CN110299192A - 一种轻武器部件及其复合材料、高分子材料的环境适应性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻武器部件的环境适应性评价方法，采用灰色关联方法对比分析材料及其工艺在不同环境条件下(环境因素类别、强度等)的性能退化差异，计算得到温度、相对湿度、太阳辐射等环境因素与材料性能退化的关联程度，并得到主要环境因素的关联系数和排序，以关联系数为基础、采用归一化方法确定环境适应性综合评判各因素的权重因子；以历史数据为基础，采用模糊隶属度分析方法构建主要环境因素隶属函数，利用模糊综合评判方法开展轻武器部件及关键材料的环境适应性评价。

Description

一种轻武器部件及其复合材料、高分子材料的环境适应性评 价方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料部件的环境适应性评价方法，尤其涉及采用该复合材料部件的轻武器的环境适应性评价方法。

背景技术

灰色关联分析是从不完全的信息中，对所要分析研究的各因素，通过一定的数据处理，在随机的因素序列间，找出它们的关联性。灰色关联分析可以从众多因素中确定出影响系统的主要因素以及因素对系统影响的差别。在自然环境试验数据的处理中，可用于确定影响材料和产品环境适应性的主要因素。

综合评价是对受到多种因素制约的事物或对象，做出一个总的评价。由于在很多问题上，我们对事物的评价常常带有模糊性，因此，应用模糊数学的方法进行综合评价将会取得更好的实际效果。模糊综合评价指的是运用模糊数学思想，通过调查采样、积累相关数据，评价不易量化的复杂系统的过程。模糊综合评价的数学模型可分为一级模型与多级模型两类。

目前，在轻武器装备满足轻量化、长寿命和高环境适应性大背景下，大量应用复合材料、塑料，同时也带来了新的问题。在高温高湿、高辐射条件下，复合材料及塑料性能劣化的速率相对较快，迫切需要了解材料及部件在不同环境下的性能退化差异。现有针对轻武器部组件复合材料的适应性评估方法较为欠缺，对于环境因素对材料性能的影响程度定量描述难度较大，严重影响了轻武器部组件环境适应性评价方法的建立。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一致性好、过程简单易操作的轻武器部件的复合材料和高分子材料的环境适应性评价方法，并能在有限的试验数据和环境因素数据基础上，计算推演材料及部件在不同环境下的环境适应性能力，得到材料及部件的环境适应性综合评价结果。

为了实现上述目的，本发明是这样实现的：

一种复合材料、高分子材料的环境适应性评价方法，包括以下步骤：

第一步：采用灰色关联分析方法进行主环境因素分析；

第二步：通过归一化方法确定环境因素权重；

第三步：依据历史数据或材料损伤机理分析并建立关键性能退化和大气自然环境因素的隶属函数；

第四步：采用模糊综合评价方法评估复合材料、高分子材料在大气自然环境下的的环境适应能力。

其中，历史数据可根据需要评价的性能以及能够影响该性能的某些或全部因素进行预先的检测得到。

具体而言，包含以下步骤：

1.轻武器部组件环境适应性评价步骤如下：

第一步：采用灰色关联分析方法进行主环境因素分析；

1.1)建立环境因素集

环境因素集是影响装备环境适应性的各种因素所组成的集合。通常包含温度、湿度、润湿时间、雨水pH值、太阳辐射、氯离子等。

1.2)确定环境因素权重

通过灰色关联分析法可以分析影响轻武器部件性能的主要因素，并得到主要因素的关联度。

第二步：通过归一化方法确定环境因素权重；

在模糊综合评判中，需要根据每个因素的重要程度，赋予每个因素相应的权重。选取主要环境因素的关联度进行归一化处理可以得到主要环境因素的权重，设第i个因素u_i的权重记为w_i。

第三步：依据历史数据或材料损伤机理分析并建立关键性能退化和大气自然环境因素的隶属函数；

3.1)确定模糊评价集

在模糊综合评估中，评价集是以评判的各种可能结果为元素所组成的集合。为了综合分析各单因素的影响，将产品的环境适应性分为5个等级{很好，好，一般，基本适应，不适应}，因此评价集可表为：V＝{v₁，v₂，v₃，v₄，v₅}。

3.2)构建隶属函数矩阵

隶属函数矩阵R是描述评价因素集和评语集关系的函数，它由表示因素属于某种评语程度的若干组评价向量构成，R＝(r_ij)(i＝1，…，m；j＝1，…，n)。r_ij表示因素i隶属于第j种评语的程度，且

模糊综合评价中，隶属函数形式的选择与实际应用问题有关。通过分析环境因素集，针对以轻武器部件的环境适应性可分别选用梯形或正态分布隶属函数。

第四步：采用模糊综合评价方法评估复合材料、高分子材料在大气自然环境下的的环境适应能力。

4.1)确定综合评判集

隶属函数矩阵R是集合U和V之间的一个模糊关系。由模糊数学原理，R确定了一个模糊映射，把U上的一个模糊子集A映射到V上的一个模糊子集B。A 是映射的原像，B是映射的像。借助于模糊变换 B＝A·R＝(A₁，A₂，…，A_m)·R＝(b₁，b₂，…，b_n)。

4.2)计算综合评估结果

通过前述步骤可计算出轻武器部件在某一具体环境下的适应性。可用加权求和法计算轻武器部件在某一地区的环境适应性，通过分配地区权重，可进一步计算全国的综合环境适应性式中：λ_z是地区权重，可用配发比例、地区占地面积百分比或其他类似量值来表示。

进一步的，关于以上步骤的第一步通过灰色关联分析方法对环境关联程度进行排序，以及第二步确定环境因素权重的过程，包括以下步骤：

a.确定母系列和子系列

母系列为主行为因子，子系列为各因素因子，即：

母系列：x₀(k)＝{x₀(1)，x₀(2)，...，x₀(n)}，k＝1，2，...，n

子系列：x_i(k)＝{x_i(1)，x_i(2)，...，x_i(n)}，k＝1，2，...，n i＝1，2，...，m

b.数据预处理

数据的无量纲化处理。对于非时间序列的数据，本文采用规一化处理。求出和按照下式计算：

c.计算关联系数

经过无量纲化处理后的母系列和子系列分别为：

x₀＝{x₀(k)|k＝1,2,...,n}

x_i＝{x_i(k)|k＝1,2,...,n},i＝1,2,...,m

求两级的最大差与最小差：

计算关联系数：

其中分辨系数ρ取0.5。

d.计算关联度

r_i为灰色关联度。根据计算所得关联度大小排序评定各个环境因素对材料腐蚀性能影响的强弱，排第一者为影响最大因素，排第n者为影响最小因素。

上述主要环境因素关联度归一化公式为：

进一步的，隶属函数是描述评价因素集和评语集关系的函数，它由表示因素属于某种评语程度的若干组评价向量构成。向量中的一个因子r_ij表示因素i隶属于第j种评语的程度。常见的隶属函数有高斯型、双侧高斯型、钟型、sigmoid函数型、sigmoid差型、sigmoid积型、Z型、Π型、S型、梯形和三角形等。

模糊综合评价中，隶属函数形式的选择与实际应用问题有关。通过分析环境因素的特点，针对以材料为主的轻武器部组件环境适应性大都可选用梯形或三角形隶属函数。

进一步的，针对轻武器部件及其材料性能的环境因素特征，本发明选取了主要对复合材料以及高分子材料的几个主要影响环境因素进行隶属函数的构建，构建方式分别采用了正态分布函数和单边梯形函数。具体如下，

1、雨水pH值

对于环境雨水pH值通常表示为[pHmin,pHmax]，即部组件经历环境的最高 pH值和最低pH值，其属于双边约束指标。也就是说，最理想的pH值为中值7，当pH值升高或降低时都影响材料的性能，故选取正态分布隶属函数，均值为中值7，方差为约束条件差的1/6，则可得雨水pH值的隶属度函数为：即：

2、温度

对于轻武器部组件高分子材料、复合材料，大气环境温度的高低是影响其热氧老化速率的因素之一。我国地域辽阔，区域气温差别很大，在夏天，大部分地区最高温度可达37℃～44℃，而地表极端最高温度可达75℃～85℃。在光、氧、水分等因素的参与下，材料户外大气环境老化非常严酷，这时热的因素对高分子材料的老化就起加速作用，气温愈高，加速作用愈大。而且，不同于光老化起初仅限于材料表面，热降解往往贯穿材料，危害更大。

基于材料的热老化作用，当温度较低时，温度对材料的热老化作用不明显，热老化作用随温度升高而增大。当温度在不同范围内变化时，其影响程度不相同，而在某一小范围内变化时，产生的影响变化不大。基于这一特点，首先将其分为 4个等级，即轻度(S)、中等(M)、较重(L)、严重(V)，分别给出各个等级区间的上边界、下边界的估计值。确定隶属区间分别为：[≤0]、[0，20]、[20，30]、[30，50]单位(℃)，建立温度的单边梯形隶属函数为：

3、湿度

大气相对湿度的高低，对轻武器部组件高分子材料、复合材料老化速度也有一定的影响。一般说来，相对湿度大，会加速材料的老化。确定隶属区间分别为： [≤0.3]、[0.3.0.5]、[0.5.0.8]、[0.8.1]单位(％)，建立湿度的单边梯形隶属函数为：

4、润湿时间

在液体环境或潮湿环境中，材料表面会形成水膜，由于热运动和复合材料内部微孔对水的吸附作用，水分会向复合材料内部渗透和扩散，对复合材料产生溶胀、水解等物理、化学作用，从而引起复合材料性能发生可逆和不可逆的变化。根据材料在典型大气自然环境的润湿小时数调查结果，对润湿小时数区间进行划分，确定隶属区间分别为：[≤1000]、[1000.2000]、[2000.4000]、[＞4000]单位(小时h)，建立湿度的单边梯形隶属函数为：

5、太阳辐射

由于高分子材料、复合材料的光老化性质，紫外光对材料性能影响很大，是引起材料老化的主要因素。尽管红外线和可见光不会使大多数化学键断裂，但材料在吸收红外线和可见光后产生的热能会加速高分子的降解。可见太阳辐射对高分子材料、复合材料有破坏作用。根据典型大气自然环境的总辐射调查结果，对总辐射区间进行划分，确定太阳辐射隶属区间分别为：[≤2000]、[2000，4000]、[4000，6000]、[6000，8000]、[＞8000]单位(MJ/m²)，建立太阳辐射的单边梯形隶属函数为：

有益效果：

一般情况下，针对特定的材料，相应的研发专家对此较为清楚，故采用基于多专家打分的AHP方法来确定环境因素权重，但数据依据不足且存在一定的主观性。本发明以材料少量性能退化历史数据为基础，通过分析材料在不同环境下的性能退化数据，得到材料性能退化与不同环境因素之间的关联性，并进一步通过归一化方法分析得到权重因子。较一般方法相比，该方法以一定的试验数据为基础，利用数学统计模型得到的结果可真实体现环境因素对材料性能退化的影响程度，较一般方法具有更高的准确度，减少了权重因子确定的主观性。

并且，本发明的方法，对于不同的复合材料和不同的高分子材料，其得出的评价结果都具有较高的准确度，一致性好。

基于轻武器部件复合材料性能劣化机理和环境因素的特点，运用模糊理论建立轻武器部件复合材料性能劣化对环境因素的隶属度函数，得到的隶属函数以材料失效机理与环境因素的相关性分析为基础，可较为准确的反应环境因素对材料性能退化的影响，进一步为轻武器部件环境适应性模糊综合评价奠定基础。

另外，本发明的方法不但可以应用于符合材料和高分子材料的环境适应性评价，对于其他材料如金属材料、其他非金属材料等，都具有适用性。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但发明并不局限于本实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。

本发明采用的方法要求少量的材料或相似材料的历史退化数据，数据需包含2～3种不同环境条件，数据分析的目的为通过采用灰色关联法确认主要环境影响因素，进而在构建的隶属函数条件下对已知环境因素的条件下对材料环境适应性进行评价。下面举例说明环境适应性评价方法和结果。

实施例：

第一步：采用灰色关联分析方法进行主环境因素分析；

1.1)环境因素权重因子确定

以轻武器碳纤维增强复合材料在不同环境地区的大气拉伸强度数据作为母系列(见表1)，其中拉伸强度数据的空间序列(万宁、拉萨、漠河)的各个环境因素作为子系列进行灰色关联分析，关联度计算给出暴露2年的拉伸强度数据。

表1碳纤维增强复合材料拉伸强度数据序列

试验时间/月	拉伸强度数据序列/(μm/a)
		9	X1＝(118，138.6，100.54)
24	X1＝(103.8，117.68，96.3)

空间序列(万宁、拉萨、漠河)的环境因素数据如表2。

表2空间序列(万宁、拉萨、漠河)环境因素

1.2)按以上方法计算获得的碳纤维增强复合材料与环境因素的关联度和关联排序见表3。

表3环境因素与碳纤维增强复合材料性能退化的关联度及排序

从表3的关联度及其排序可以看出，在所列环境因素中，雨水PH值、辐照、相对湿度、温度是影响碳纤维增强复合材料性能退化的主要环境因素，而SO₂、 Cl^-等对其性能影响相对较小。

第二步：通过归一化方法确定环境因素权重；

2.1)、选取对材料性能影响较大的前五位环境因素开展分析，24个月前五位环境因素(温度,相对湿度,润湿时间,总辐射,雨水pH值)的灰色关联度分别为 (0.439,0.553,0.496,0.78,0.876)，采用归一化方法的五种因素的权重因子 (0.140,0.176,0.158,0.248,0.279)。

第三步：依据历史数据或材料损伤机理分析并建立关键性能退化和大气自然环境因素的隶属函数；

3.1)复合材料环境隶属度计算

根据构建的轻武器部件复合材料隶属函数和各试验站点环境因素量值，求得碳纤增强复合材料部件对各种因素在各试验站点的隶属度为：

表4碳纤增强复合材料部件对各种因素在各试验站点的隶属度

第四步：采用模糊综合评价方法评估复合材料、高分子材料在大气自然环境下的的环境适应能力。

4.1)碳纤增强复合材料综合环境适应性能力分析

根据获取的隶属度和环境因素权重，对碳纤增强复合材料的环境适应能力开展模糊综合评价，评价的结果如表5。

表5碳纤增强复合材料部件对试验点的综合环境适应能力

站点	漠河	北京	敦煌	拉萨	江津	版纳	万宁
								环境适应能力	0.902	0.912	0.922	0.899	0.705	0.764	0.701

4.2)由评价结果可知，部件对各地的环境适应能力由高到低排序：敦煌>北京>漠河>拉萨>版纳>江津>万宁。

Claims (10)

1.一种轻武器部件的复合材料、高分子材料的环境适应性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：采用灰色关联分析方法进行主环境因素分析；

第二步：通过归一化方法确定环境因素权重；

第三步：依据历史数据或材料损伤机理分析并建立关键性能退化和大气自然环境因素的隶属函数；

第四步：采用模糊综合评价方法评估复合材料、高分子材料在大气自然环境下的的环境适应能力。

2.如权利要求1所述的复合材料、高分子材料的环境适应性评价方法，其特征在于：包含以下步骤：

第一步：采用灰色关联分析方法进行主环境因素分析，

1.1)建立环境因素集，

记第i个因素为u_i，

1.2)得到环境因素关联度，

通过灰色关联分析法分析环境影响复合材料、高分子材料性能的主要因素，并得到因素的关联度；

第二步：通过归一化方法确定环境因素权重，

2.1)选取主要环境因素的关联度进行归一化处理可以得到主要环境因素的权重，设第i个因素u_i的权重记为w_i；

第三步：依据历史数据或材料损伤机理分析并建立关键性能退化和大气自然环境因素的隶属函数，

3.1)确定模糊评价集

在模糊综合评估中，评价集是以评判的各种可能结果为元素所组成的合集，为了综合分析各因素的影响，将复合材料、高分子材料的环境适应性分为5个等级{很好，好，一般，基本适应，不适应}，因此评价集可表为：V＝{v₁，v₂，v₃，v₄，v₅}；

3.2)构建隶属函数矩阵

隶属函数矩阵R是描述评价因素集和评语集关系的函数，它由表示因素属于某种评语程度的若干组评价向量构成，R＝(r_ij)(i＝1，…，m；j＝1，…，n)，r_ij表示因素i隶属于第j种评语的程度，且

第四步：采用模糊综合评价方法评估轻武器部件在大气自然环境下的的环境适应能力；

4.1)确定综合评判集

隶属函数矩阵R是集合U和V之间的一个模糊关系，由模糊数学原理，R确定了一个模糊映射，把U上的一个模糊子集A映射到V上的一个模糊子集B，A是映射的原像，B是映射的像，借助于模糊变换B＝A·R＝(A₁，A₂，…，A_m)·R＝(b₁，b₂，…，b_n)；

4.2)计算综合评估结果

通过前述步骤计算出复合材料部件在某一具体环境下的适应性，用加权求和法计算复合材料部件在某一地区的环境适应性，通过分配地区权重，进一步计算全国的综合环境适应性式中：λ_z是地区权重。

3.如权利要求2所述的复合材料、高分子材料的环境适应性评价方法，其特征在于：通过灰色关联分析方法对环境关联程度进行排序，并进一步确定环境因素权重的过程，包括以下步骤：

a)确定母系列和子系列

母系列为主行为因子，子系列为各因素因子，即：

母系列：x₀(k)＝{x₀(1),x₀(2),...,x₀(n)},k＝1,2,...,n

子系列：x_i(k)＝{x_i(1),x_i(2),...,x_i(n)},k＝1,2,...,n i＝1,2,...,m

b)数据预处理

数据的无量纲化处理，对于非时间序列的数据，采用规一化处理，求出和按照下式计算：

c)计算关联系数

经过无量纲化处理后的母系列和子系列分别为：

x₀＝{x₀(k)|k＝1,2,...,n}

x_i＝{x_i(k)|k＝1,2,...,n},i＝1,2,...,m

求两级的最大差与最小差：

计算关联系数：

其中分辨系数ρ取0.5；

d)计算关联度

r_i为灰色关联度，根据计算所得关联度大小排序评定各个环境因素对材料腐蚀性能影响的强弱，排第一者为影响最大因素，排第n者为影响最小因素，

上述主要环境因素关联度归一化公式为：

4.如权利要求1、2或3所述的复合材料、高分子材料的环境适应性评价方法，其特征在于：隶属函数选用梯形或三角形隶属函数。

5.如权利要求4所述的复合材料、高分子材料的环境适应性评价分析，其特征在于：构建雨水PH值的隶属函数，对于环境雨水pH值表示为[pHmin,pHmax]，选取正态分布隶属函数，均值为中值7，方差为约束条件差的1/6，则可得雨水pH值的隶属度函数为：即：

6.如权利要求4所述的复合材料、高分子材料的环境适应性评价方法，其特征在于：构建大气温度的隶属函数，将温度对复合材料、高分子材料老化程度的影响分为4个等级，即轻度(S)、中等(M)、较重(L)、严重(V)，分别给出各个等级区间的上边界、下边界的估计值，确定隶属区间分别为：[≤0]、[0，20]、[20，30]、[30，50]，建立温度的单边梯形隶属函数为：

7.如权利要求4所述的复合材料、高分子材料环境适应性评价方法，其特征在于：构建大气相对湿度的隶属函数，确定隶属区间分别为：[≤0.3]、[0.3，0.5]、[0.5，0.8]、[0.8，1]，建立湿度的单边梯形隶属函数为：

8.如权利要求4所述的复合材料、高分子材料的环境适应性评价方法，其特征在于：构建润湿时间的隶属函数：对润湿小时数区间进行划分，确定隶属区间分别为：[≤1000]、[1000，2000]、[2000，4000]、[＞4000]，建立湿度的单边梯形隶属函数为：

9.如权利要求4所述的复合材料、高分子材料的环境适应性评价方法，其特征在于：构建太阳辐射的隶属函数：对总辐射区间进行划分，确定太阳辐射隶属区间分别为：[≤2000]、[2000，4000]、[4000，6000]、[6000，8000]、[＞8000]、，建立太阳辐射的单边梯形隶属函数为：

10.一种轻武器部件的环境适应性评价分析，其特征在于：采用上述权利要求1-9所述的复合材料、高分子材料的环境适应性评价方法。