)计算出试验环境总当量W，根据所得试验环境总当量计算出加速试验条件，并根据式(Ⅲ)计算出倍服役时间，

K＝1/F……………………………(Ⅲ)

式中：F表示环境当量转化系数；

步骤3：根据匹配好的相关数据和所得试验环境总当量生成环境试验推荐表；

步骤4：处理器将匹配好的相关数据、计算出的试验环境总当量、加速试验条件和环境试验推荐表通过人机交互界面显示。

在本实施例的步骤3中：将匹配好的环境当量转化系数F与表7中相应信息进行匹配，并标记推荐项；例如当实施例1中环境试验条件剪裁1中相关数据得出后，可直接生成表13通过人机交互界面显示，用户可直接选择综合等级1、综合等级2。

表7环境试验推荐表

表13环境试验推荐表(实施例)

本发明提供了装备环境试验的环境剖面及环境当量分析等步骤并设计了一套完整的流程，基于装备环境剖面及环境当量分析对装备环境试验的环境条件进行剪裁，客观反应了装备寿命期环境剖面内所受主要环境因素类型，量化地表征装备寿命内面临的环境当量，不仅有助于快速选择及确定(剪裁)合适的环境应力类型与环境应力当量水平，更科学、合理地设计装备环境试验条件，提高了装备环境损伤评价与寿命评估准确性，而且能够有效缩短试验时间，适用于装备及产品环境适应性考核评价。

本发明通过将环境当量化，以固定的量化算法计入一类环境因素量值或多类环境因素组合的特征属性值，并将各同类环境进行当量归一化比较，利用该值可定量描述各种环境下该类环境应力或环境组合应力的水平，并涵盖了一般水平至极值水平的区间。在开展装备环境试验前，用户可根据自己的环境适应性要求，针对新产品选择合适的应力等级开展试验考核，而不仅仅是极值水平或仅由少量实测值确定的存在偏失性的应力水平；本发明克服了(极值和实测)两种方法的不足，可以获得其在选定环境下的损伤效应，并以当量关系辅助判断被试品同类环境却有着不同量值水平下的适应性，该方法对装备产品特别是对于新产品的环境试验应力选择确定方面更加合理可行，环境适应性设计和试验效费更高，可节省研制经费。