CN113984833A - 一种环境温度等效及加速试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境温度等效及加速试验方法，旨在解决现有技术中按照实际环境温度进行交变加载试验会导致环境试验难度大、试验时间长、试验不易操作的问题。其中，所述等效方法包括采集历史气象温度数据，根据历史气象温度数据建立环境温度与时间的函数关系，根据环境温度与时间的函数关系构建指定时间段内温度累积效应变化量函数，利用积分中值定理对温度累积效应变化量函数中的变量因子进行变换，从而将环境温度等效为恒定温度；本发明适用于测试温度对产品的影响，能够准确地描述温度随时间的变化规律，并引入修正因子对试验结果进行修正，缩短试验的时间，使结果更符合实际。

Description

一种环境温度等效及加速试验方法

技术领域

本发明涉及产品老化试验技术领域，具体为一种环境温度等效及加速试验方法。

背景技术

环境温度是影响产品可靠性和环境适应性的主要因素，对于易受环境温度影响的产品，其环境剖面经常遭受长期的、变化的温度的作用，从而导致产品故障。为了研究温度对产品的影响，需要收集详细的、长期的环境温度变化数据，采用交变温度试验进行环境温度加载以考核温度对产品长期的影响。在实际开展环境试验过程中，由于产品环境剖面内的温度载荷是随时间不断变化的，按照产品实际环境温度进行交变加载试验会导致环境试验难度大、试验时间长、试验不易操作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种环境温度等效及加速试验方法，用于解决按照产品实际环境温度进行交变加载试验会导致环境试验难度大、试验时间长、试验不易操作的问题。

为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种环境温度等效方法，包括如下步骤：

采集历史气象温度数据；

根据历史气象温度数据建立环境温度与时间的函数关系；

根据环境温度与时间的函数关系构建指定时间段内温度累积效应变化量函数；

利用积分中值定理对温度累积效应变化量函数中的变量因子进行变换，从而将环境温度等效为恒定温度。

优选的，根据历史气象温度数据建立环境温度与时间的函数关系的方法包括：

以年气温变化考核产品受环境温度变化的影响，采集多个历史年份的气象温度数据；

每个月份的环境温度以历史年份中相应月份的最高气温的平均值作为样本数据；

根据样本数据采用傅里叶函数拟合年气温变化曲线；

根据所拟合的年气温变化曲线建立环境温度与时间的函数关系。

优选的，拟合年气温变化曲线之前，将样本数据的单位由摄氏温度转换为绝对温度。

优选的，所述温度累积效应变化量函数采用如下公式表示：

式中：ΔQ表示温度累积效应变化量；t₁、t₂分别表示指定时间段的起始时刻和结束时刻；f(T(t)；Θ)表示温度效应函数；T(t)表示t时刻对应的环境温度；Θ表示温度效应函数中的常参数。

优选的，利用积分中值定理对温度累积效应变化量函数中的变量因子进行变换的方法包括：

用阿伦纽斯模型描述受环境温度影响的产品的温度效应：

式中，R为产品受环境温度影响的反应速率，A为常数，E_a为产品失效机理激活能，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度；

对阿伦纽斯模型两边进行对数转化得到：ln(R)＝ln(A)-E_a/(kT)；

以对数反应速率表示温度效应，则温度效应函数表示为：

将温度效应函数代入温度累积效应变化量函数中，得到：

利用积分中值定理对变量因子

进行变换，则有：

计算得到等效温度

其中T_equal表示等效温度。

另一方面，本发明提供了一种加速试验方法，在产品失效机理不变性的条件下，采用上述等效方法获取的等效温度进行产品失效加速试验。

优选的，判定产品失效机理不变性的方法包括：

通过产品技术参数或强化试验，预先确定产品失效机理不变下的使用环境温度范围[T_min,T_max]；

若等效温度T_equal满足T_min≤T_equal≤T_max，则判定产品失效机理性不变；

其中：T_min表示产品失效机理不变的最低环境温度；T_max表示产品失效机理不变的最高环境温度。

优选的，若等效温度T_equal≤T_max，则采用T_max进行产品失效加速试验。

优选的，若采用T_max进行产品失效加速试验，则试验时间缩短为原来试验所需的

其中，AF表示加速因子，

式中：E_a为产品失效机理激活能，k为玻尔兹曼常数。

优选的，采用修正因子γ对试验结果进行修正，γ＝μ₁/μ₂，μ₁表示变化温度下产品试验结果平均值；μ₂表示等效温度下产品试验结果平均值。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提供的等效方法根据历史气象温度数据建立环境温度与时间的函数关系，根据环境温度与时间的函数关系构建指定时间段内温度累积效应变化量函数，利用积分中值定理对温度累积效应变化量函数中的变量因子进行变换，从而将变化的环境温度等效为恒定温度，解决了变化温度试验不方便加载的技术问题；

本发明提供的加速试验方法，在产品失效机理不变性的条件下，采用上述等效方法获取的等效温度进行产品失效加速试验，即采用等效的恒定温度代替变化温度，有助于降低环境试验难度大、缩短试验时间、提高试验效率；

本发明提供的加速试验方法引入了修正因子对试验结果进行修正，能够确保试验结果更加准确、可靠。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的一种环境温度等效方法的流程图；

图2是根据本发明实施例提供的某历史年度温度变化曲线。

具体实施方式

下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例一：

如图1所示，本发明实施例提供的环境温度等效方法，包括如下步骤：

步骤一：采集历史气象温度数据；

历史气象温度数据收集方法可以为：以近10年的气象温度数据为基准，每个月份的温度值以近10年的月最高气温平均值作为样本数据，共收集12组数据。拟合年气温变化曲线之前，应将采集的样本数据的单位由摄氏温度转换为绝对温度。

步骤二：根据历史气象温度数据建立环境温度与时间的函数关系；

在实际使用环境下，产品在环境剖面内所经受的环境温度是随时间变化的，有日温度变化、月温度变化、季度温度变化、年温度变化等。产品在环境温度的影响下，经受一定的时间，其与温度效应相关的性能指标会逐渐退化。本发明以年气温变化考核产品受环境温度变化的影响，采集多个历史年份的气象温度数据；每个月份的环境温度以历史年份中相应月份的最高气温的平均值作为样本数据，年温度变化曲线符合“上升-平稳-下降”的规律，如图2所示。根据样本数据采用傅里叶函数拟合年气温变化曲线，建立温度T与时间t(月份)的函数关系：T＝T(t)，如公式(1)所示。傅里叶函数可以替换为其他拟合函数，如多项式等。

其中，a₀,a₁,…,a_n,b₁,…,b_n,n,ω为系数，t为时刻，T(t)为时刻t对应的温度值。傅里叶函数一般取n＝2即可满足拟合精度要求。

步骤三：根据环境温度与时间的函数关系构建指定时间段内温度累积效应变化量函数；

受温度影响的产品在时间[t₁,t₂]内的累积温度效应可用下式表示：

式中：ΔQ表示温度累积效应变化量；t₁、t₂分别表示指定时间段的起始时刻和结束时刻；f(T(t)；Θ)表示温度效应函数；T(t)表示t时刻对应的环境温度；Θ表示温度效应函数中的常参数。

步骤四：利用积分中值定理对温度累积效应变化量函数中的变量因子进行变换，从而将环境温度等效为恒定温度。

由积分中值定理

可得：

根据温度函数关系可以求出等效温度。

在环境试验领域，阿伦纽斯模型是使用温度应力试验时最典型、应用最广泛的模型。可以用阿伦纽斯模型来描述受温度影响的产品的温度效应。阿伦纽斯模型可表示为：

式中，R为产品受环境温度影响的反应速率，A为常数，E_a为产品失效机理激活能，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度；

对阿伦纽斯模型两边进行对数转化得到：ln(R)＝ln(A)-E_a/(kT)；

以对数反应速率表示温度效应，则温度效应函数表示为：

在时间[t₁,t₂]环境剖面内温度随时间变化，将温度效应函数代入温度累积效应变化量函数中，得到温度累积效应变化量：

由于

都是常数，因此只需要利用积分中值定理对变量因子

进行变换，则有：

计算得到等效温度

其中T_equal表示等效温度。

需要说明的是，在执行上述环境温度的等效方法时，应当确保产品在所述环境温度内的失效机理保持不变，具体的：可以通过确定产品失效机理不变下的使用环境温度范围[T_min,T_max]进行判定，具体步骤为：通过产品技术参数或强化试验，确定产品失效机理不变的最低环境温度T_min、产品失效机理不变的最高环境温度T_max，在该温度范围内，产品的失效机理保持不变，即产品的失效模式、失效机理和失效原因保持不变，即可认为同一类产品的同一种失效模式的激活能为常数。

下面结合具体试验数据，给出等效环境温度的计算：

通过公式(1)对某地的年温度变化曲线进行拟合，采用傅里叶函数拟合结果如下：

T(t)＝300.6-14.71cos(0.518t)-14.66sin(0.518t)-0.6486cos(0.518t)-5.674sin(0.518t)

利用等效温度计算公式(8)得到全年及四季等效温度，见表1。

表1某地全年及四季等效温度

由上述原理可以认为：产品在恒温28.8℃条件下贮存一年的温度效应可等效为实际变化温度条件下的一年内的温度效应。

综上，本发明实施例提供的等效方法根据历史气象温度数据建立环境温度与时间的函数关系，根据环境温度与时间的函数关系构建指定时间段内温度累积效应变化量函数，利用积分中值定理对温度累积效应变化量函数中的变量因子进行变换，从而将变化的环境温度等效为恒定温度，解决了变化温度试验不方便加载的技术问题。

实施例二：

本实施例提供一种加速试验方法，在产品失效机理不变性的条件下，可以采用实施例一所述的等效方法获取的等效温度进行产品失效加速试验。

判定产品失效机理不变性的方法包括：

通过产品技术参数或强化试验，预先确定产品失效机理不变下的环境温度范围[T_min,T_max]；

若等效温度T_equal满足T_min≤T_equal≤T_max，则判定产品失效机理性不变；

其中：T_min表示产品失效机理不变的最低环境温度；T_max表示失效机理不变的最高环境温度。

若等效温度T_equal≤T_max，则采用T_max进行产品失效加速试验。

若采用T_max进行产品失效加速试验，则试验时间缩短为等效温度下试验所需的

其中，AF表示加速因子，

式中：E_a为产品失效机理激活能，k为玻尔兹曼常数。

采用修正因子_γ对试验结果进行修正，γ＝μ₁/μ₂，μ₁表示变化温度下试验结果平均值；μ₂表示等效温度下试验结果平均值。

根据修正因子，采用等效温度进行试验时，将等效试验时间修正为规定时间的γ＝μ₁/μ₂倍。即为当_γ＞1时，等效温度试验时间延长为规定试验时间的γ倍；当γ＜1时，等效温度试验时间缩短为规定试验时间的γ倍；当γ＝1时，等效温度试验即为规定的试验时间。

为了进一步验证本发明实施例提供的加速试验方法的有效性及优越性，下面结合两组试验数据进行对比分析：每组有n个标准样件，第一组施加变化温度环境载荷，第二组施加等效温度载荷，进行相同时间试验并在试验结束时用专用性能检测仪器进行样本性能检测，得到如表2所示两组检测数据。

表2试验数据

令d_i＝x_i-y_i，i＝1,2,…,n，则可以将其当作正态总体的样本观察值，即：

D＝X-Y～N(μ₁-μ₂,σ₁ ²+σ₂ ²)＝N(μ,σ²)

将μ₁和μ₂是否相等的配对数据检验转化为如下假设检验：

原假设H0：μ＝0，备择假设H1：μ≠0

由于正态总体方差未知，因此采用t检验，检验统计量为：

式中，n为样本数据个数，

为d_i的均值，s_d为d_i的标准差。因此，在给定最低可接受的显著性水平α，拒绝域的临界值为W＝t_1-α/2(n-1)，则有：

①|t|＜W，接受原假设，即μ＝0，变化温度载荷与等效温度载荷在相同时间内，两种试验累积温度效应无差异，可用等效温度完全代替变化温度载荷加载。

②|t|≥W，拒绝原假设，即μ≠0，变化温度载荷与等效温度载荷在相同时间内，两种试验累积温度效应存在差异，需要对其进行处理，引入修正因子γ＝μ₁/μ₂，根据修正因子对试验结果进行修正。

本发明实施例提供的加速试验方法，在产品失效机理不变性的条件下，采用上述等效方法获取的等效温度进行产品失效加速试验，即采用等效的恒定温度代替变化温度，有助于降低环境试验难度大、缩短试验时间、提高试验效率；

本发明实施例提供的加速试验方法引入了修正因子对试验结果进行修正，能够确保试验结果更加准确、可靠。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种环境温度等效方法，其特征在于，包括如下步骤：

采集历史气象温度数据；

根据历史气象温度数据建立环境温度与时间的函数关系；

根据环境温度与时间的函数关系构建指定时间段内温度累积效应变化量函数；

利用积分中值定理对温度累积效应变化量函数中的变量因子进行变换，从而将环境温度等效为恒定温度。

2.根据权利要求1所述的环境温度等效方法，其特征在于，根据历史气象温度数据建立环境温度与时间的函数关系的方法包括：

以年气温变化考核产品受环境温度变化的影响，采集多个历史年份的气象温度数据；

每个月份的环境温度以历史年份中相应月份的最高气温的平均值作为样本数据；

根据样本数据采用傅里叶函数拟合年气温变化曲线；

根据所拟合的年气温变化曲线建立环境温度与时间的函数关系。

3.根据权利要求1所述的环境温度等效方法，其特征在于，拟合年气温变化曲线之前，将样本数据的单位由摄氏温度转换为绝对温度。

4.根据权利要求1所述的环境温度等效方法，其特征在于，所述温度累积效应变化量函数采用如下公式表示：

式中：ΔQ表示温度累积效应变化量；t₁、t₂分别表示指定时间段的起始时刻和结束时刻；f(T(t)；Θ)表示温度效应函数；T(t)表示t时刻对应的环境温度；Θ表示温度效应函数中的常参数。

5.根据权利要求4所述的环境温度等效方法，其特征在于，利用积分中值定理对温度累积效应变化量函数中的变量因子进行变换的方法包括：

用阿伦纽斯模型描述受环境温度影响的产品的温度效应：

式中，R为产品受环境温度影响的反应速率，A为常数，E_a为产品失效机理激活能，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度；

对阿伦纽斯模型两边进行对数转化得到：ln(R)＝ln(A)-E_a/(kT)；

以对数反应速率表示温度效应，则温度效应函数表示为：

将温度效应函数代入温度累积效应变化量函数中，得到：

利用积分中值定理对变量因子

进行变换，则有：

计算得到等效温度

其中T_equal表示等效温度。

6.一种加速试验方法，其特征在于，在产品失效机理不变性的条件下，采用如权利要求1至5任一项所述等效方法获取的等效温度进行产品失效加速试验。

7.根据权利要求6所述的加速试验方法，其特征在于，判定产品失效机理不变性的方法包括：

通过产品技术参数或强化试验，预先确定产品失效机理不变下的使用环境温度范围[T_min,T_max]；

若等效温度T_equal满足T_min≤T_equal≤T_max，则判定产品失效机理不变性；

其中：T_min表示产品失效机理不变的最低环境温度；T_max表示产品失效机理不变的最高环境温度。

8.根据权利要求7所述的加速试验方法，其特征在于，若等效温度T_equal≤T_max，则采用T_max进行产品失效加速试验。

9.根据权利要求8所述的加速试验方法，其特征在于，若采用T_max进行产品失效加速试验，则试验时间缩短为等效温度试验所需的

其中，AF表示加速因子，

式中：E_a为产品失效机理激活能，k为玻尔兹曼常数。

10.根据权利要求6至9任一项所述的加速试验方法，其特征在于，采用修正因子γ对试验结果进行修正，γ＝μ₁/μ₂，μ₁表示变化温度下产品试验结果平均值；μ₂表示等效温度下产品试验结果平均值。

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