CN102778428B - 一种工程构件环境适应性试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工程构件环境适应性试验系统及方法，其中所述试验系统的装置包括工作室、空气调节室、风道系统、淋雨系统、盐雾系统、气氛导入系统、光照系统、气压控制系统、力学加载系统、传感器系统及环境仓总控系统；该试验系统还包括仿真系统，具有仿真模块与上述装置的各部分相对应，用于对上述装置进行综合控制，该仿真系统还包括边界条件、初始条件、试验程序的输入接口，可实现工程构件环境适应性试验的仿真模拟。所述装置和方法是针对工程构件/材料/结构的环境适应性评价，能显著提高工程构件环境适应试验的设计、数据分析及预测评价的科学性与有效性。

Description

一种工程构件环境适应性试验系统及方法

技术领域：

    本发明属于环境适应性测试领域，特别涉及一种工程构件环境适应性试验系统及方法。

背景技术：

在环境适应性测试中多遵循国内外标准设计环境试验箱，设定试验程序，检测并评价试验结果，其测试试样也在测试标准的规定范围内，多为小尺寸试片。然而，大量工程材料/构件的失效事故说明，基于小尺寸试片在有限的标准测试程序中得到的测试结果进行工程结构设计存在很大风险。原因是简单形状的小试片无法反映出工程构件在环境适应性能方面的尺寸效应、形状效应、材质耦合效应、以及加工不均匀性等等，同时工程构件的真实服役环境具有差异性与复杂性，远非现有测试标准中所简化的情况。因而，针对工程构件，有必要开展全尺寸/大尺寸的环境适应性评价，其中环境谱的剪裁也需要一事一议地科学设定，以期达到合理、等效加速评价其安全性、预测失效形式及机理的目的。

由于其复杂性与特例性，目前针对工程构件的环境适应性测试基本没有系统、成型的测试与评价标准（各行业中的测试标准仅在检测单中最终给出“通过”或“不通过”的简单结果判断，无助于了解工程构件的失效本质与机理）。因此，依完成人经验和水平上的差异，所拟定工程构件的环境适应性试验程序的合理性不同，国际上对于工程构件测试评价结果的可信度一直存在较大争议，加之试验成本高、与目前的小试样测试结果无法对接等问题，最终造成很多重金购建的大型环境模拟试验仓处于长期闲置甚至惨遭废弃。

目前工程构件环境适应性测试评价各阶段工作中的技术现状与存在问题如下：试验设计中存在盲目性——体现在工程构件环境适应性测试程序的设置、工程构件在环境仓中的布置（位置/方向/角度等）、构件周围传感器的布置等方面；试验过程信息缺失——由于试验设计阶段的盲目性，对试验结果缺少基本的预测与判断，构件附近传感器布设不合理，造成试验中大量宝贵过程信息的缺失；失效分析中缺乏科学性——由于试验设计与过程监测中的盲目性，为构件失效行为的演化原因及规律的挖掘带来困难，甚至可能造成整体误判；与现有小试片试验结果间无法对接——由于目前在整个工程构件试验评价中缺乏科学的方法和应有的系统性，无法有效利用现有的大量数据资源，为工程构件评价与预测服务；工程构件试验中缺少积累性——目前盲目性地执行测试试验，无法得到科学的评价结果；更无法有效构建“自完善、自学习”的工程材料服役安全评价体系，实现宝贵数据的学习、整理与挖掘；从而不能为实现工程构件服役安全行为的仿真评价与预测能力奠定基础。

发明内容：

    本发明所要解决的技术问题是：针对工程构件/材料/结构的环境适应性评价（失效分析与服役安全评价），提供一种能够摒弃以上现有问题的环境适应性试验系统及方法，以显著提高工程构件环境适应试验的设计、数据分析、及预测评价的科学性与有效性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：本发明提供一种工程构件环境适应性试验系统，所述系统的装置包括工作室（箱体）、空气调节室、风道系统、淋雨系统、盐雾系统、气氛导入系统、光照系统、气压控制系统、力学加载系统、传感器系统及环境仓总控系统。该试验系统还包括仿真系统，其中的仿真模块与上述装置的各部分相对应，用于对上述装置进行综合控制及数值建模，该仿真系统还包括边界条件、初始条件、试验程序的输入接口，可实现工程构件环境适应性试验的仿真模拟。

进一步地，所述空气调节室包括加热器、制冷压缩机、制冷蒸发器、加湿盘、除湿蒸发器、空气搅拌装置与进、出风口，所述工作室内空气经风道系统进入空气调节室的空气搅拌装置，进而实现调节空气的作用；所述空气调节室连接所述气压控制系统可实现气压调节功能，所述气压控制系统包括单级或多级真空泵、气体管路、以及气压表、气压阀等气压控制元件；所述空气调节室内还设气体导入孔，可以从气氛导入系统中进行污染气氛的导入，所述气氛导入系统包括气体导入控制元件、气体混合室、气瓶、导气管，与总控系统中的气氛浓度控制系统及用于气氛浓度监测的气氛传感器相结合，实现环境适应性试验中污染性气氛的定量模拟。

     进一步地，所述箱体包括外壳、保温材料层、内壁材料层、排水系统、风栅、风板、门、观察窗及照明装置，为环境适应性试验的执行空间，其与淋雨系统相接，通过淋雨系统的水管及喷嘴以实现淋雨模拟功能，其与盐雾系统相接，通过盐雾系统的盐水液槽及管路、盐雾喷嘴实现盐雾模拟功能，其与光照系统相接，通过选择合适的光源以实现红外、紫外或全光谱的模拟或加速模拟功能；另外箱体上设置加载孔，通过密封部件与力学加载系统相接，在进行环境适应性试验的同时可对工件进行力学加载，实现环境模拟与力学加载的耦合。

    进一步地，所述箱体边界条件固定或可调，所述边界条件包括箱体形状及尺寸，内壁材料层、保温材料层及外壳的材质及厚度，送风速率与送风角度、送风口位置与尺寸等。

    进一步地，所述盐雾系统包括盐水温控元件、喷雾控制元件、盐水液槽及管路、盐雾喷嘴，所述盐雾喷嘴直接布置在所述工作室内，通过选择喷嘴种类、合理设置喷嘴个数、位置，可在工作室内试验范围内实现盐雾的定量模拟。

    进一步地，所述淋雨系统包括控温水箱、水管、喷嘴、水质测控系统、水泵及水压控制系统等，可实现不同强度和倾角降雨过程的模拟。

    进一步地，所述光照系统包括光源、投射器、冷却水系统、固定或可移动灯架、以及电源，其中光源可根据光照模拟需求配置灯管规格、位置及数量，并可加装不同的滤光片，可实现以红外、紫外或全光谱的模拟或加速模拟功能。

    进一步地，所述力学加载系统包括加载孔密封部件、加载及控制系统、对于液压作动器需配油源及冷却系统。

进一步地，所述传感器系统包括温、湿度传感器、风速计、气氛传感器、雨量计、气压计、日照强度计，可安装在工作室或空气调节室内或根据不同的试验需求单独安装其中一种或几种的组合，安装位置、数量可调。

    进一步地，其中仿真系统包括与装置各部分一一对应的温湿度、盐雾、淋雨、光照、气压、力学加载、送风等仿真模块；仿真系统还包括与环境仓对应的控制逻辑、控制参数的输入接口、对工作室、空气调节室及风道系统的数值建模、及结果输出演示系统等。仿真系统可实现工程构件环境适应性试验中环境仓内环境参数的仿真模拟。 

      本发明还提供一种工程构件环境适应性试验方法，该方法包括以下步骤：

1）根据用户输入的环境仓的边界条件及测试样品的参数对环境仓及构件进行物理模型及数学模型的构建；

2）用户输入或测定环境箱内初始条件及试验流程；初始条件包括温度、湿度、气氛浓度、气压、降雨条件、光照条件、力学加载条件、以及风速等参数中一种或几种的有机组合，试验流程为上述各参数中一种或几种的变化范围及组合；

3）在所设定的初始条件及试验流程条件下，仿真系统可给出环境仓内，尤其是试验构件附近、表面及内部的环境影响参数三维动态模拟结果；

4）根据步骤3）的结果，对试验构件的环境适应性试验的结果进行预测，进一步指导工程构件环境适应性试验的方案设计，为用户合理布设试验过程参量测试监检测传感器等提供有力支撑，并有效支撑用户对工程构件测试结果的分析与讨论。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1） 可实现科学、合理的试验设计——开展工程构件环境适应性试验前，依据工程构件的实际服役环境条件，通过与环境试验装置相对应的数值建模与仿真计算，实现对试验的预测，对各环境因素在测试控制程序中的设置与优化组合，得到工程构件在环境仓内的空间合理布置方案；

2） 可实现合理、充分的过程检测——通过对环境适应性试验中工程构件附近局部各环境参数变化情况的预测，合理布设监检测系统，保障整个试验的过程参量能够被充分监测和记录下来，为科学解析工程构件的失效行为、其安全评价；

3） 通过工程构件的环境适应性试验，用户可进行仿真模拟与试验设计的不断优化，逐步建立工程构件服役安全评价所需的数据库体系，为实现部分或全部替代物理试验的数值模拟预测与评价能力奠定基础。

本专利所提及的工程构件，包括工程材料、零部件、元器件、整体工程结构、以及部分或整台设备等。不仅包括大型、复杂材质、形状的构件，也包括简单试片。

附图说明：

  图1为本发明中环境适应性试验系统的装置主要构成图；

图2为具体实施例中环境箱及构件简化物理模型；

图3为具体实施例中6061铝合金工件温湿度变化曲线。

具体实施例：

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

本发明的试验系统包括装置和仿真系统两个部分。本发明涉及与所述装置相一一对应的、固化在总控系统中装置各部分的综合控制仿真系统、以及环境适应性试验数值建模仿真模拟系统，后者包括但不限于边界条件、初始条件及试验程序输入接口，与环境仓对应的控制逻辑及控制参数、对环境仓的数值建模，以及环境仓内环境参数的仿真模拟，及结果输出演示系统等。

本发明还涉及环境适应性物理试验与建模仿真相结合的试验方法，其中同时采用上述的试验系统的装置及仿真系统。

图1为本发明涉及的环境适应性试验系统的装置（简称“环境仓”或“环境箱”）的主要构成图，本装置包括工作室（箱体）、空气调节室、风道系统、淋雨系统、盐雾系统、气氛导入系统、光照系统、气压控制系统、力学加载系统、传感器系统及环境仓总控系统。环境箱/仓采用分体式结构，其中箱体与空气调节室分别为单独整体，通过风道系统相互连接。如不需要更换工作室，空气调节室可与风道系统合并设计，空气调节室与工作室共用一个侧壁。其中淋雨、盐雾、气氛导入、光照、气压控制、及力学加载系统为本实施例中包含的内容，实际环境试验箱可根据试验需求增减相应的系统。

空气调节室主要包括加热器、制冷压缩机、制冷蒸发器、加湿盘、除湿蒸发器、空气搅拌装置等执行器与进、出风口，工作室内空气经风道系统进入空气调节室的空气搅拌装置，周而复始地通过空气调节室，从而达到调节空气的作用。环境箱/仓工作室内的温湿度环境条件控制可通过加热器、制冷压缩机、制冷蒸发器、加湿盘和除湿蒸发器、温湿度传感器在总控系统下的协调作动可完成温度、湿度调节的功能；空气调节室连接气压控制系统还可实现气压调节功能；空气调节室内设气体导入孔，可以从气氛导入系统中进行污染气氛的导入，实现海洋大气及工业大气等环境的模拟。

工作室（箱体）包括外壳、保温材料层、内壁材料层、排水系统、风栅、风板、门、观察窗及照明装置等部件。为环境适应性试验的执行空间，其与淋雨系统相接，通过淋雨系统的水管及喷嘴以实现淋雨模拟功能，其与盐雾系统相接，通过盐雾系统的盐水液槽及管路、盐雾喷嘴实现盐雾模拟功能，其与光照系统相接，通过选择合适的光源以实现红外、紫外或全光谱的模拟或加速模拟功能；另外箱体上设置加载孔，通过密封部件与力学加载系统相接，在进行环境适应性试验的同时可对工件进行力学加载，实现环境模拟与力学加载的耦合。为保证环境箱/仓最大限度满足用户的各种研究需求，箱体边界条件固定或可调，边界条件可在制造完成后固定，也可通过更换环境箱/仓体的方式、或局部设计可调整元件（如可移动式风板）的方式使全部或部分的边界条件可调。这里所指的边界条件包括但不限于：环境仓工作室的形状及尺寸，内壁材料层、保温材料层及外壳的材质及厚度，送风速率与送风角度、送风口位置与尺寸等。

盐雾系统主要包括盐水温控元件、喷雾控制元件、盐水液槽及管路、盐雾喷嘴等，其中盐水的水质及水化学可采取在线监控、也可采用提前配置达标后注入盐水槽以满足试验要求，盐雾喷嘴直接布置在工作室内，通过选择喷嘴种类、合理设置喷嘴个数、位置，可在工作室内试验范围内实现盐雾的定量模拟；

气氛导入系统主要包括气体导入控制元件、气体混合室、气瓶、导气管等，与总控系统中的气氛浓度控制系统及用于气氛浓度监测的气氛传感器相结合，实现环境适应性试验中污染性气氛的定量模拟；

淋雨系统主要包括控温水箱、水管、喷嘴、水质测控系统、水泵及水压控制系统等，可实现不同强度和倾角降雨过程的模拟；

光照系统主要包括光源（即辐射灯）、投射器、冷却水系统、固定或可移动灯架、以及电源，其中光源可根据光照模拟需求配置灯管规格、位置及数量，并可加装不同的滤光片，可实现以红外、紫外或全光谱的模拟或加速模拟功能；

气压控制系统主要包括单级或多级真空泵、气体管路、以及气压表、气压阀等气压控制元件；

力学加载可通过在工作室内部以预应力方式实现，或通过在工作室箱壁上开加载孔并实施局部密封的情况下实现力学加载系统与环境模拟试验箱相连，最终实现对测试样品的环境与力学加载耦合模拟。前种情况相对简单，根据测试样品定制应力加载治具；后种情况中力学加载系统主要包括加载孔密封部件、加载及控制系统、对于液压作动器需配油源及冷却系统等。

传感器系统包括温、湿度传感器、风速计、气氛传感器、雨量计、气压计、日照强度计，可安装在工作室或空气调节室内或根据不同的试验需求单独安装其中一种或几种的组合，安装位置、数量可调。所述传感器为本专利中装置环境参数监控所需，不涉及用户在环境适应性测试中用于记录被测试样过程参数所布设的传感器系统。

环境箱/仓装置可模拟的环境因素可包括（部分或全部）、但不限于：温湿度、盐雾、淋雨、光照、气氛、环境仓内气压、力学加载等因素。其中各模拟过程由温湿度系统、盐雾系统、淋雨系统、光照系统、气氛系统、环境仓内气压控制系统及力学加载系统，分别与相应传感器系统共同协调控制实现。具体阐述如下：

通过环境箱总控系统可以实现上述各环境因素中全部或部分的综合控制，实现各环境因素的有机组合，并可提供若干标准化测试步骤，同时允许用户在符合控制机理的前提下，灵活地进行试验流程设置。

在应用过程中，用户输入对试验构件进行数值建模、输入可调整的边界条件、输入或测定初始条件、设定试验程序。装置的仿真系统可在所设定的试验程序条件下，给出环境仓内、尤其是试验构件附近、表面及内部的环境影响参数三维（动态）模拟结果。用户可参照模拟预测结果优化试验程序。

最终经过反复优化试验条件、程序，针对工程构件制定出科学合理的试验方案，并同时达到如下数值仿真目标：获得试验构件的环境适应性试验的预测结果、为用户合理布设试验过程参量测试监检测传感器等提供有力支撑、有效支撑用户对材料/构件测试结果的分析与讨论。

具体而言，该方法包括以下步骤：

 一、根据用户输入的环境仓的边界条件（包括但不限于：形状、尺寸、出风口位置尺寸、回风口位置尺寸等）及测试样品的参数（材质、形状、尺寸等）对环境仓及构件进行物理模型及数学模型的构建。

实施例：以某环境试验箱中温湿度调整为例，展示通过合理的环境箱建模（将被固化入装置）以及测试样品建模，本实施例所涉及的环境模拟仿真方法与试验箱环境适应性测试间可实现较好的吻合。

如图2所示，为某恒温恒湿箱经简化处理的物理模型，两侧壁设置有24个均匀分布方孔作为气流入口，箱体后壁孔板上设置直径为120 mm的圆形出气口， 150×100×35mm的长方体6061铝合金试验样品置于箱内中心位置。

二、用户输入或测定环境箱内初始条件及试验流程。初始条件包括但不限于：温度、湿度、气氛浓度、气压、降雨条件（强度、方向等）、光照条件（光源位置、强度、照射角度等）、力学加载条件、以及风速等参数中一种或几种的有机组合。试验流程为上述各参数中一种或几种的变化范围及组合。

实施例：以温湿度控制为例，初始条件可设置为：箱内空气温度30℃，试样温度30℃，水蒸气质量分数为0.007875（即30℃、30%RH时空气含湿量）；试验流程设置为：环境仓内30℃、30%RH至60℃、60%RH的升温增湿过程。

三、在所设定的初始条件及试验流程条件下，仿真系统可给出环境仓内，尤其是试验构件附近、表面及内部的环境影响参数三维（动态）模拟结果。

实施例：图3为6061铝合金工件在步骤二所设定的初始条件及试验流程情况下的温湿度变化曲线实测值与模拟值的对比，可见模拟值与实测值吻合良好。

四、根据步骤三的结果，对试验构件的环境适应性试验的结果进行预测，进一步指导工程构件环境适应性试验的方案设计，为用户合理布设试验过程参量测试监检测传感器等提供有力支撑，并有效支撑用户对材料/构件测试结果的分析与讨论。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1） 可实现科学、合理的试验设计——开展工程构件环境适应性试验前，依据工程构件的实际服役环境条件，通过与环境试验装置相对应的数值建模与仿真计算，实现对试验的预测，对各环境因素在测试控制程序中的设置与优化组合，得到工程构件在环境仓内的空间合理布置方案；

2） 可实现合理、充分的过程检测——通过对环境适应性试验中工程构件附近局部各环境参数变化情况的预测，合理布设监检测系统，保障整个试验的过程参量能够被充分监测和记录下来，为科学解析工程构件的失效行为、其安全评价；

3） 通过工程构件的环境适应性试验，用户可进行仿真模拟与试验设计的不断优化，逐步建立工程构件服役安全评价所需的数据库体系，为实现部分或全部替代物理试验的数值模拟预测与评价能力奠定基础。

Claims (9)

1.一种工程构件环境适应性试验系统，其特征在于，所述系统的装置包括箱体、空气调节室、风道系统、淋雨系统、盐雾系统、气氛导入系统、光照系统、气压控制系统、力学加载系统、传感器系统及环境仓总控系统，该试验系统还包括仿真系统，其中的仿真模块与上述装置的各部分相对应，用于对上述装置进行综合控制及数值建模，该仿真系统还包括边界条件、初始条件、试验程序的输入接口，可实现工程构件环境适应性试验的仿真模拟；所述空气调节室包括加热器、制冷压缩机、制冷蒸发器、加湿盘、除湿蒸发器、空气搅拌装置与进、出风口，所述箱体内空气经风道系统进入空气调节室的空气搅拌装置，进而实现调节空气的作用；所述空气调节室连接所述气压控制系统可实现气压调节功能，所述气压控制系统包括单级或多级真空泵、气体管路、以及气压表、气压阀；所述空气调节室内还设气体导入孔，可以从气氛导入系统中进行污染气氛的导入，所述气氛导入系统包括气体导入控制元件、气体混合室、气瓶、导气管，与总控系统中的气氛浓度控制系统及用于气氛浓度监测的气氛传感器相结合，实现环境适应性试验中污染性气氛的定量模拟。

2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述箱体包括外壳、保温材料层、内壁材料层、排水系统、风栅、风板、门、观察窗及照明装置，为环境适应性试验的执行空间，其与淋雨系统相接，通过淋雨系统的水管及喷嘴以实现淋雨模拟功能，其与盐雾系统相接，通过盐雾系统的盐水液槽及管路、盐雾喷嘴实现盐雾模拟功能，其与光照系统相接，通过选择合适的光源以实现红外、紫外或全光谱的模拟或加速模拟功能；另外箱体上设置加载孔，通过密封部件与力学加载系统相接，在进行环境适应性试验的同时可对工件进行力学加载，实现环境模拟与力学加载的耦合。

3.根据权利要求2所述的试验系统，其特征在于，所述箱体边界条件固定或可调，所述边界条件包括箱体形状及尺寸，内壁材料层、保温材料层及外壳的材质及厚度，送风速率与送风角度、送风口位置与尺寸。

4.根据权利要求2所述的试验系统，其特征在于，所述盐雾系统包括盐水温控元件、喷雾控制元件、盐水液槽及管路、盐雾喷嘴，所述盐雾喷嘴直接布置在所述箱体内，通过选择喷嘴种类、合理设置喷嘴个数、位置，可在箱体内试验范围内实现盐雾的定量模拟；所述淋雨系统包括控温水箱、水管、喷嘴、水质测控系统、水泵及水压控制系统，可实现不同强度和倾角降雨过程的模拟。

5.根据权利要求2所述的试验系统，其特征在于，所述光照系统包括光源、投射器、冷却水系统、固定或可移动灯架、以及电源，其中光源可根据光照模拟需求配置灯管规格、位置及数量，并可加装不同的滤光片，可实现以红外、紫外或全光谱的模拟或加速模拟功能。

6.根据权利要求2所述的试验系统，其特征在于，所述力学加载系统包括加载孔密封部件、加载及控制系统、对于液压作动器需配油源及冷却系统。

7.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述传感器系统包括温度传感器、湿度传感器、风速计、气氛传感器、雨量计、气压计、日照强度计，可安装在箱体或空气调节室内或根据不同的试验需求单独安装其中一种或几种的组合，安装位置、数量可调。

8.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，其中仿真系统包括与装置各部分一一对应的温湿度、盐雾、淋雨、光照、气压、力学加载、送风仿真模块；仿真系统还包括与环境仓对应的控制逻辑及控制参数的输入接口、对箱体、空气调节室及风道系统的数值建模、及结果输出演示系统；仿真系统可实现工程构件环境适应性试验中环境仓内环境参数的仿真模拟。

9.一种工程构件环境适应性试验方法，其采用权利要求1‐8之一的试验系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）根据用户输入的环境仓的边界条件及测试样品的参数对环境仓及构件进行物理模型及数学模型的构建；

2）用户输入或测定环境箱内初始条件及试验流程；初始条件包括温度、湿度、气氛浓度、气压、降雨条件、光照条件、力学加载条件、以及风速参数中一种或几种的有机组合，试验流程为上述各参数中一种或几种的变化范围及组合；

3）在所设定的初始条件及试验流程条件下，仿真系统可给出环境仓内，包括试验构件附近、表面及内部的环境影响参数三维动态模拟结果；

4）根据步骤3）的结果，对试验构件的环境适应性试验的结果进行预测，进一步指导工程构件环境适应性试验的方案设计，为用户合理布设试验过程参量测试监检测传感器提供有力支撑，并有效支撑用户对工程构件测试结果的分析与讨论。