加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价方法与系统与流程

本发明涉及试验加速技术领域，特别是涉及加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价方法与系统。

背景技术：

实验室加速模拟试验方法的合理性、优越性主要通过相关性和加速性两个方面来评价。加速模拟试验方法不同于加速寿命试验，不会采用自然条件下不存在的试验应力，而是采用实测的极限环境应力值，在试验过程中充分观测产品受这些环境应力作用的影响效应。试验方法的相关性，表现了所设计的方法对自然环境条件的模拟程度，理论上模拟程度越高，相关性就越高；同时在实验室试验还要考虑加速效应，在追求较好模拟性的同时，还要具有一定的加速性。实验室加速模拟试验在试验方法设计过程中，需要充分研究自然环境条件的典型环境影响因素、环境作用量值及作用方式，根据这些显著特点编制试验剖面，以确保所设计的试验剖面能够充分反映产品在自然环境条件下的作用方式、作用特点和作用效应，从而保证加速模拟试验与自然环境试验有较高的相关性。实验室加速模拟试验方法设计是一个摸索的过程，需要采用多组对比试验才能寻找到最优的试验方法，试验方法的优选标准，即是相关性。采用实验室加速模拟试验方法得到的试验结果与自然环境试验条件试验结果的相关性越高，表明试验方法越符合自然环境条件下产品经受的真实的环境影响，试验方法越合理，通用性越强。在保证较好相关性的前提下，获得的加速性效果才有意义。

因此，相关性评价是从事自然环境试验与实验室加速模拟试验工作的一项重要工作，相关性评价结果能够充分反映加速模拟试验方法是否符合自然环境条件的作用方式、作用特点和作用效应，直接决定所设计的方法是否合理，是否可以采用该种方法开展实验室加速模拟试验。

然而，目前针对加速模拟试验与自然环境试验的相关性目前尚无可行的测试方法，这样导致针对某个科学试验，科研人员无法便捷、准确了解是否可以采用已有实验室加速模拟试验，来准确模拟自然环境试验。

技术实现要素：

基于此，有必要针对目前尚无加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价方法的问题，提供一种完整且可行的加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价方法与系统。

一种加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价方法，包括步骤：

获取材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系；

计算实验室加速模拟试验条件下使用应力产生的加速因子，所述应力包括温度应力或温度与湿度应力；

根据所述加速因子，并基于Schwarzschild定律，计算相关性拟合常数因子；

将所述相关性拟合常数因子将所述材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系，分别转换为所述材料在实验室加速试验条件下性能参数随辐照累积量变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随辐照累积量变化的关系；

根据所述加速因子以及相关性拟合常数因子，获取所述材料在实验室加速模拟试验的辐照累积量修正值以及在自然环境暴露试验的累积辐射量修正值；

根据所述实验室加速模拟试验的辐照累积量修正值以及在自然环境暴露试验的累积辐射量修正值或所述相关性拟合常数因子，评价所述材料在加速模拟试验与自然环境试验的相关性。

一种加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价系统，包括：

关系获取模块，用于获取材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系；

加速因子计算模块，用于计算实验室加速模拟试验条件下使用应力产生的加速因子，所述应力包括温度应力或温度与湿度应力；

相关性拟合常数因子计算模块，用于根据所述加速因子，并基于Schwarzschild定律，计算相关性拟合常数因子；

转换模块，用于将所述相关性拟合常数因子将所述材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系，分别转换为所述材料在实验室加速试验条件下性能参数随辐照累积量变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随辐照累积量变化的关系；

修正值计算模块，用于根据所述加速因子以及相关性拟合常数因子，获取所述材料在实验室加速模拟试验的辐照累积量修正值以及在自然环境暴露试验的累积辐射量修正值；

相关性评价模块，用于根据所述实验室加速模拟试验的辐照累积量修正值以及在自然环境暴露试验的累积辐射量修正值或所述相关性拟合常数因子，评价所述材料在加速模拟试验与自然环境试验的相关性。

本发明加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价方法与系统，突破原Schwarzschild定律只能用于评价实验室单太阳辐射应力试验方法之间相关性的限制，综合考虑了除太阳辐射之外的温度与湿度对材料性能老化的影响，利用温度或湿度影响因子对Schwarzschild定律进行改进，改进的方法能够在充分体现材料性能老化过程规律的同时，可以通过拟合公式量化准确地评价实验室加速模拟试验与自然环境试验之间的相关性。

附图说明

图1为本发明加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价方法其中一个实施例的流程示意图；

图2为本发明加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价系统其中一个实施例的结构示意图；

图3为失光率随累积辐射量变化曲线；

图4为失光率随累积辐射量修正值的变化曲线；

图5为线性插值后失光率随累积辐射量修正值的变化曲线。

具体实施方式

如图1所示，一种加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价方法，包括步骤：

S100：获取材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系。

材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系才可以采用即时获取或者基于历史经验数据获取两种方式。即时获取，即对相同材料分别在实验室开展加速模拟试验和在自然环境中开展自然环境暴露试验，采集、记录试验过程中材料性能参数以及采集时间，从而获取材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系。而基于历史姜堰数据获取，可以是在基于历史经验数据进行统计、分析处理进而得到材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系。非必要的，为了便于后续数据处理，性能参数随时间变化的关系可以采用性能参数随时间变化曲线来表征，即在步骤S100中获取材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的数据与曲线以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的数据与曲线。

S200：计算实验室加速模拟试验条件下使用应力产生的加速因子，所述应力包括温度应力或温度与湿度应力。

在自然环境中除太阳辐射应力外还有温度应力以及温度与湿度应力，充分考虑除太阳辐射应力外的温度应力以及温度与湿度应力，计算实验室加速模拟试验条件下使用应力产生的加速因子。在其中一个实施例中，步骤S200包括：

步骤一：当试验中只有温度应力产生加速效应时，加速因子可根据Arrhenius模型求得。Arrhenius模型为：

k_T＝A exp(-E_a/RT)

其中，k_T是某温度下的化学反应速率，A为常数，E_a是材料的活化能参数，R＝8.314J·mol^-1·K^-1是气体常数，T为试验温度，单位是开尔文。由Arrhenius模型可计算得到温度应力产生的加速因子K：

其中，E_a是材料的温度活化能参数，R＝8.314J·mol^-1·K^-1是气体常数，T_n是在试验周期内自然环境条件的日平均温度，T_s是实验室加速模拟试验所采用的试验温度。

步骤二：当试验中有温度和湿度两种应力产生加速效应时，加速因子K可以通过温度-湿度的加速模型来计算：

其中，E_a是材料的温度活化能参数，R＝8.314J·mol^-1·K^-1是气体常数，T_n、H_n分别是在试验周期内自然环境条件的日平均温度和日平均相对湿度，T_s、H_s是实验室加速模拟试验所采用的温度和相对湿度，τ是湿度活化能参数。

S300：根据所述加速因子，并基于Schwarzschild定律，计算相关性拟合常数因子。

Schwarzschild定律评价法，该定律针对的试验应力只有太阳辐射一种，而且只能针对实验室模拟试验方法。自然环境条件下环境条件复杂多变，影响材料性能变化的因素主要还与温度、湿度有关。如果直接采用Schwarzschild定律进行计算，则无法找到合适的常数因子p，无法对实验室加速模拟试验数据与自然环境试验数据进行拟合，或者拟合效果很差，不符合试验环境的实际情况，因此，Schwarzschild定律不能直接应用于评价实验室加速模拟试验方法与自然环境试验方法之间的相关性。针对Schwarzschild定律的特性与缺陷，在这里，根据步骤S200获得加速因子，并基于Schwarzschild定律，计算相关性拟合常数因子，即考虑温度以及温度-湿度对结果的影响，准确计算相关性拟合常数因子。

具体来说，由于实验室试验条件下温度和湿度应力产生了加速效应，因此，计算相关性拟合常数因子时，需要在原Schwarzschild定律的基础上，考虑加速因子K的影响。在这里对原Schwarzschild定律进行改进，在实验室加速模拟试验与自然环境暴露试验条件下，当材料性能变化程度相同时，存在的关系，该等式中除因子p外，均是已知的，因此可以计算出因子p。其中，I_s、I_n分别是实验室加速模拟试验太阳辐射辐照度与试验周期内自然环境条件的日平均辐照度，t_s、t_n分别是实验室加速模拟试验和试验周期内自然暴露试验太阳辐照累积时间，K为步骤S200计算得到的加速因子。

具体来说，在其中一个实施例中，步骤S300包括：

步骤一：获取所述材料在实验室加速模拟试验太阳辐射辐照度、试验周期内自然环境条件的日平均辐照度、实验室加速模拟试验太阳辐照累积时间以及试验周期内自然暴露试验太阳辐照累积时间。

上述这些参数可以基于步骤S100中获取的材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系进而得到。

步骤二：基于Schwarzschild定律，并根据所述材料在实验室加速模拟试验太阳辐射辐照度、试验周期内自然环境条件的日平均辐照度、实验室加速模拟试验太阳辐照累积时间、试验周期内自然暴露试验太阳辐照累积时间以及所述加速因子，计算相关性拟合常数因子。

具体计算函数关系式为：

式中，I_s为实验室加速模拟试验太阳辐射辐照度的日平均辐照度、I_n为试验周期内自然环境条件的日平均辐照度、t_s为实验室加速模拟试验太阳辐照累积时间、t_n试验周期内自然暴露试验太阳辐照累积时间、K为加速因子、p为相关性拟合常数因子。

S400：将所述相关性拟合常数因子将所述材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系，分别转换为所述材料在实验室加速试验条件下性能参数随辐照累积量变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随辐照累积量变化的关系。

将步骤S100中的材料性能参数随时间变化的关系，转换为材料性能参数随辐照累积量变化的关系。实际试验的累积辐照量＝辐照强度*有效辐照时间，即Q＝It，式中Q为试验的累积辐照量，I为辐照强度，t为有效辐照时间。相同的，材料性能参数随时间变化的关系可以采用材料性能参数随时间变化的数据与曲线表征，材料性能参数随辐照累积量变化的关系可以采用材料性能参数随辐照累积量变化的数据与曲线表征。

S500：根据所述加速因子以及相关性拟合常数因子，获取所述材料在实验室加速模拟试验的辐照累积量修正值以及在自然环境暴露试验的累积辐射量修正值。

利用公式可以求得实验室加速模拟试验的辐照累积量修正值为自然环境暴露试验的累积辐射量修正值为

S600：根据所述实验室加速模拟试验的辐照累积量修正值以及在自然环境暴露试验的累积辐射量修正值或所述相关性拟合常数因子，评价所述材料在加速模拟试验与自然环境试验的相关性。

可以分别采用实验室加速模拟试验的辐照累积量修正值以及在自然环境暴露试验的累积辐射量修正值或所述相关性拟合常数因子，分别来评价材料在加速模拟试验与自然环境试验的相关性。

在其中一个实施例中，步骤S600包括：

a)当所述相关性拟合常数因子为正数时，所述相关性拟合常数因子越接近1，所述材料在加速模拟试验与自然环境试验越相关。

b)当所述相关性拟合常数因子为负数时，所述加速模拟试验与所述自然环境试验不相关。

或包括：

c)根据所述实验室加速模拟试验的辐照累积量修正值以及在自然环境暴露试验的累积辐射量修正值分别对所述材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系，获得修正后的实验室加速试验条件下性能参数随累积辐射量变化的关系以及修正后的自然环境条件下性能参数随累积辐射量变化的关系。

d)对所述修正后的实验室加速试验条件下性能参数随累积辐射量变化的关系以及修正后的自然环境条件下性能参数随累积辐射量变化的关系进行线性插值，获得出累积辐射量相同的点之间性能参数的残差率。

e)当残差率越小时，所述材料在加速模拟试验与自然环境试验越相关。

下面将分别针对这两个参数评价材料在加速模拟试验与自然环境试验的相关性进行详细说明。

方式一：用p值表征。

p值越接近于1，说明两种试验方法的相关性越好。如果所求p值为负，则两种试验方法明显不相关；当p值与1相比很小，表明试验过程中使用的应力过大，两种试验方法的累积辐射量修正值就会远远小于试验施加的实际累积量，说明两种试验方法间的应力作用产生的失效机理不一致，试验的模拟性很差，这种情况下两种试验是不相关的；当p值与1相比较大，那么I^p值就会随p呈指数增大，两种试验方法的累积辐射量修正值就会远远超出试验施加的实际累积量，需要在很大的累积辐射量范围内才能建立相关关系，此时两种试验方法也是不相关的。

方式二：用修正后性能参数随累积辐射量的变化曲线之间的残差表征。

对两组试验修正后的性能参数随累积辐射量的变化曲线进行线性插值，计算出累积辐射量相同的点之间性能参数的残差率。残差率计算公式如下：

其中，即残差率，x_i(q_n)、x_i(q_s)分别为某累积辐射量修正值对应的性能参数值。残差率越大，说明在累积辐射量相同时，两者的性能变化差值越大，试验越不相关；残差率越小，说明两种试验条件下性能参数随累积辐射量的变化差值很小，试验相关性越显著。

本发明加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价方法，突破了原Schwarzschild定律只能用于评价实验室单太阳辐射应力试验方法之间相关性的限制，综合考虑了除太阳辐射之外的温度与湿度对材料性能老化的影响，利用温度或湿度影响因子对Schwarzschild定律进行改进，改进的方法能够在充分体现材料性能老化过程规律的同时，可以通过拟合公式量化准确地评价实验室加速模拟试验与自然环境试验之间的相关性。

如图2所示，一种加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价系统，包括：

关系获取模块100，用于获取材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系。

加速因子计算模块200，用于计算实验室加速模拟试验条件下使用应力产生的加速因子，所述应力包括温度应力或温度与湿度应力。

相关性拟合常数因子计算模块300，用于根据所述加速因子，并基于Schwarzschild定律，计算相关性拟合常数因子。

转换模块400，用于将所述相关性拟合常数因子将所述材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系，分别转换为所述材料在实验室加速试验条件下性能参数随辐照累积量变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随辐照累积量变化的关系。

修正值计算模块500，用于根据所述加速因子以及相关性拟合常数因子，获取所述材料在实验室加速模拟试验的辐照累积量修正值以及在自然环境暴露试验的累积辐射量修正值。

相关性评价模块600，用于根据所述实验室加速模拟试验的辐照累积量修正值以及在自然环境暴露试验的累积辐射量修正值或所述相关性拟合常数因子，评价所述材料在加速模拟试验与自然环境试验的相关性。

本发明加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价系统，突破了原Schwarzschild定律只能用于评价实验室单太阳辐射应力试验方法之间相关性的限制，综合考虑了除太阳辐射之外的温度与湿度对材料性能老化的影响，利用温度或湿度影响因子对Schwarzschild定律进行改进，改进的方法能够在充分体现材料性能老化过程规律的同时，可以通过拟合公式量化准确地评价实验室加速模拟试验与自然环境试验之间的相关性。

在其中一个实施例中，所述加速因子计算模块200包括：

应力识别单元，用于识别实验室加速试验中应力种类，所述应力包括温度应力或温度与湿度应力。

第一计算单元，用于当实验室加速试验中产生加速效应的应力为温度应力时，根据Arrhenius模型，计算实验室加速模拟试验条件下使用温度应力产生的加速因子。

第二计算单元，用于当实验室加速试验中产生加速效应的应力为温度与湿度应力时，根据Arrhenius模型以及预设温度-湿度模型，计算实验室加速模拟试验条件下使用温度和湿度应力产生的加速因子。

在其中一个实施例中，所述第一计算单元在实验室加速模拟试验条件下使用温度应力产生的加速因子的计算公式为：

式中，K为加速因子、E_a为材料的温度活化能参数、R＝8.314J·mol^-1·K^-1为气体常数、T_n为在试验周期内自然环境条件的日平均温度、T_s为实验室加速模拟试验所采用的试验温度。

所述第二计算单元在实验室加速模拟试验条件下使用温度与湿度应力产生的加速因子的计算公式为：

式中，K为加速因子、E_a为材料的温度活化能参数、R＝8.314J·mol^-1·K^-1为气体常数、T_n为在试验周期内自然环境条件的日平均温度、H_n为在试验周期内自然环境条件的日平均相对湿度、T_s为实验室加速模拟试验所采用的温度、H_s为实验室加速模拟试验所采用的湿度、τ为湿度活化能参数。

在其中一个实施例中，所述相关性拟合常数因子计算模块300包括：

参数获取单元，用于获取所述材料在实验室加速模拟试验太阳辐射辐照度、试验周期内自然环境条件的日平均辐照度、实验室加速模拟试验太阳辐照累积时间以及试验周期内自然暴露试验太阳辐照累积时间。

计算单元，用于基于Schwarzschild定律，并根据所述材料在实验室加速模拟试验太阳辐射辐照度、试验周期内自然环境条件的日平均辐照度、实验室加速模拟试验太阳辐照累积时间、试验周期内自然暴露试验太阳辐照累积时间以及所述加速因子，计算相关性拟合常数因子。

在其中一个实施例中，所述相关性评价模块600包括：

第一评价单元，用于当所述相关性拟合常数因子为正数时，判定所述相关性拟合常数因子越接近1，所述材料在加速模拟试验与自然环境试验越相关。

第二评价单元，用于当所述相关性拟合常数因子为负数时，判定所述加速模拟试验与所述自然环境试验不相关。

或

修正单元，用于根据所述实验室加速模拟试验的辐照累积量修正值以及在自然环境暴露试验的累积辐射量修正值分别对所述材料在实验室加速试验条件下性能参数随时间变化的关系以及在自然环境条件下性能参数随时间变化的关系，获得修正后的实验室加速试验条件下性能参数随累积辐射量变化的关系以及修正后的自然环境条件下性能参数随累积辐射量变化的关系。

残差率计算单元，用于对所述修正后的实验室加速试验条件下性能参数随累积辐射量变化的关系以及修正后的自然环境条件下性能参数随累积辐射量变化的关系进行线性插值，获得出累积辐射量相同的点之间性能参数的残差率。

第三评价单元，用于当残差率越小时，判定所述材料在加速模拟试验与自然环境试验越相关。

为了更进一步详细解释本发明加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价方法与系统的技术方案及其带来效果，下面将采用应用实例并结合试验数据以及附图进行详细的说明。

应用实例采用氨基磁漆进行实验室加速模拟试验和自然环境暴露试验，并对两种试验方法的相关性进行评价。

实验室加速模拟试验采用以下方案进行：采用太阳辐射(含温度、湿度)→湿热(含温度、湿度)→盐雾试验方式，一个周期为24h，三者作用时间比例为21h：1.5h：1.5h。太阳辐射强度I_s＝1235W/m²，试验中采用的温度量值为T_s＝45℃，相对湿度量值为H_s＝95％，盐雾的微量作用主要用于模拟自然环境中的盐雾环境，增加试验方案的模拟性。试验中每5d(时间)进行性能参数检测。

自然环境试验选择在我国南海西沙永兴岛暴露试验站进行。采用户外暴露的试验形式，经受太阳辐射、湿热、盐雾等环境的综合影响，同时监测环境试验站的年辐照总量Q_N、年日照时长T_N、年平均温度T_n、年平均相对湿度H_n等环境参数。可以计算得到日均辐照强度I_n和日均辐照时间t_s0。根据西沙站监测的环境数据，计算得到I_n＝700W/m²，t_s0＝6.85h，T_n＝25℃,H_n＝80％RH。试验中每90d进行性能参数检测。

表1是实验室加速模拟试验与自然环境暴露试验条件下氨基磁漆的失光率性能参数随时间变化情况。由表中可见实验室加速模拟试验30d相当于自然环境暴露试验365d。试验中失光率参数随累积辐射量变化的曲线见图3。

表1 试验样品性能参数随时间及辐照累积量变化情况

采用传统(如背景技术所述的方案)进行相关性评价。

在使用一种试验样品的情况下，无法使用Spearman秩相关系数法计算相关性，也只能通过变化曲线定性看出两种试验条件下材料性能变化趋势有一定的一致性。如果直接采用Schwarzschild定律计算因子p，由于没有考虑温度、湿度因子的加速效应，计算得到的p＝2.43，用该因子拟合原数据，实验室加速模拟试验每天的累积辐射量为2.46E+06MJ，与实际的累积辐射量93.66MJ相差非常大，正常试验中这种辐射条件无法达到。因此直接采用Schwarzschild定律计算的常数因子p无法用于评价两种试验之间的相关性。

采用本发明加速模拟试验与自然环境试验的相关性评价方法与系统进行相关性评价。

(1)采用各已知参数通过温度-湿度模型计算本例中实验室加速模拟试验温度、湿度加速因子K＝2.55(当不考虑湿度应力，只考虑温度应力时，则可应用本发明提供的Arrhenius模型计算加速因子K)，其中氨基磁漆的活化能参数E_a取35.2，湿度活化能参数τ取22.5。

(2)将加速因子K代入公式可计算得到常数因子p＝0.78。

(3)使用常数因子p计算实验室加速模拟试验每天辐照累积量修正值为每天自然环境暴露试验的累积辐射量修正值为试验样品性能参数随辐照累积量修正值变化情况见表2。根据表2，可以得到拟合后的曲线见图4。由图4可以看出，用常数因子p＝0.78进行修正后，两种试验性能变化数据在拟合后具有很好的相关性。

同时，采用各累积辐射量修正值对两者曲线进行相互插值，残差率计算结果见表3，插值后的曲线见图5。残差率均值为8.7％，两者的相关性非常高。

表2 试验样品性能参数随辐照累积量修正值变化情况

表3 修正后的曲线之间残差计算

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。