一种确定有机玻璃人工加速与使用老化当量关系的方法

摘要

本发明属于疲劳学领域，涉及确定有机玻璃人工加速与使用老化当量关系的方法，其特征在于，包括如下步骤：第一，进行使用老化有机玻璃疲劳性能测试；第二，根据有机玻璃使用的环境，编制使用环境谱；第三，构建当量加速老化时间数学模型；第四，以数学模型得出的加速老化时间为基准参考点，逐步递增老化时间进行环境试验；第五，进行不同人工加速老化时间玻璃的疲劳性能测试并与使用老化玻璃的疲劳性能测试结果进行对比；第六，确定外场使用老化和人工加速老化的当量关系。本发明的优点是：能够快速有效的评定有机玻璃的老化性能，大幅度地提高的工作效率，对缩短研制周期、节约研制成本具有重要意义，经济效益显著。

说明书

技术领域

本发明属于疲劳学领域，涉及确定有机玻璃人工加速与使用老化 当量关系的方法。

背景技术

在进行有机玻璃使用寿命研究时，需要考虑环境对有机玻璃老化 性能的影响。目前多采用是外场曝晒自然老化的方法来确定老化寿 命，此方法存在试验周期长、经费高且试验环境不可控制等不足之处。 人工加速老化试验可以缩短试验周期并能有效的控制试验环境。而如 何确定人工加速老化与使用老化的当量关系是保证这种加速试验数 据可用的关键。以往没有有效地方法确定使用老化与人工急速老化的 当量关系，本方法能够快速有效给出有机玻璃人工加上老化与使用老 化的当量关系。

发明内容

本发明的目的是：提出一种确定有机玻璃人工加速与使用老化当 量关系的方法，能够简单、快捷、准确地确定使用老化和人工加速老 化之间的当量关系，为有机玻璃使用寿命的确定提供依据，缩短研制 周期。

本发明的技术方案是：确定有机玻璃人工加速与使用老化当量关 系的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一，进行使用老化有机玻璃疲劳性能测试，试验件见图1；

第二，根据有机玻璃使用的环境，编制使用环境谱；

第三，构建当量加速老化时间数学模型；

首先确定在实际使用时间内有机玻璃所接受的紫外辐射总量。

根据太阳光谱分析，确定到达地球表面的太阳紫外辐射量与太阳 总辐射量之间的比例关系k。通对使用环境下太阳辐照度的测量和日 照时间统计，可以确定每小时太阳光的平均辐射量为S_a，有机玻璃使 用的目标寿命为T_m，故在使用环境下的有机玻璃所接受太阳紫外辐射 总量B_zw为：

B_zw＝k·T_m·S_a          (1)

在紫外/湿热试验中，考虑到试验件在试验箱中的位置分布以及 在灯管与试验件垂直表面上测量的辐照强度，确定灯管的有效辐照强 度为W，得加速老化小时数

$T_{\mathrm{fs}}=\frac{B_{\mathrm{zw}}}{W}---\left(2\right)$

按紫外/湿热试验加载曲线得到相当于使用时间的老化天数为 N_o：

$N_0=\frac{T_{\mathrm{fs}}}{24}---\left(3\right)$

第四，以数学模型得出的加速老化时间为基准参考点，逐步递增 老化时间进行环境试验：

考虑到构建的数学模型跟实际使用环境之间的偏差性以及模型 构建过程中的数学假设，以数学模型得出的加速老化天数N_o为基准 参考点，确定预老化天数N_P为：

N_P＝N_o-n          （4）

式中n为天数，即在N_o的基础上根据实际情况减少的相应天数。

取新有机玻璃试验件以N_P天为基准，进行人工加速老化，同时 逐渐递增人工加速老化的时间。

第五，进行不同人工加速老化时间玻璃的疲劳性能测试并与使用 老化玻璃的疲劳性能测试结果进行对比：

设数据集D_wc和D_i(i=人工假设老化的天数)表示使用环境下有机 玻璃和不同人工加速老化天数下指定应力水平下疲劳寿命数据集。

将两种环境测试的疲劳数据集进行对比分析。

第六，确定外场使用老化和人工加速老化的当量关系。

将对数疲劳寿命子样平均值作为每个数据集的聚类中心，将欧式 距离，即聚类中心点的空间距离，作为聚类中心接近程度的评定量， 选取人工加速老化和外场使用老化之间欧式距离最小的原则确定人 工加速老化和使用老化之间存在的当量关系。

本发明的优点是：传统的有机玻璃老化试验方法通常需要在老化 试验场地完成为期数年的曝晒试验，而对应同样寿命的人工加速老化 则仅需要数天的时间，极大地缩短了老化试验的周期。能够快速有效 的评定有机玻璃的老化性能，大幅度地提高整体部门的工作效率，对 缩短研制周期、节约研制成本具有重要意义，经济效益显著。

附图说明

图1是用于拉伸疲劳性能测试典型试验件

图2是紫外湿热加载曲线。

图3老化环境谱流程图

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描 述。

下面给出了某有机玻璃使用老化与人工加速老化当量关系确定 的例子。

第一，进行使用老化有机玻璃疲劳性能测试

对使用老化有机玻璃进行分解，进行拉伸疲劳性能测试，测试数 据见表1。

表1使用老化有机玻璃拉伸疲劳测试结果

第二，根据有机玻璃实际使用环境编制使用环境谱

地平线上太阳辐射能谱分布及容差见表2。

表2地平线上太阳辐射能谱分布及容差

其中该有机玻璃的敏感波长为紫外线B，波长为0.28μm～0.32 μm，占太阳辐射能的比例k为0.446%。

根据对测量数据的分析，当量有机玻璃使用10年的盐雾总沉降 量最大量为142.5mg/（80cm²·h），按整个喷雾过程中盐溶液的沉降 率为（1～3）ml/（h·80cm²），则需要的盐雾试验时间为5.94天， 具体的试验时间可根据盐溶液的浓度进行适当的调整。

编制的环境谱见图2、图3。

第三，构建当量加速老化时间数学模型

通对使用环境下太阳辐照度的测量和日照时间统计，可以确定每 小时太阳光的平均辐射量为S_a，有机玻璃使用的目标寿命为T_m，故在 使用环境下的有机玻璃所接受太阳紫外辐射总量B_zw为：

B_zw＝k·T_m·S_a=27.4MJ/m²

在紫外/湿热试验中，考虑到试验件在试验箱中的位置分布以及 在灯管与试验件垂直表面上测量的辐照强度，确定灯管的有效辐照强 度为W，得加速老化小时数

$T_{\mathrm{fs}}=\frac{B_{\mathrm{zw}}}{W}=138.07$

按紫外/湿热试验加载曲线得到相当于使用时间的老化天数为 N_o：

$N_0=\frac{T_{\mathrm{fs}}}{24}\approx 6$

按紫外/湿热试验加载曲线得到相当于使用时间的老化天数为 N_o＝6。

第四，以数学模型得出的加速老化时间为基准参考点，逐步递增 老化时间

以数学模型得出的加速老化天数N_o为基准参考点，确定预老化天 数N_P为：

N_P＝N_o-2

取新有机玻璃试验件以N_P天为基准，进行人工加速老化，同时 逐渐递增人工加速老化的时间。

第五，进行不同人工加速老化时间有机玻璃的疲劳性能测试并与 使用老化玻璃疲劳性能测试结果进行对比

设数据集D_wc和D_i(i=4、5、6)表示使用环境下有机玻璃和不同人 工加速紫外老化天数下指定应力水平下疲劳寿命数据集。

$D_{\mathrm{wc}}=\left(\begin{array}{ccccc}1984& 3721& 4818& 2137& 6765\\ 4759& 8320& 15584& 3791& 5106\end{array}\right)$

$D_4=\left(\begin{array}{ccccc}7846& 12719& 5820& 6129& 9763\\ 14761& 18320& 24579& 33791& 25110\end{array}\right)$

$D_5=\left(\begin{array}{ccccc}6135& 5418& 10854& 5132& 3763\\ 9765& 6584& 12531& 11320& 15106\end{array}\right)$

$D_6=\left(\begin{array}{ccccc}2924& 4231& 5211& 3247& 1855\\ 6325& 3620& 18282& 5182& 4202\end{array}\right)$

将两种环境测试的疲劳数据集进行对比分析。

第六，确定使用老化和人工假设老化的当量关系。

将对数疲劳寿命子样平均值作为每个数据集的聚类中心，则各数 据集的聚类中心为

$D_{693}=\left(\begin{array}{c}3.5422\\ 3.8155\end{array}\right),D_4=\left(\begin{array}{c}3.9083\\ 4.3503\end{array}\right)$

$D_5=\left(\begin{array}{c}3.7687\\ 3.9525\end{array}\right),D_6=\left(\begin{array}{c}3.5183\\ 3.7051\end{array}\right)$

将聚类中心空间点距离接近程度作为评定量，则不同紫外老化天 数下的疲劳性能跟使用老化有机玻璃疲劳性能之间的距离为：

D_693-4＝0.42

D_693-5＝0.07

D_693-6＝0.01

综合上述分析结果数据，可知使用有机玻璃所受的自然老化程度 跟6天紫外/湿热+2天盐雾的人工加速老化存在较好的当量关系。

通过以上方法确定了人工加速老化和外场自然老化当量关系：人 工加速老化和使用老化的紫外辐射总量和盐雾沉降量相当，即可实现 座舱盖玻璃的实验室人工加速老化。