專利名稱：一種工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及ー種工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
在環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試中多遵循國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)環(huán)境試驗(yàn)箱，設(shè)定試驗(yàn)程序，檢測(cè)并評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，其測(cè)試試樣也在測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定范圍內(nèi)，多為小尺寸試片。然而，大量工程材料/構(gòu)件的失效事故說(shuō)明，基于小尺寸試片在有限的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序中得到的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在很大風(fēng)險(xiǎn)。原因是簡(jiǎn)單形狀的小試片無(wú)法反映出工程構(gòu)件在環(huán)境適應(yīng)性能方 面的尺寸效應(yīng)、形狀效應(yīng)、材質(zhì)耦合效應(yīng)、以及加工不均勻性等等，同時(shí)工程構(gòu)件的真實(shí)服役環(huán)境具有差異性與復(fù)雜性，遠(yuǎn)非現(xiàn)有測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中所簡(jiǎn)化的情況。因而，針對(duì)工程構(gòu)件，有必要開(kāi)展全尺寸/大尺寸的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)，其中環(huán)境譜的剪裁也需要一事ー議地科學(xué)設(shè)定，以期達(dá)到合理、等效加速評(píng)價(jià)其安全性、預(yù)測(cè)失效形式及機(jī)理的目的。由于其復(fù)雜性與特例性，目前針對(duì)工程構(gòu)件的環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試基本沒(méi)有系統(tǒng)、成型的測(cè)試與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(各行業(yè)中的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)僅在檢測(cè)單中最終給出“通過(guò)”或“不通過(guò)”的簡(jiǎn)單結(jié)果判斷，無(wú)助于了解工程構(gòu)件的失效本質(zhì)與機(jī)理)。因此，依完成人經(jīng)驗(yàn)和水平上的差異，所擬定工程構(gòu)件的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)程序的合理性不同，國(guó)際上對(duì)于工程構(gòu)件測(cè)試評(píng)價(jià)結(jié)果的可信度一直存在較大爭(zhēng)議，加之試驗(yàn)成本高、與目前的小試樣測(cè)試結(jié)果無(wú)法對(duì)接等問(wèn)題，最終造成很多重金購(gòu)建的大型環(huán)境模擬試驗(yàn)倉(cāng)處于長(zhǎng)期閑置甚至慘遭廢棄。目前工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試評(píng)價(jià)各階段工作中的技術(shù)現(xiàn)狀與存在問(wèn)題如下試驗(yàn)設(shè)計(jì)中存在盲目性——體現(xiàn)在工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試程序的設(shè)置、工程構(gòu)件在環(huán)境倉(cāng)中的布置(位置/方向/角度等)、構(gòu)件周圍傳感器的布置等方面；試驗(yàn)過(guò)程信息缺失——由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段的盲目性，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果缺少基本的預(yù)測(cè)與判斷，構(gòu)件附近傳感器布設(shè)不合理，造成試驗(yàn)中大量寶貴過(guò)程信息的缺失；失效分析中缺乏科學(xué)性——由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過(guò)程監(jiān)測(cè)中的盲目性，為構(gòu)件失效行為的演化原因及規(guī)律的挖掘帶來(lái)困難，甚至可能造成整體誤判；與現(xiàn)有小試片試驗(yàn)結(jié)果間無(wú)法對(duì)接——由于目前在整個(gè)工程構(gòu)件試驗(yàn)評(píng)價(jià)中缺乏科學(xué)的方法和應(yīng)有的系統(tǒng)性，無(wú)法有效利用現(xiàn)有的大量數(shù)據(jù)資源，為工程構(gòu)件評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)服務(wù)；工程構(gòu)件試驗(yàn)中缺少積累性——目前盲目性地執(zhí)行測(cè)試試驗(yàn)，無(wú)法得到科學(xué)的評(píng)價(jià)結(jié)果；更無(wú)法有效構(gòu)建“自完善、自學(xué)習(xí)”的工程材料服役安全評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)寶貴數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)、整理與挖掘；從而不能為實(shí)現(xiàn)工程構(gòu)件服役安全行為的仿真評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)能力奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)工程構(gòu)件/材料/結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)(失效分析與服役安全評(píng)價(jià))，提供ー種能夠摒棄以上現(xiàn)有問(wèn)題的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，以顯著提高工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、及預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的科學(xué)性與有效性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案本發(fā)明提供ー種工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)的裝置包括工作室(箱體)、空氣調(diào)節(jié)室、風(fēng)道系統(tǒng)、淋雨系統(tǒng)、鹽霧系統(tǒng)、氣氛導(dǎo)入系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)、力學(xué)加載系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)及環(huán)境倉(cāng)總控系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)還包括仿真系統(tǒng)，其中的仿真模塊與上述裝置的各部分相對(duì)應(yīng)，用于對(duì)上述裝置進(jìn)行綜合控制及數(shù)值建模，該仿真系統(tǒng)還包括邊界條件、初始條件、試驗(yàn)程序的輸入接ロ，可實(shí)現(xiàn)工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的仿真模擬。進(jìn)ー步地，所述空氣調(diào)節(jié)室包括加熱器、制冷壓縮機(jī)、制冷蒸發(fā)器、加濕盤、除濕蒸發(fā)器、空氣攪拌裝置與進(jìn)、出風(fēng)ロ，所述工作室內(nèi)空氣經(jīng)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)入空氣調(diào)節(jié)室的空氣攪拌裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)空氣的作用；所述空氣調(diào)節(jié)室連接所述氣壓控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)氣壓調(diào)節(jié)功能，所述氣壓控制系統(tǒng)包括單級(jí)或多級(jí)真空泵、氣體管路、以及氣壓表、氣壓閥等氣壓控制元件；所述空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)還設(shè)氣體導(dǎo)入孔，可以從氣氛導(dǎo)入系統(tǒng)中進(jìn)行污染氣氛的導(dǎo)入，所述氣氛導(dǎo)入系統(tǒng)包括氣體導(dǎo)入控制元件、氣體混合室、氣瓶、導(dǎo)氣管，與總控系統(tǒng)中的氣氛濃度控制系統(tǒng)及用于氣氛濃度監(jiān)測(cè)的氣氛傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)中污染性氣氛的定量模擬。進(jìn)ー步地，所述箱體包括外殼、保溫材料層、內(nèi)壁材料層、排水系統(tǒng)、風(fēng)柵、風(fēng)板、門、觀察窗及照明裝置，為環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的執(zhí)行空間，其與淋雨系統(tǒng)相接，通過(guò)淋雨系統(tǒng)的水管及噴嘴以實(shí)現(xiàn)淋雨模擬功能，其與鹽霧系統(tǒng)相接，通過(guò)鹽霧系統(tǒng)的鹽水液槽及管路、 鹽霧噴嘴實(shí)現(xiàn)鹽霧模擬功能，其與光照系統(tǒng)相接，通過(guò)選擇合適的光源以實(shí)現(xiàn)紅外、紫外或全光譜的模擬或加速模擬功能；另外箱體上設(shè)置加載孔，通過(guò)密封部件與力學(xué)加載系統(tǒng)相接，在進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的同時(shí)可對(duì)エ件進(jìn)行力學(xué)加載，實(shí)現(xiàn)環(huán)境模擬與力學(xué)加載的耦
ム
ロ o進(jìn)ー步地，所述箱體邊界條件固定或可調(diào)，所述邊界條件包括箱體形狀及尺寸，內(nèi)壁材料層、保溫材料層及外殼的材質(zhì)及厚度，送風(fēng)速率與送風(fēng)角度、送風(fēng)ロ位置與尺寸等。進(jìn)ー步地，所述鹽霧系統(tǒng)包括鹽水溫控元件、噴霧控制元件、鹽水液槽及管路、鹽霧噴嘴，所述鹽霧噴嘴直接布置在所述工作室內(nèi)，通過(guò)選擇噴嘴種類、合理設(shè)置噴嘴個(gè)數(shù)、位置，可在工作室內(nèi)試驗(yàn)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)鹽霧的定量模擬。進(jìn)ー步地，所述淋雨系統(tǒng)包括控溫水箱、水管、噴嘴、水質(zhì)測(cè)控系統(tǒng)、水泵及水壓控制系統(tǒng)等，可實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度和傾角降雨過(guò)程的模擬。進(jìn)ー步地，所述光照系統(tǒng)包括光源、投射器、冷卻水系統(tǒng)、固定或可移動(dòng)燈架、以及電源，其中光源可根據(jù)光照模擬需求配置燈管規(guī)格、位置及數(shù)量，并可加裝不同的濾光片，可實(shí)現(xiàn)以紅外、紫外或全光譜的模擬或加速模擬功能。進(jìn)ー步地，所述力學(xué)加載系統(tǒng)包括加載孔密封部件、加載及控制系統(tǒng)、對(duì)于液壓作動(dòng)器需配油源及冷卻系統(tǒng)。進(jìn)ー步地，所述傳感器系統(tǒng)包括溫、濕度傳感器、風(fēng)速計(jì)、氣氛傳感器、雨量計(jì)、氣壓計(jì)、日照強(qiáng)度計(jì)，可安裝在工作室或空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)或根據(jù)不同的試驗(yàn)需求単獨(dú)安裝其中一種或幾種的組合，安裝位置、數(shù)量可調(diào)。進(jìn)ー步地，其中仿真系統(tǒng)包括與裝置各部分一一對(duì)應(yīng)的溫濕度、鹽霧、淋雨、光照、氣壓、力學(xué)加載、送風(fēng)等仿真模塊；仿真系統(tǒng)還包括與環(huán)境倉(cāng)對(duì)應(yīng)的控制邏輯、控制參數(shù)的輸入接ロ、對(duì)工作室、空氣調(diào)節(jié)室及風(fēng)道系統(tǒng)的數(shù)值建模、及結(jié)果輸出演示系統(tǒng)等。仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)中環(huán)境倉(cāng)內(nèi)環(huán)境參數(shù)的仿真模擬。本發(fā)明還提供ー種工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)方法，該方法包括以下步驟
I)根據(jù)用戶輸入的環(huán)境倉(cāng)的邊界條件及測(cè)試樣品的參數(shù)對(duì)環(huán)境倉(cāng)及構(gòu)件進(jìn)行物理模型及數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建；
2)用戶輸入或測(cè)定環(huán)境箱內(nèi)初始條件及試驗(yàn)流程；初始條件包括溫度、濕度、氣氛濃度、氣壓、降雨條件、光照條件、力學(xué)加載條件、以及風(fēng)速等參數(shù)中ー種或幾種的有機(jī)組合，試驗(yàn)流程為上述各參數(shù)中一種或幾種的變化范圍及組合；
3)在所設(shè)定的初始條件及試驗(yàn)流程條件下，仿真系統(tǒng)可給出環(huán)境倉(cāng)內(nèi)，尤其是試驗(yàn)構(gòu)件附近、表面及內(nèi)部的環(huán)境影響參數(shù)三維動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果；
4)根據(jù)步驟3)的結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)一歩指導(dǎo)エ程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)，為用戶合理布設(shè)試驗(yàn)過(guò)程參量測(cè)試監(jiān)檢測(cè)傳感器等提供有力支撐，并有效支撐用戶對(duì)工程構(gòu)件測(cè)試結(jié)果的分析與討論。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1)可實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)——開(kāi)展工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)前，依據(jù)工程構(gòu)件 的實(shí)際服役環(huán)境條件，通過(guò)與環(huán)境試驗(yàn)裝置相對(duì)應(yīng)的數(shù)值建模與仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)的預(yù)測(cè)，對(duì)各環(huán)境因素在測(cè)試控制程序中的設(shè)置與優(yōu)化組合，得到工程構(gòu)件在環(huán)境倉(cāng)內(nèi)的空間合理布置方案；
2)可實(shí)現(xiàn)合理、充分的過(guò)程檢測(cè)——通過(guò)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)中工程構(gòu)件附近局部各環(huán)境參數(shù)變化情況的預(yù)測(cè)，合理布設(shè)監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)，保障整個(gè)試驗(yàn)的過(guò)程參量能夠被充分監(jiān)測(cè)和記錄下來(lái)，為科學(xué)解析工程構(gòu)件的失效行為、其安全評(píng)價(jià)；
3)通過(guò)工程構(gòu)件的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，用戶可進(jìn)行仿真模擬與試驗(yàn)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，逐步建立工程構(gòu)件服役安全評(píng)價(jià)所需的數(shù)據(jù)庫(kù)體系，為實(shí)現(xiàn)部分或全部替代物理試驗(yàn)的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)能力奠定基礎(chǔ)。本專利所提及的工程構(gòu)件，包括工程材料、零部件、元器件、整體工程結(jié)構(gòu)、以及部分或整臺(tái)設(shè)備等。不僅包括大型、復(fù)雜材質(zhì)、形狀的構(gòu)件，也包括簡(jiǎn)單試片。


圖I為本發(fā)明中環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)系統(tǒng)的裝置主要構(gòu)成 圖2為具體實(shí)施例中環(huán)境箱及構(gòu)件簡(jiǎn)化物理模型；
圖3為具體實(shí)施例中6061鋁合金工件溫濕度變化曲線。具體實(shí)施例
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的進(jìn)行詳細(xì)的描述。本發(fā)明的試驗(yàn)系統(tǒng)包括裝置和仿真系統(tǒng)兩個(gè)部分。本發(fā)明涉及與所述裝置相一一對(duì)應(yīng)的、固化在總控系統(tǒng)中裝置各部分的綜合控制仿真系統(tǒng)、以及環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)數(shù)值建模仿真模擬系統(tǒng)，后者包括但不限于邊界條件、初始條件及試驗(yàn)程序輸入接ロ，與環(huán)境倉(cāng)對(duì)應(yīng)的控制邏輯及控制參數(shù)、對(duì)環(huán)境倉(cāng)的數(shù)值建模，以及環(huán)境倉(cāng)內(nèi)環(huán)境參數(shù)的仿真模擬，及結(jié)果輸出演示系統(tǒng)等。本發(fā)明還涉及環(huán)境適應(yīng)性物理試驗(yàn)與建模仿真相結(jié)合的試驗(yàn)方法，其中同時(shí)采用上述的試驗(yàn)系統(tǒng)的裝置及仿真系統(tǒng)。圖I為本發(fā)明涉及的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)系統(tǒng)的裝置(簡(jiǎn)稱“環(huán)境倉(cāng)”或“環(huán)境箱”)的主要構(gòu)成圖，本裝置包括工作室(箱體)、空氣調(diào)節(jié)室、風(fēng)道系統(tǒng)、淋雨系統(tǒng)、鹽霧系統(tǒng)、氣氛導(dǎo)入系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)、力學(xué)加載系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)及環(huán)境倉(cāng)總控系統(tǒng)。環(huán)境箱/倉(cāng)采用分體式結(jié)構(gòu)，其中箱體與空氣調(diào)節(jié)室分別為單獨(dú)整體，通過(guò)風(fēng)道系統(tǒng)相互連接。如不需要更換工作室，空氣調(diào)節(jié)室可與風(fēng)道系統(tǒng)合并設(shè)計(jì)，空氣調(diào)節(jié)室與工作室共用ー個(gè)側(cè)壁。其中淋雨、鹽霧、氣氛導(dǎo)入、光照、氣壓控制、及力學(xué)加載系統(tǒng)為本實(shí)施例中包含的內(nèi)容，實(shí)際環(huán)境試驗(yàn)箱可根據(jù)試驗(yàn)需求增減相應(yīng)的系統(tǒng)。空氣調(diào)節(jié)室主要包括加熱器、制冷壓縮機(jī)、制冷蒸發(fā)器、加濕盤、除濕蒸發(fā)器、空氣攪拌裝置等執(zhí)行器與進(jìn)、出風(fēng)ロ，工作室內(nèi)空氣經(jīng)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)入空氣調(diào)節(jié)室的空氣攪拌裝置，周而復(fù)始地通過(guò)空氣調(diào)節(jié)室，從而達(dá)到調(diào)節(jié)空氣的作用。環(huán)境箱/倉(cāng)工作室內(nèi)的溫濕度環(huán)境條件控制可通過(guò)加熱器、制冷壓縮機(jī)、制冷蒸發(fā)器、加濕盤和除濕蒸發(fā)器、溫濕度傳感器在總控系統(tǒng)下的協(xié)調(diào)作動(dòng)可完成溫度、濕度調(diào)節(jié)的功能；空氣調(diào)節(jié)室連接氣壓控制系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)氣壓調(diào)節(jié)功能；空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)氣體導(dǎo)入孔，可以從氣氛導(dǎo)入系統(tǒng)中進(jìn)行污染氣氛的導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)海洋大氣及エ業(yè)大氣等環(huán)境的模擬。工作室(箱體)包括外殼、保溫材料層、內(nèi)壁材料層、排水系統(tǒng)、風(fēng)柵、風(fēng)板、門、觀察窗及照明裝置等部件。為環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的執(zhí)行空間，其與淋雨系統(tǒng)相接，通過(guò)淋雨系統(tǒng)的水管及噴嘴以實(shí)現(xiàn)淋雨模擬功能，其與鹽霧系統(tǒng)相接，通過(guò)鹽霧系統(tǒng)的鹽水液槽及管路、鹽霧噴嘴實(shí)現(xiàn)鹽霧模擬功能，其與光照系統(tǒng)相接，通過(guò)選擇合適的光源以實(shí)現(xiàn)紅外、紫外或全 光譜的模擬或加速模擬功能；另外箱體上設(shè)置加載孔，通過(guò)密封部件與力學(xué)加載系統(tǒng)相接，在進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的同時(shí)可對(duì)エ件進(jìn)行力學(xué)加載，實(shí)現(xiàn)環(huán)境模擬與力學(xué)加載的耦合。為保證環(huán)境箱/倉(cāng)最大限度滿足用戶的各種研究需求，箱體邊界條件固定或可調(diào)，邊界條件可在制造完成后固定，也可通過(guò)更換環(huán)境箱/倉(cāng)體的方式、或局部設(shè)計(jì)可調(diào)整元件(如可移動(dòng)式風(fēng)板)的方式使全部或部分的邊界條件可調(diào)。這里所指的邊界條件包括但不限于環(huán)境倉(cāng)工作室的形狀及尺寸，內(nèi)壁材料層、保溫材料層及外殼的材質(zhì)及厚度，送風(fēng)速率與送風(fēng)角度、送風(fēng)ロ位置與尺寸等。鹽霧系統(tǒng)主要包括鹽水溫控元件、噴霧控制元件、鹽水液槽及管路、鹽霧噴嘴等，其中鹽水的水質(zhì)及水化學(xué)可采取在線監(jiān)控、也可采用提前配置達(dá)標(biāo)后注入鹽水槽以滿足試驗(yàn)要求，鹽霧噴嘴直接布置在工作室內(nèi)，通過(guò)選擇噴嘴種類、合理設(shè)置噴嘴個(gè)數(shù)、位置，可在工作室內(nèi)試驗(yàn)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)鹽霧的定量模擬；
氣氛導(dǎo)入系統(tǒng)主要包括氣體導(dǎo)入控制元件、氣體混合室、氣瓶、導(dǎo)氣管等，與總控系統(tǒng)中的氣氛濃度控制系統(tǒng)及用于氣氛濃度監(jiān)測(cè)的氣氛傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)中污染性氣氛的定量模擬；
淋雨系統(tǒng)主要包括控溫水箱、水管、噴嘴、水質(zhì)測(cè)控系統(tǒng)、水泵及水壓控制系統(tǒng)等，可實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度和傾角降雨過(guò)程的模擬；
光照系統(tǒng)主要包括光源(即輻射燈)、投射器、冷卻水系統(tǒng)、固定或可移動(dòng)燈架、以及電源，其中光源可根據(jù)光照模擬需求配置燈管規(guī)格、位置及數(shù)量，并可加裝不同的濾光片，可實(shí)現(xiàn)以紅外、紫外或全光譜的模擬或加速模擬功能；
氣壓控制系統(tǒng)主要包括單級(jí)或多級(jí)真空泵、氣體管路、以及氣壓表、氣壓閥等氣壓控制元件；
力學(xué)加載可通過(guò)在工作室內(nèi)部以預(yù)應(yīng)力方式實(shí)現(xiàn)，或通過(guò)在工作室箱壁上開(kāi)加載孔并實(shí)施局部密封的情況下實(shí)現(xiàn)力學(xué)加載系統(tǒng)與環(huán)境模擬試驗(yàn)箱相連，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試樣品的環(huán)境與力學(xué)加載耦合模擬。前種情況相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)測(cè)試樣品定制應(yīng)カ加載治具；后種情況中力學(xué)加載系統(tǒng)主要包括加載孔密封部件、加載及控制系統(tǒng)、對(duì)于液壓作動(dòng)器需配油源及冷卻系統(tǒng)等。傳感器系統(tǒng)包括溫、濕度傳感器、風(fēng)速計(jì)、氣氛傳感器、雨量計(jì)、氣壓計(jì)、日照強(qiáng)度計(jì)，可安裝在工作室或空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)或根據(jù)不同的試驗(yàn)需求単獨(dú)安裝其中一種或幾種的組合，安裝位置、數(shù)量可調(diào)。所述傳感器為本專利中裝置環(huán)境參數(shù)監(jiān)控所需，不涉及用戶在環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試中用于記錄被測(cè)試樣過(guò)程參數(shù)所布設(shè)的傳感器系統(tǒng)。環(huán)境箱/倉(cāng)裝置可模擬的環(huán)境因素可包括(部分或全部)、但不限于溫濕度、鹽霧、淋雨、光照、氣氛、環(huán)境倉(cāng)內(nèi)氣壓、力學(xué)加載等因素。其中各模擬過(guò)程由溫濕度系統(tǒng)、鹽霧系統(tǒng)、淋雨系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、氣氛系統(tǒng)、環(huán)境倉(cāng)內(nèi)氣壓控制系統(tǒng)及力學(xué)加載系統(tǒng)，分別與相應(yīng)傳感器系統(tǒng)共同協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)。具體闡述如下
通過(guò)環(huán)境箱總控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)上述各環(huán)境因素中全部或部分的綜合控制，實(shí)現(xiàn)各環(huán)境因素的有機(jī)組合，并可提供若干標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試步驟，同時(shí)允許用戶在符合控制機(jī)理的前提下，靈活地進(jìn)行試驗(yàn)流程設(shè)置。
在應(yīng)用過(guò)程中，用戶輸入對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行數(shù)值建模、輸入可調(diào)整的邊界條件、輸入或測(cè)定初始條件、設(shè)定試驗(yàn)程序。裝置的仿真系統(tǒng)可在所設(shè)定的試驗(yàn)程序條件下，給出環(huán)境倉(cāng)內(nèi)、尤其是試驗(yàn)構(gòu)件附近、表面及內(nèi)部的環(huán)境影響參數(shù)三維(動(dòng)態(tài))模擬結(jié)果。用戶可參照模擬預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)化試驗(yàn)程序。最終經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化試驗(yàn)條件、程序，針對(duì)工程構(gòu)件制定出科學(xué)合理的試驗(yàn)方案，并同時(shí)達(dá)到如下數(shù)值仿真目標(biāo)獲得試驗(yàn)構(gòu)件的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的預(yù)測(cè)結(jié)果、為用戶合理布設(shè)試驗(yàn)過(guò)程參量測(cè)試監(jiān)檢測(cè)傳感器等提供有力支撐、有效支撐用戶對(duì)材料/構(gòu)件測(cè)試結(jié)果的分析與討論。具體而言，該方法包括以下步驟
一、根據(jù)用戶輸入的環(huán)境倉(cāng)的邊界條件(包括但不限干形狀、尺寸、出風(fēng)ロ位置尺寸、回風(fēng)ロ位置尺寸等)及測(cè)試樣品的參數(shù)(材質(zhì)、形狀、尺寸等)對(duì)環(huán)境倉(cāng)及構(gòu)件進(jìn)行物理模型及數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。實(shí)施例以某環(huán)境試驗(yàn)箱中溫濕度調(diào)整為例，展示通過(guò)合理的環(huán)境箱建模(將被固化入裝置)以及測(cè)試樣品建模，本實(shí)施例所涉及的環(huán)境模擬仿真方法與試驗(yàn)箱環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試間可實(shí)現(xiàn)較好的吻合。如圖2所示，為某恒溫恒濕箱經(jīng)簡(jiǎn)化處理的物理模型，兩側(cè)壁設(shè)置有24個(gè)均勻分布方孔作為氣流入ロ，箱體后壁孔板上設(shè)置直徑為120 mm的圓形出氣ロ，150 X 100 X 35mm的長(zhǎng)方體6061鋁合金試驗(yàn)樣品置于箱內(nèi)中心位置。ニ、用戶輸入或測(cè)定環(huán)境箱內(nèi)初始條件及試驗(yàn)流程。初始條件包括但不限于溫度、濕度、氣氛濃度、氣壓、降雨條件(強(qiáng)度、方向等)、光照條件(光源位置、強(qiáng)度、照射角度等)、力學(xué)加載條件、以及風(fēng)速等參數(shù)中ー種或幾種的有機(jī)組合。試驗(yàn)流程為上述各參數(shù)中ー種或幾種的變化范圍及組合。實(shí)施例以溫濕度控制為例，初始條件可設(shè)置為箱內(nèi)空氣溫度30°C，試樣溫度30°C，水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 007875 (即30°C、30%RH時(shí)空氣含濕量)；試驗(yàn)流程設(shè)置為環(huán)境倉(cāng)內(nèi)30°C、30%RH至60°C、60%RH的升溫增濕過(guò)程。三、在所設(shè)定的初始條件及試驗(yàn)流程條件下，仿真系統(tǒng)可給出環(huán)境倉(cāng)內(nèi)，尤其是試驗(yàn)構(gòu)件附近、表面及內(nèi)部的環(huán)境影響參數(shù)三維(動(dòng)態(tài))模擬結(jié)果。
實(shí)施例圖3為6061鋁合金工件在步驟ニ所設(shè)定的初始條件及試驗(yàn)流程情況下的溫濕度變化曲線實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比，可見(jiàn)模擬值與實(shí)測(cè)值吻合良好。四、根據(jù)步驟三的結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)一歩指導(dǎo)工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)，為用戶合理布設(shè)試驗(yàn)過(guò)程參量測(cè)試監(jiān)檢測(cè)傳感器等提供有力支撐，并有效支撐用戶對(duì)材料/構(gòu)件測(cè)試結(jié)果的分析與討論。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1)可實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)——開(kāi)展工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)前，依據(jù)工程構(gòu)件的實(shí)際服役環(huán)境條件，通過(guò)與環(huán)境試驗(yàn)裝置相對(duì)應(yīng)的數(shù)值建模與仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)的預(yù)測(cè)，對(duì)各環(huán)境因素在測(cè)試控制程序中的設(shè)置與優(yōu)化組合，得到工程構(gòu)件在環(huán)境倉(cāng)內(nèi)的空間合理布置方案；
2)可實(shí)現(xiàn)合理、充分的過(guò)程檢測(cè)——通過(guò)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)中工程構(gòu)件附近局部各環(huán)境參數(shù)變化情況的預(yù)測(cè)，合理布設(shè)監(jiān)檢測(cè)系統(tǒng)，保障整個(gè)試驗(yàn)的過(guò)程參量能夠被充分監(jiān) 測(cè)和記錄下來(lái)，為科學(xué)解析工程構(gòu)件的失效行為、其安全評(píng)價(jià)；
3)通過(guò)工程構(gòu)件的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，用戶可進(jìn)行仿真模擬與試驗(yàn)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，逐步建立工程構(gòu)件服役安全評(píng)價(jià)所需的數(shù)據(jù)庫(kù)體系，為實(shí)現(xiàn)部分或全部替代物理試驗(yàn)的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)能力奠定基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.ー種工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)的裝置包括工作室(箱體)、空氣調(diào)節(jié)室、風(fēng)道系統(tǒng)、淋雨系統(tǒng)、鹽霧系統(tǒng)、氣氛導(dǎo)入系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)、力學(xué)加載系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)及環(huán)境倉(cāng)總控系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)還包括仿真系統(tǒng)，其中的仿真模塊與上述裝置的各部分相對(duì)應(yīng)，用于對(duì)上述裝置進(jìn)行綜合控制及數(shù)值建模，該仿真系統(tǒng)還包括邊界條件、初始條件、試驗(yàn)程序的輸入接ロ，可實(shí)現(xiàn)工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的仿真模擬。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣調(diào)節(jié)室包括加熱器、制冷壓縮機(jī)、制冷蒸發(fā)器、加濕盤、除濕蒸發(fā)器、空氣攪拌裝置與進(jìn)、出風(fēng)ロ，所述工作室內(nèi)空氣經(jīng)風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)入空氣調(diào)節(jié)室的空氣攪拌裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)空氣的作用；所述空氣調(diào)節(jié)室連接所述氣壓控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)氣壓調(diào)節(jié)功能，所述氣壓控制系統(tǒng)包括單級(jí)或多級(jí)真空泵、氣體管路、以及氣壓表、氣壓閥等氣壓控制元件；所述空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)還設(shè)氣體導(dǎo)入孔，可以從氣氛導(dǎo)入系統(tǒng)中進(jìn)行污染氣氛的導(dǎo)入，所述氣氛導(dǎo)入系統(tǒng)包括氣體導(dǎo)入控制元件、氣體混合室、氣瓶、導(dǎo)氣管，與總控系統(tǒng)中的氣氛濃度控制系統(tǒng)及用于氣氛濃度監(jiān)測(cè)的氣氛傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)中污染性氣氛的定量模擬。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述箱體包括外殼、保溫材料層、內(nèi)壁材料層、排水系統(tǒng)、風(fēng)柵、風(fēng)板、門、觀察窗及照明裝置，為環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的執(zhí)行空間，其與淋雨系統(tǒng)相接，通過(guò)淋雨系統(tǒng)的水管及噴嘴以實(shí)現(xiàn)淋雨模擬功能，其與鹽霧系統(tǒng)相接，通過(guò)鹽霧系統(tǒng)的鹽水液槽及管路、鹽霧噴嘴實(shí)現(xiàn)鹽霧模擬功能，其與光照系統(tǒng)相接，通過(guò)選擇合適的光源以實(shí)現(xiàn)紅外、紫外或全光譜的模擬或加速模擬功能；另外箱體上設(shè)置加載孔，通過(guò)密封部件與力學(xué)加載系統(tǒng)相接，在進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的同時(shí)可對(duì)エ件進(jìn)行力學(xué)加載，實(shí)現(xiàn)環(huán)境模擬與力學(xué)加載的耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述箱體邊界條件固定或可調(diào)，所述邊界條件包括箱體形狀及尺寸，內(nèi)壁材料層、保溫材料層及外殼的材質(zhì)及厚度，送風(fēng)速率與送風(fēng)角度、送風(fēng)ロ位置與尺寸等。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述鹽霧系統(tǒng)包括鹽水溫控元件、噴霧控制元件、鹽水液槽及管路、鹽霧噴嘴，所述鹽霧噴嘴直接布置在所述工作室內(nèi)，通過(guò)選擇噴嘴種類、合理設(shè)置噴嘴個(gè)數(shù)、位置，可在工作室內(nèi)試驗(yàn)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)鹽霧的定量模擬；所述淋雨系統(tǒng)包括控溫水箱、水管、噴嘴、水質(zhì)測(cè)控系統(tǒng)、水泵及水壓控制系統(tǒng)等，可實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度和傾角降雨過(guò)程的模擬。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述光照系統(tǒng)包括光源、投射器、冷卻水系統(tǒng)、固定或可移動(dòng)燈架、以及電源，其中光源可根據(jù)光照模擬需求配置燈管規(guī)格、位置及數(shù)量，并可加裝不同的濾光片，可實(shí)現(xiàn)以紅外、紫外或全光譜的模擬或加速模擬功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述力學(xué)加載系統(tǒng)包括加載孔密封部件、加載及控制系統(tǒng)、對(duì)于液壓作動(dòng)器需配油源及冷卻系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器系統(tǒng)包括溫、濕度傳感器、風(fēng)速計(jì)、氣氛傳感器、雨量計(jì)、氣壓計(jì)、日照強(qiáng)度計(jì)，可安裝在工作室或空氣調(diào)節(jié)室內(nèi)或根據(jù)不同的試驗(yàn)需求単獨(dú)安裝其中一種或幾種的組合，安裝位置、數(shù)量可調(diào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，其中仿真系統(tǒng)包括與裝置各部分一一對(duì)應(yīng)的溫濕度、鹽霧、淋雨、光照、氣壓、力學(xué)加載、送風(fēng)等仿真模塊；仿真系統(tǒng)還包括與環(huán)境倉(cāng)對(duì)應(yīng)的控制邏輯及控制參數(shù)的輸入接ロ、對(duì)工作室、空氣調(diào)節(jié)室及風(fēng)道系統(tǒng)的數(shù)值建模、及結(jié)果輸出演示系統(tǒng)等；仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以及工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)中環(huán)境倉(cāng)內(nèi)環(huán)境參數(shù)的仿真模擬。
10. ー種工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)方法，其采用權(quán)利要求1-9之ー的試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，該方法包括以下步驟 1)根據(jù)用戶輸入的環(huán)境倉(cāng)的邊界條件及測(cè)試樣品的參數(shù)對(duì)環(huán)境倉(cāng)及構(gòu)件進(jìn)行物理模型及數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建； 2)用戶輸入或測(cè)定環(huán)境箱內(nèi)初始條件及試驗(yàn)流程；初始條件包括溫度、濕度、氣氛濃度、氣壓、降雨條件、光照條件、力學(xué)加載條件、以及風(fēng)速等參數(shù)中ー種或幾種的有機(jī)組合，試驗(yàn)流程為上述各參數(shù)中一種或幾種的變化范圍及組合； 3)在所設(shè)定的初始條件及試驗(yàn)流程條件下，仿真系統(tǒng)可給出環(huán)境倉(cāng)內(nèi)，尤其是試驗(yàn)構(gòu) 件附近、表面及內(nèi)部的環(huán)境影響參數(shù)三維動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果； 4)根據(jù)步驟3)的結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)一歩指導(dǎo)エ程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)，為用戶合理布設(shè)試驗(yàn)過(guò)程參量測(cè)試監(jiān)檢測(cè)傳感器等提供有力支撐，并有效支撐用戶對(duì)工程構(gòu)件測(cè)試結(jié)果的分析與討論。
全文摘要
本發(fā)明提供一種工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，其中所述試驗(yàn)系統(tǒng)的裝置包括工作室、空氣調(diào)節(jié)室、風(fēng)道系統(tǒng)、淋雨系統(tǒng)、鹽霧系統(tǒng)、氣氛導(dǎo)入系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、氣壓控制系統(tǒng)、力學(xué)加載系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)及環(huán)境倉(cāng)總控系統(tǒng)；該試驗(yàn)系統(tǒng)還包括仿真系統(tǒng)，具有仿真模塊與上述裝置的各部分相對(duì)應(yīng)，用于對(duì)上述裝置進(jìn)行綜合控制，該仿真系統(tǒng)還包括邊界條件、初始條件、試驗(yàn)程序的輸入接口，可實(shí)現(xiàn)工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的仿真模擬。所述裝置和方法是針對(duì)工程構(gòu)件/材料/結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)，能顯著提高工程構(gòu)件環(huán)境適應(yīng)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、及預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的科學(xué)性與有效性。
文檔編號(hào)G01N3/00GK102778428SQ20121029553
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者任學(xué)沖, 孫冬柏, 孫鳳艷, 文磊, 曹宗寶, 王銘輝, 金瑩 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)