一种高温试验实施程序选择方法

摘要

本发明公开了一种高温试验实施程序选择方法，包括以下步骤：S1.确定装备在实际使用过程中的环境剖面，对装备在实际使用过程中所面临的温度进行时序描述；S2.建立温度变化函数P(t)；S3.建立装备的温度响应模型h(t)；S4.获取装备温度响应谱；S5.实施方法的确定；本发明为高温试验程序实施方法提供选择依据，对温度响应速率不同的装备选择合适的高温试验程序实施方法、合理的试验条件，得到更准确的试验结论。

说明书

技术领域

本发明涉及实验室高温试验技术领域，更具体的说是涉及一种高温试验实施程序选择方法。

背景技术

目前高温试验程序有两种，一种是贮存高温试验，一种是工作高温试验，可根据装备的用途、自然暴露环境以及装备实际使用情况选择试验程序。每个高温试验程序都有两种实施方法分别是恒定温度试验与循环温度试验，恒温试验是使用装备面临的环境最大值作为恒定值进行温度试验，循环温度试验是使用周期变化的环境温度进行温度试验。

目前在进行高温试验时，无差别选择试验实施方法，然而不同的装备对变化的温度响应速率是不同的，对温度变化响应较慢的装备，其自身温度响应在实际使用中无法达到外部环境最严酷的温度，因此对这样的装备使用恒温试验并要求达到温度稳定，要求过分严苛，得到的试验结论也是不准确的。需要一个明确的界限为温度响应速率不同的装备选择实施方法提供依据。

因此，如何提供一种高温试验实施程序选择方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高温试验实施程序选择方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高温试验实施程序选择方法，包括以下步骤：

S1.确定装备在实际使用过程中的环境剖面，对装备在实际使用过程中所面临的温度进行时序描述；

S2.建立温度变化函数P(t)；

S3.建立装备的温度响应模型h(t)；

S4.获取装备温度响应谱；

装备温度响应谱包括根据温度变化函数P(t)和温度相应模型h(t)获取的装备-环境温度响应谱和装备-装备温度响应谱；

S5.实施方法的确定；其中：

(1)装备为贮存状态时，

获取输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值，根据贮存状态下的装备-环境温度响应谱获取差值对应的时间常数T′，基于装备的时间常数T，若装备的时间常数T＞T′，则选择循环温度试验；若装备的时间常数T＜T′，则选择恒温试验；

(2)装备为工作状态时，

分别根据装备-环境温度响应谱与装备-装备的温度响应谱，确定总温度差值ΔT

在装备-环境温度响应谱中根据T

需要说明的是：

规定输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值，基于温度响应谱，通过规定的差值确定对应的时间常数，通过此时间常数与装备实际的时间常数的对比选择恒温试验或循环温度试验。

装备以贮存状态进行换热时，有一个时间常数决定装备与环境之间的温度响应速率；装备以工作状态进行换热时，有两个时间常数参与总换热过程，有一个时间常数决定装备与环境之间的温度响应速率，另一个时间常数决定装备内部之间的温度响应速率。

装备以贮存状态时的时间常数与试件密度、装备体积、装备表面面积、装备比热容以及装备表面换热系数有关。

装备以工作状态时，装备内部进行固体导热时的时间常数与装备工作时的发热量，装备内部换热系数以及装备的表面接触面积有关，

优选的，S2具体包括以下内容：

使用函数表达式对实际环境温度进行描述，若环境温度服从某个具体的表达式，则可以使用具体表达式进行描述；若环境温度服从一个随机过程，则使用一个确定温度值代表一个时间段内的温度，将随机过程化为离散点，再通过线性函数连接离散点，使用分段函数描述环境温度的变化。

优选的，S3建立装备的温度响应模型h(t)具体包括以下内容：

(1)当装备为贮存状态时的温度响应函数

由时域系统特性得到：

X

式中，X

取脉冲信号δ(t)作为输入信号X

δ(t)*h(t)＝p(t)*λ(t)由卷积积分公式得：

h(t)＝p(t)*λ(t)：

单位脉冲响应

装备输出温度响应函数为：

p(t)为环境温度变化函数，T为装备时间常数；

(2)当装备为工作状态时的温度响应函数

装备在以工作状态进行热量交换时，热量交换包括装备内部热量交换以及装备与环境之间热量交换；

装备在环境温度变化下的响应函数与装备为贮存状态时的温度响应函数相同；

装备在内部工作时的温度响应函数为：

当试件以恒定最大功率工作时，装备工作产生的热量为：

Q＝P×t

装备内部吸收的工作热量为：

Q＝C×m×ΔT

装备由于工作产热导致的温升为：

式中，Q为试件工作产生的热量；P为试件工作的最大功率；t为试件的工作时间；C为试件比热容；m为试件质量；ΔT为试件由于工作产热导致的温升；

装备内部的温度变化函数为：

装备内部因工作发热的温度响应函数为：

因此，装备以工作状态时在环境温度变化下的响应函数h(t)为：

h(t)＝h1(t)+h2(t)。

需要说明的是：

在环境温度变化时，由于装备自身热惯性的原因，不会立即做出相应的响应，而是会有一个滞后，温度响应速率由装备的时间常数决定，因此根据卷积积分与装备时间常数建立装备的温度响应函数。

以下基于集总参数法进行温度响应模型的建立，当试件的热导率λs很大，表面积很大，表面传热系数h较小且厚度δ不大时，装备的内部导热热阻与表面传热热阻相比可以忽略，假设装备温度可用其任一点的温度表示，将该装备的质量和热容量集中于一点，此时装备中的温差不大，温度降落主要在装备表面。

当装备为贮存状态时的温度响应函数，装备以贮存状态进行热量交换时，是装备与环境之间进行热量交换。这个换热过程可等效视为一个一阶惯性环节。

通过已知的输入信号及其输出响应，可得到当环境变化温度为输入时，装备的输出响应。

装备在以工作状态进行热量交换时，相当于内部包含一个热源，热量交换包括装备内部热量交换以及装备与环境之间热量交换。整个换热过程等效视为两个一阶惯性环节串联。

GJB/T150.3A中高温试验工作程序要求在试件达到环境温度最高响应时，将试件开启最大功率工作，因此，在建立试件工作状态温度响应模型时，假设试件工作功率为恒定最大功率。

优选的，S4.获取装备温度响应谱的绘制方法为：

(1)装备贮存状态时：

确定环境温度变化函数，基于温度响应函数，不断改变时间常数，根据数值积分法可每个时间常数下的最高温度响应，根据时间常数与对应的最高温度响应绘制装备-环境温度响应谱；

(2)装备工作状态时：

通过两个温度响应谱进行描述，其中包括：装备-环境温度响应谱和装备-装备温度响应谱；

确定装备的恒定最大功率，基于装备内部温度响应函数，改变时间常数，根据数值积分法获取每个时间常数下的最高温度响应，根据时间常数与对应的最高温度响应绘制装备-装备温度响应谱。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种高温试验实施程序选择方法，可为适用于恒温法试验的产品以及适用于循环周期法试验的产品提供选择依据，具体包括以下有益效果：

(1)可根据高温试验实施程序选择方法得到温度响应谱，即不同时间常数下对应的时间最高响应温度，根据温度响应谱可得到给定试件的最高响应温度，在要求的温度响应容差范围内，合理选择恒温法或循环周期法进行试验，避免出现过试验的现象。

(2)高温试验实施程序选择方法能够简化试验方法，适合用恒温法进行试验的试件不再选择循环周期法，相对于循环周期法，恒温法可以缩短试验时间，节省试验成本。

(3)高温试验实施程序选择方法能够对恒温法与循环周期法进行相互转化，根据由恒温法与循环周期法得到的温度响应谱得到温度响应谱相交点，此点为某时间常数下，使用恒温法与循环周期法得到的最高温度响应相同，即使用恒温法与循环周期法都可以，可以将两种方法相互转化，若规定一段时间常数范围，则可在这段时间常数范围内的试件，两种试验方法都可以使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种高温试验实施程序选择方法的流程示意图；

图2附图为本发明提供的实施例1中阶跃激励函数的图像；

图3附图为本发明提供的实施例1中装备的实时温度响应图谱；

图4附图为本发明提供的实施例1中的温度响应谱；

图5附图为本发明提供的实施例2中阶跃激励函数的图像；

图6附图为本发明提供的实施例2中装备的实时温度响应图谱；

图7附图为本发明提供的实施例2中的温度响应谱；

图8附图为本发明提供的实施例2中仅在装备内部传热响应函数图像；

图9附图为本发明提供的实施例2中装备在变化的环境温度下工作，响应温度图像；

图10附图为本发明提供的实施例2中装备内部时间常数与装备内部温度响应最高值的关系图；

图11附图为本发明提供的实施例3中斜坡激励函数图像；

图12附图为本发明提供的实施例3中装备的实时温度响应图像；

图13附图为本发明提供的实施例3中装备时间常数与装备温度响应最高值的关系图；

图14附图为本发明提供的实施例4中斜坡激励函数图像；

图15附图为本发明提供的实施例4中装备的实时温度响应图谱；

图16附图为本发明提供的实施例4中装备时间常数与装备温度响应最高值的关系图；

图17附图为本发明提供的实施例4中仅在装备内部传热响应函数图像；

图18附图为本发明提供的实施例4中装备在变化的环境温度下工作的响应温度图像；

图19附图为本发明提供的实施例4中装备内部时间常数与装备内部温度响应最高值的关系图；

图20附图为本发明提供的实施例5中环境温度输入函数图像；

图21附图为本发明提供的实施例5中装备的实时温度响应图像；

图22附图为本发明提供的实施例5中装备时间常数与装备温度响应最高值的关系图；

图23附图为本发明提供的实施例6中环境温度输入函数图像；

图24附图为本发明提供的实施例6中装备时间常数与装备温度响应最高值的关系图；

图25附图为本发明提供的实施例6中仅在装备内部传热响应函数图像；

图26附图为本发明提供的实施例6中装备在变化的环境温度下工作响应温度图像；

图27附图为本发明提供的实施例6中装备内部时间常数与装备内部温度响应最高值的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种高温试验实施程序选择方法，为高温试验程序实施方法提供选择依据，对温度响应速率不同的装备选择合适的高温试验程序实施方法、合理的试验条件，得到更准确的试验结论。

其具体步骤如图1所示，下面将进一步通过实施例来对本发明进行进一步说明。

以下所有实例假设装备在未经历环境温度激励时，均处在25℃的室温下。

实施例1：(环境温度激励为阶跃激励下的装备贮存状态)

规定装备为贮存状态时，输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值为5℃，装备主要材料为纯铝，装备密度ρ＝2710kg/m

已知装备的时间常数为4.074h,经装备为贮存状态时的温度响应函数计算，将p(τ)带入到响应函数中，使用MATLAB进行数值积分计算，装备的实时温度响应如图3所示；

其中，装备的温度响应最高值为74.8233℃，出现在第23个小时。

保持环境温度变化函数一定，不断改变装备的时间常数，借助MATLAB软件使用数值法，得到装备时间常数与装备温度响应最高值的关系图，即温度响应谱如图4所示；

根据规定的输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值为5℃，在温度响应谱中找到对应的时间常数T′＝9.99h,装备的时间常数T＝4.074h，因T＜T′，对装备选取恒值温度试验进行高温试验。

实施例2：(环境温度激励为阶跃激励下的装备工作状态)

规定装备为工作状态时，输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值为10℃，装备主要材料为纯铝，装备为工作状态时以恒定最大功率28W工作4小时，密度ρ＝2710kg/m

(1)装备-环境温度响应谱

假设装备实际经历的环境温度p(τ)为75℃的阶跃激励，阶跃激励函数如图5所示；

根据装备的物体性质得到装备的时间常数为4.074h，经装备为贮存状态时的温度响应函数计算，将p(τ)带入到响应函数中，使用MATLAB进行数值积分计算，装备的实时温度响应如图6所示；

其中，装备的温度响应最高值为74.8233℃，出现在第23个小时。

保持环境温度变化函数一定，不断改变装备的时间常数，借助MATLAB软件使用数值法，得到装备时间常数与装备温度响应最高值的关系图，即温度响应谱如图7所示；

基于装备-环境温度响应谱，找到装备时间常数对应的温度响应最高值为74.8235℃，在装备与环境的热量交换过程中，输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值为0.1765℃，小于规定的10℃，根据计算公式：

ΔT

ΔT

(2)装备-装备温度响应谱

装备内部的温度变化函数为：

根据装备的特征参数，计算p(t)为：

已知装备内部进行固体导热时的时间常数T

装备内部因工作发热的温度响应函数为：

使用MATLAB绘制仅在装备内部传热响应函数图像，如图8所示；

根据GJB/T150.3A要求，装备在达到环境温度最大响应后，开始工作，因此使用MATLAB软件进行查询装备在达到环境温度最大响应时刻并设定装备开始工作。装备在变化的环境温度下工作，装备的响应温度函数为

h(t)＝h

h

h

使用MATLAB进行数值积分绘制，装备在变化的环境温度下工作，响应温度图像如图9所示；

保持装备工作功率函数一定，不断改变装备-装备的时间常数，借助MATLAB软件使用数值法，得到装备内部时间常数与装备内部温度响应最高值的关系图，即温度响应谱如图10所示；

根据(1)求得的：

ΔT

在上图中找到温度差值9.8235℃对应的时间常数T′

实施例3：(环境温度激励为斜坡激励下的装备为贮存状态)

规定装备为贮存状态时，输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值为5℃，装备主要材料为纯铝，密度ρ＝2710kg/m

已知装备的时间常数为T

其中，装备的温度响应最高值为66.1748℃，出现在第23个小时。

保持环境温度变化函数一定，不断改变装备的时间常数，借助MATLAB软件使用数值法，得到装备时间常数与装备温度响应最高值的关系图，即温度响应谱如图13所示；

根据规定的输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值为5℃，在温度响应谱中找到对应的时间常数T′＝2.003h,装备的时间常数T＝4.074h，因T＞T′，对装备选取循环温度试验进行高温试验。

实施例4：(环境温度激励为斜坡激励下的装备为工作状态)

规定装备为工作状态时，输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值为10℃，装备主要材料为纯铝，装备为工作状态时以恒定最大功率28W工作4小时,装备密度＝2710kg/m

(1)装备-环境温度响应谱

假设装备实际经历的环境温度p(τ)为斜坡激励，斜坡激励函数如下式与图14所示；

已知装备的时间常数为T

其中，装备的温度响应最高值为66.1748℃，出现在第23个小时。

保持环境温度变化函数一定，不断改变装备的时间常数，借助MATLAB软件使用数值法，得到装备时间常数与装备温度响应最高值的关系图，即温度响应谱如图16所示；

基于装备-环境温度响应谱，找到装备时间常数对应的温度响应最高值为66.1748℃，在装备与环境的热量交换过程中，输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值为8.8252℃，小于规定的10℃，根据计算公式：

ΔT

ΔT

(2)装备-装备温度响应谱

装备内部的温度变化函数为：

根据装备的特征参数，计算p(t)为：

已知装备内部进行固体导热时的时间常数是T

装备内部因工作发热的温度响应函数为：

使用MATLAB绘制仅在装备内部传热响应函数图像，如图17所示；

根据GJB/T150.3A要求，装备在达到环境温度最大响应后，开始工作，因此使用MATLAB软件进行查询装备在达到环境温度最大响应时刻并设定装备开始工作。装备在变化的环境温度下工作，装备的响应温度函数为：

h(t)＝h

h

h

使用MATLAB进行数值积分绘制，装备在变化的环境温度下工作，响应温度图像如图18所示：

保持装备工作功率函数一定，不断改变装备-装备的时间常数，借助MATLAB软件使用数值法，得到装备内部时间常数与装备内部温度响应最高值的关系图，即温度响应谱如图19所示；

根据(1)求得的

ΔT

在上图中找到温度差值1.1748℃对应的时间常数T′

实施例5：(环境温度激励为日循环激励下的装备为贮存状态)

规定装备为贮存状态时，输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值为5℃，装备主要材料为纯铝，密度ρ＝2710kg/m

表1

相应离散温度点之间使用一次线性函数进行连接，则环境温度输入函数p(τ)为一个连续的分段函数。p(τ)具体图像如图20所示；

已知装备的时间常数T

其中，装备的温度响应最高值为62.7840℃，出现在第17个小时。

保持环境温度变化函数一定，不断改变装备的时间常数，借助MATLAB软件使用数值法，得到装备时间常数与装备温度响应最高值的关系图，即温度响应谱如图22所示；

根据规定的输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值为5℃，在温度响应谱中找到对应的时间常数T′＝2.75h,装备的时间常数T＝4.074h，因T＞T′，对装备选取循环温度试验进行高温试验。

实施例6：(环境温度激励为日循环激励下的装备为贮存状态)

规定装备为工作状态时，输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值为10℃，装备主要材料为纯铝，装备为工作状态时以恒定最大功率28W工作4小时,密度ρ＝2710kg/m

(1)装备-环境温度响应谱

假设装备实际经历的环境温度为离散点，以GJB150.3A-2009中提供的热气候类型诱发条件温度日循环数据为例，如下表所示。

表2

相应离散温度点之间使用一次线性函数进行连接，则环境温度输入函数p(τ)为一个连续的分段函数。p(τ)具体图像如图23所示；

已知装备的时间常数T

基于装备-环境温度响应谱，找到装备时间常数对应的温度响应最高值为62.7934℃，在装备与环境的热量交换过程中，输入温度最高值与装备温度响应最高值之间的差值为8.1966℃，小于规定的10℃，根据计算公式：

ΔT

ΔT

(2)装备-装备温度响应谱

装备内部的温度变化函数为：

根据装备的特征参数，计算p(t)为：

已知装备内部进行固体导热时的时间常数是T

装备内部因工作发热的温度响应函数为：

使用MATLAB绘制仅在装备内部传热响应函数图像，如图25所示：

根据GJB/T150.3A要求，装备在达到环境温度最大响应后，开始工作，因此使用MATLAB软件进行查询装备在达到环境温度最大响应时刻并设定装备开始工作。装备在变化的环境温度下工作，装备的响应温度函数为

h(t)＝h

h

h

使用MATLAB进行数值积分绘制，装备在变化的环境温度下工作，响应温度图像如图26所示：

保持装备工作功率函数一定，不断改变装备-装备的时间常数，借助MATLAB软件使用数值法，得到装备内部时间常数与装备内部温度响应最高值的关系图，即温度响应谱如图27所示：

根据(1)求得的

ΔT

在上图中找到温度差值1.8034℃对应的时间常数T′

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。