文 | 工業(yè)和信息化部電子第五研究所 袁 敏 王 忠

涂裝工藝組合/綜合環(huán)境試驗技術綜述

文 | 工業(yè)和信息化部電子第五研究所 袁 敏 王 忠

本文介紹了組合/綜合試驗技術的發(fā)展歷程及標準應用情況，論述了研究涂裝工藝組合/綜合試驗技術的必要性，對試驗方法的設計原則、設計方法及其技術難點進行了深入剖析，并介紹了幾種試驗結果相互關系的分析方法。

涂裝工藝；組合/綜合環(huán)境試驗

1.言

在實驗室模擬試驗過程中，將多種環(huán)境因素順序作用稱為組合試驗（Composite Test），多種環(huán)境因素的同時或綜合作用稱為綜合試驗（Combined Test）[1]。

大型/復雜裝備在其整個壽命期歷程中，往往要經受各種環(huán)境因素或綜合作用的影響。為了能夠盡量反映裝備在預定壽命期環(huán)境中功能、性能表現，實驗室環(huán)境試驗需要盡量再現裝備所經受的真實環(huán)境或環(huán)境影響效應。通過環(huán)境監(jiān)測獲取的自然環(huán)境數據不能直接應用于裝備的實驗室環(huán)境試驗。因此，需要對自然環(huán)境數據進行分析、剪裁和標準規(guī)范[2]。對大型/復雜電子裝備而言，各組件、結構件、設備之間環(huán)境因素及環(huán)境應力復雜而多樣，多環(huán)境因素的組合/綜合產生的協合影響效應（Synergistic Effect）不容忽視[3]。本文將重點介紹裝備涂裝工藝組合/綜合環(huán)境試驗的必要性、試驗設計方法及結果對比評價方法。

2.合/綜合環(huán)境試驗實施概況

2.1.展歷程

隨著裝備研制的環(huán)境適應性要求不斷提高，實驗室環(huán)境試驗已經從單因素模擬向多因素的組合/綜合模擬發(fā)展，環(huán)境試驗設備也從過去的單一型不斷發(fā)展為復雜型、綜合型。

早在上世紀40年代，美國就在佛羅里達空軍基地建立了著名的麥金萊氣候實驗室（McKinley Climatic Laboratory），同期為美軍B-29，P-51，P-38和R-5D等型號開展了多種氣候環(huán)境模擬試驗。麥金萊試驗室8個大型氣候試驗室，其中主氣候試驗室容量最大、控制系統最為復雜，能夠綜合模擬高低溫、風、雪、凍雨、結冰等復雜氣候環(huán)境。麥金萊氣候試驗室具有優(yōu)越的試驗能力和試驗條件控制功能，成立以來，已為美軍55%的武器裝備開展了多項環(huán)境試驗[4]。

氣候試驗室的卓越表現，使美軍裝備的研制取得了事半功倍的效果，彌補了野外生存訓練經費的不足。為此，美軍不斷加大了對實驗室建設的投資。

上世紀70年代，美軍開始針對各軍兵種的武器裝備特點，在不斷組合原有試驗室的同時，建立相應的氣候試驗室，并逐漸重視力學環(huán)境與氣候環(huán)境的綜合作用。同一時期，英國國防部也針對某些大型/復雜裝備的試驗需求，斥巨資建立了一系列具有先進試驗能力的綜合環(huán)境試驗室。例如英海軍部門1974年建立的馬可尼雷達系統試驗中心，具有溫度、濕度、振動、沖擊、搖擺、淋雨、鹽霧、太陽輻射等試驗能力，有效的試驗區(qū)容積約為788m3，能安裝重量最大約為8t的裝備進行力學試驗[5]。

至上世紀90年代，美軍已經系統地為陸軍、海軍、空軍、海軍陸戰(zhàn)隊四大軍種陸續(xù)建立了試驗室。著名的麥金萊試驗室，發(fā)展成為可以對30多種氣候環(huán)境、天氣條件進行研究和模擬，對多種復雜環(huán)境因素進行組合/綜合的大型試驗室，試驗對象涉及坦克、裝甲車、飛機、大型水面艦艇等，組合/綜合模擬試驗室還同時應用于航空航天等領域[6][7][8]。

2.2.準應用情況

目前，GB/T 2423和GJB 150/GJB 150A等標準規(guī)定了少數組合/綜合試驗項目，例如GJB 150中的溫度-高度、太陽輻射、濕熱、溫度-濕度-高度、溫度-濕度-振動-高度和振動-噪聲-溫度等試驗，GJB 150A中規(guī)定的組合/綜合試驗項目數量則更多[9][10][11]。

組合/綜合試驗越來越廣泛的應用，對試驗設備的能力提出了新的技術要求。實際上，盡管各項標準中提出了明確的組合/綜合試驗方法，但標準并未對試驗作強制性的實施要求。一方面由于組合/綜合環(huán)境試驗過程中引起的裝備故障原因難以確定，需要采取更先進的分析手段；另一方面由于某些組合/綜合試驗設備系統復雜，購買、維護費用較高。正因為如此，GJB 150.1和GJB 150.1A對綜合環(huán)境試驗均做出了以下說明：“綜合環(huán)境試驗可能比一系列連續(xù)的單個試驗更能代表實際環(huán)境效應。使用環(huán)境中遇到這些條件時，鼓勵進行綜合環(huán)境試驗?！?/p>

即便標準未作強制性規(guī)定，由于組合/綜合環(huán)境試驗能激發(fā)某些單因素試驗條件下不會產生的故障模式，為裝備環(huán)境適應性和可靠性提供了最直接的驗證途徑，因此在裝備的研制、生產、定型、交付過程中，組合/綜合環(huán)境試驗仍然越來越多地在各類試驗中開展。

3.裝工藝組合/綜合試驗的必要性

涂裝工藝的防護性能，是裝備在環(huán)境適應性設計初始階段必須考慮的重點問題。GB/T 2423和GJB 150/GJB 150A等標準中規(guī)定的組合/綜合試驗方法，除濕熱試驗、太陽輻射試驗外，大多針對于設備或組件的環(huán)境適應性驗證，并不能直接適用于涂裝工藝的篩選、驗證試驗。特別地，在某些環(huán)境條件惡劣的地區(qū)，現有標準中規(guī)定的組合/綜合試驗方法遠遠不能體現涂裝工藝受壽命期預定環(huán)境條件下的影響效應。例如我國南海海域，具有常年高溫、高濕、高鹽霧、高太陽輻射強度及霉菌生長活躍的典型熱帶海洋氣候環(huán)境特點，各種環(huán)境因素之間具有明顯的協合影響作用。高溫、高濕會加快鹽霧對腐蝕速率和太陽輻射的老化效應，鹽霧與太陽輻射之間的協合作用也不容忽視。如果采用傳統的試驗方法對涂裝工藝進行試驗，并以此試驗結果作為其防護性能的決定標準，則不能體現這些協合作用產生的影響。

研究涂裝工藝的組合/綜合環(huán)境試驗方法，可以更有效地發(fā)現涂裝工藝選材、設計、防護缺陷，對裝備使用過程中的表面防護、使用維護維修具有很好的參考指導作用。

4.裝工藝組合/綜合環(huán)境試驗的基本要求

實驗室模擬環(huán)境試驗可以快速地提供試驗結果，但不能對實際環(huán)境條件進行精確而全面地模擬，其試驗結果與實際結果之間存在差異性和不確定性；在一定條件下，自然環(huán)境試驗的結果比較真實，但缺陷是獲得試驗結果一般需要較長的時間，且需要專門的場地，環(huán)境惡劣地區(qū)的試驗場地建設和維護都相當困難，不方便開展試驗。因此，研究制定涂裝工藝的組合/綜合環(huán)境試驗方法，必須將實驗室環(huán)境試驗與自然環(huán)境試驗結合在一起進行研究。通過對自然環(huán)境條件的主要環(huán)境影響因素進行分析，確定各環(huán)境因素對涂裝工藝的影響機理，在組合/綜合試驗設計中體現出主要的環(huán)境因素和次要環(huán)境因素的試驗量值及試驗時間比例，并采用合理的方法分析兩種試驗之間的相互關系。

4.1.境影響因素的確定

影響產品功能和性能的環(huán)境因素是多方面的，各個地區(qū)的主要環(huán)境影響因素均不相同。要通過收集實測環(huán)境數據，并充分分析各環(huán)境因素的量值和作用時間或頻率，才能確定各環(huán)境因素的影響程度。

4.1.1.定環(huán)境影響

需要對單項環(huán)境因素的影響進行分析，了解它們對涂裝工藝的影響效應，確定組合/綜合試驗開展的項目。例如，東南海海區(qū)環(huán)境具有典型熱帶海洋環(huán)境氣候特點，影響涂裝工藝的主要環(huán)境條件包括太陽輻射、溫度、濕度、鹽霧、霉菌、氧氣等。

4.1.1.1.陽輻射。涂裝工藝材料一般都是采用有機高分子材料，太陽光紫外線部分的光能量能夠切斷有機高分子材料中的化學鍵。太陽光中的紅外線能產生熱效應，使材料溫度上升，加速有機材料的老化。

4.1.1.2.度。東南海常年高溫，高溫環(huán)境對有機高分子材料的老化具有加速作用。

4.1.1.3.度和鹽霧。東南海區(qū)大氣持續(xù)的高濕度環(huán)境，使有機材料表面容易形成水膜，海上含鹽水分又能滲入有機材料內部，加速材料的老化。

4.1.1.4.菌。東南海區(qū)持續(xù)的高溫和高濕，特別適合霉菌生長和繁殖。霉菌可以分解有機高分子材料的某些化合物，代謝物還可與某些有機分子發(fā)生化學反應，導致有機材料性能的劣化。

需要指出的是，并不是所有的組合/綜合環(huán)境因素都能對產品產生更嚴酷的影響效應。對涂裝工藝而言，溫度、濕度、鹽霧、太陽輻射的組合/綜合會加速材料的老化，但是鹽霧與霉菌綜合時，高鹽霧會殺死一部分霉菌，從而降低試驗效果。

4.2.驗設計原則

涂裝工藝大多數情況下都是經受幾種環(huán)境的同時作用，是否需要把所有的單項環(huán)境因素都作為組合/綜合試驗設計的考慮因素，如何對單項環(huán)境因素進行科學地組合/綜合，是組合/綜合試驗設計的核心問題。一般來講，組合/綜合設計應遵循以下原則：

表2.勻正交設計表[14]

表3.勻正交試驗設計示例

4.2.1.因素組合/綜合試驗要與自然環(huán)境試驗有較好的相關性，并具有一定的加速性，因此應將具有放大效應的環(huán)境因素進行組合/綜合；

4.2.2.因素的組合/綜合方式（環(huán)境因素和量值）會有多種，因此在設計試驗剖面時應盡量以國內外現有的標準和研究成果為基礎，減少試驗的組合/綜合次數和試驗量值設置的盲目性；

4.2.3.合/綜合試驗的設計應以現有的試驗設備的技術條件為基礎，排除一些不合實際的組合/綜合方法。

4.3.驗方法設計

組合/綜合試驗中涉及的環(huán)境因素較多，各環(huán)境因素又有多個應力水平，因此，僅僅采用4.2.2中的設計原則仍然會產生太多的組合/綜合試驗組。如果對試驗組進行全面試驗，試驗實施和數據分析變得復雜而繁瑣，帶來不必要的工作量和試驗成本。

日本統計學家田口（Taguchi）在提出了經典的田口正交試驗設計方法，我國方開泰院士對該方法進行了深入研究[12]，現已發(fā)展成為更精簡、更實用的均勻正交試驗設計方法（Uniformity and Orthogonality Method），并廣泛應用于社會生產各行業(yè)[13]。

均勻正交試驗設計方法在大大減少試驗次數的同時，又可保證試驗效果與全面試驗的效果相近。表2是一種二因素五水平的均勻正交表。

用表2對溫度、太陽輻射綜合試驗進行均勻正交設計，各組試驗如表3所示。

溫度（℃）：38，40，43，47，50；

輻照度（W/m2）：0.55，0.58，0.60，0.65，0.68。

5.驗結果的相互關系分析

組合/綜合試驗的直接目的是為了使實驗室模擬試驗環(huán)境更接近于真實環(huán)境，因此需要分析實驗室組合/綜合環(huán)境試驗結果與真實環(huán)境試驗結果的相互關系。相互關系可通過相關性和加速性來表示。如果相關性高，則說明兩種試驗方法所取得的試驗結果差異較小，對實際結果的預示性就較一致。在相關性較高的前提下，提高加速性，就會使實驗室組合/綜合試驗方法更具有實際應用價值。

5.1.性分析

定性分析的主要方法是對試驗中性能檢測數據進行匯總處理，繪制成圖表形式，直觀分析兩種試驗條件下性能檢測數據的變化規(guī)律，對比兩種試驗的相互關系。

5.2.量分析

定量分析是比較常用的相關性分析方法，[15][16]通過對不同種試驗產生的性能檢測結果進行計算，可直接得出各種試驗之間的相關系數和加速倍率。下面介紹幾種相互關系分析方法。

5.2.1.關性

相關性分析的方法有很多，各種相關性分析均有不同的性質和類型，在選擇相關系數計算方法的時，應根據性能檢測數據的變化特點，選擇適當的分析方法。

5.2.1.1.爾遜（Pearson）積矩相關系數法

積矩相關系數法是19世紀末英國統計學家Karl Pearson提出來的，用于計算兩組符合正態(tài)分布或近似正態(tài)分布且具有線性關系的測量值的相關系數。該方法適用于檢測數據較多的情況下使用，且檢測數據越多，相關系數計算越準確。皮爾遜積矩相關系數基本計算公式如下[17]：

其中，r為積矩相關系數，XY分別表示變量X與Y的平均數。

值得注意的是，在對樣品性能檢測數據進行分析時，一般情況下并不能確定性能數據的分布是正態(tài)分布或近似正態(tài)分布，因此，應對分析結果進行假設檢驗，以確定計算結果是準確的。[18]

5.2.1.2.皮爾曼（Spearman）秩相關系數法

斯皮爾曼秩相關系數法是一種非參數線性相關分析，方法較皮爾遜積矩法簡便，適用于小樣本容量的檢測數據相關性分析。與皮爾遜積矩法相比，該方法優(yōu)點是對檢測數據的總體分布不做要求，缺點是計算精度不高。計算的基本公式為：

其中，r為相關系數，D是兩個檢測數據的秩差，n是檢測數據的對數。

以上是兩種常用的相關系數計算方法，兩種相關系數的計算值均不大于1，相關系數越接近于1，說明兩種方法的相關性越好。

5.2.2.速性

加速性可用加速因子（AF）表示。在取得相同的性能檢測結果的情況下，采用一種試驗方法試驗了h1小時，采用另一種試驗方法試驗了h2小時，加速因子AF= h1/h2；或者在試驗相同的時間時，把獲得的性能檢測結果p1與p2之比定義為加速因子，即AF= p1/p2。加速因子越大，說明試驗的加速性越高。

6.結

6.1.行的試驗標準中規(guī)定的組合/綜合試驗項目并不全能直接適用于裝備涂裝工藝的實驗室試驗，研究涂裝工藝的實驗室組合/綜合試驗具有重要的實用意義。

6.2.合/綜合試驗方法的設計應全面考慮涂裝工藝預期壽命環(huán)境剖面中的主要環(huán)境影響因素，根據環(huán)境影響因素實測值確定各因素的應力水平，然后采取一定的原則，設計科學合理的試驗方法。

6.3.擇合理的結果分析方法，對實驗室組合/綜合試驗與自然環(huán)境試驗進行相關性分析，并驗證分析結果。

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[18] 環(huán)境科學領域學術論文中常用數理統計方法的正確使用問題（二）：相關分析中相關系數的選擇.環(huán)境科學學報，2007：1期171～173.

Overview of Composite and Combined Environmental Test for Military Equipment Coating

Evolution history and related standards application of the composite and combined environmental test technology were both introduced in this paper. The necessity of research on composite and combined environmental test for military equipment coating was also discussed. Furthermore, designing methods and principles of the test as well as its technical difficulties were analyzed, correlation analyzing plan was laid out in the end.

equipment coating；composite and combined environmental test

袁敏，男，1986年生，工業(yè)和信息化部電子第五研究所工程師，主要從事環(huán)境試驗及試驗技術研究工作。王忠，男，1968年出生，工業(yè)和信息化部電子第五研究所科技委委員、高級工程師，主要從事可靠性與環(huán)境適應性理論和工程技術、標準制修訂等工作。