实验室力学与热学环境试验技术

第1章 概述
　　1.1 装备环境及效应
　　1.1.1 装备环境
　　任何事物都不是孤立存在的，而是与相关外部事物相互依存、相互影响的。“环境”一般是指某个中心事物的外部世界。中心事物不同，外部世界亦随之改变，环境的内涵也自然不同。如果以人为中心，外部世界就包括其所处的大自然及所生活的社会，即我们常说的自然环境和社会环境；如果以装备为中心，外部世界就包括其所处的自然环境和接触装备的人有意或无意创造的外部条件。可见，“环境”是围绕中心事物周围的复杂综合体，是个相对概念。
　　装备环境是围绕装备周围的所有外部事物的总和。在装备环境工程中，把环境定义为“装备在任何时间或地点所存在的或遇到的自然和诱发的环境因素的综合”[1]。装备环境可以用力、温度、湿度、压力等一组物理量定量描述，称为环境载荷(load)，例如，在10km高度巡航的飞机，可以用温度、压力等物理量来表示飞机所处的外部环境载荷。环境载荷作用在装备上，会诱发装备内部应力、温度变化、化学反应等现象，称为响应(response)。工程上，为方便应用，经常用响应来间接描述载荷，例如，飞机外表面受到气流压力作用诱发机身振动，就常用机身振动功率谱密度(见第3章)来描述外部气流环境载荷。
　　我们可以从不同角度对装备环境进行分类。从环境来源的角度，可分为自然环境(natural environment)和诱发环境(induced environment)。自然环境指温度、湿度、气压、风压、沙尘、霉菌等自然界中非人为因素构成的环境。诱发环境指人使用装备、装备自身运行、其他相关装备运行所产生的环境，例如，由于装备运输或装备运行所产生的振动、冲击、噪声等环境。敌方以阻止、破坏为目的人为构造的诱发环境又称为敌方环境(hostile environment)，如破坏电子学系统的强电磁脉冲环境等。从装备使用的角度，装备环境可分为正常环境和异常环境。正常环境指自然环境和装备正常使用时的诱发环境，一般不包括敌方环境。异常环境指装备使用过程中出现意外事故产生的诱发环境，如意外跌落产生的冲击环境。从环境所具备的学科特征，也把装备经受的静力、振动、冲击等环境统称为力学环境，把与热交换相关的环境统称为热学环境等。本书对环境的分类描述以学科特征为主线条，主要涉及力学与热学环境。
　　需要注意的是，自然环境、气候环境、大气环境等术语在气象科学、环境科学等领域有特定含义，与本书的术语内涵有较大区别，应注意区分。
　　1.1.2 装备环境效应
　　装备与环境相互作用、相互影响。我们既要考虑装备对环境的影响，如雷达站对当地电磁环境的影响，也要考虑环境对装备的影响，即装备环境效应(environmental effect)。装备的环境效应指“装备在其寿命期的各种单一或综合/组合环境作用下，引起装备的材料、元器件和结构件疲劳、磨损、腐蚀、老化、性能退化或降级，造成装备性能下降乃至功能丧失的现象”[1]。装备环境效应的强弱与外部环境载荷、装备响应、装备敏感特征等诸多因素有关。
　　一般来说，环境效应对装备是不利的。例如，振动环境可能引起装备部件磨损、松动，高温环境可能引起材料膨胀变形、加速材料老化，噪声环境可能引起部件疲劳等。如果不采取措施，环境效应可能导致装备可靠性下降，或寿命期缩短；如果采取措施减缓环境影响或提高产品耐受能力，则可能提高成本，牺牲产品其他性能，甚至引发其他问题。因而产品研发过程就是综合考虑多因素权衡利弊的过程。
　　环境效应也是可以利用的。有的装备就利用环境敏感装置(environment sensitive device，ESD)来测量环境效应参数，作为触发动作的阈值。例如，轿车利用安装在座位下的压力传感器来探测乘客，触发安全带提醒系统；国外某航空装备利用降落伞打开时产生的冲击信号，激活内部电池[2]。
　　1.2 装备环境工程
　　1.2.1 定义及主要工作项目
　　2000年，美国国防部发布军用环境试验标准MIL-STD-810F：Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests [3]，首次提出了装备环境工程的概念。2001年，我军颁布 GJB 4239-2001《装备环境工程通用要求》[1]，将装备环境工程定义为：“将各种科学技术和工程实践用于减缓各种环境对装备效能影响或提高装备耐环境能力的一门工程学科，包括环境工程管理、环境分析、环境适应性设计和环境试验与评价等”，其主要工作项目见表1-1。这是我国第一个以装备环境工程为基础的环境工作顶层标准，反映了对装备环境适应性这一质量特性的认识有了质的提升[1，4]。需要注意的是，“环境工程”常用于指环境保护工程，主要内容是人类居住环境的测量、保护、治理等，关注的重点是人与自然的相互影响。而本书讨论的环境工程，其对象是人研制的各类装备，如车、船、导弹、飞机等，关注的重点是环境对装备的影响。为此，通常冠以“装备”二字以示区别。
　　表1-1 环境工程工作四大类项目
　　1.2.2 发展沿革
　　装备环境工程大致经历了早期萌芽诞生、中期快速发展、后期成熟完善三个阶段。我国装备发展初期的工业基础薄弱，主要借鉴国外成果，装备环境工程经历了从无到有，由弱到强的过程[5-7]。
　　1. 萌芽诞生
　　1910～1950年，两次世界大战带动西方和日本发展了大量车船、枪炮、飞机、雷达、导弹等军用装备。*初，装备研制还没有环境适应性的概念，在研发过程中只关注功能实现，导致这些装备在运输、贮存、使用过程中出现大量失效和损坏。例如，德军坦克低温下无法启动，美军装备在东南亚和太平洋湿热环境中出现故障，等等。据美国空军统计，第二次世界大战失效和损坏产品有52%是由于恶劣环境引起的[8]。为了解决这些问题，1919年美国率先在装备出厂验收中开展简单的温度、振动模拟试验，英国、法国、德国、苏联等开始效仿。当时的试验条件和方法各不相同，没有统一的标准。第一次世界大战以后，一些工业发达国家开始建立专门的实验室来研究、检验装备的环境适应性，并开始制定标准，规范试验条件和方法。1945年，美国空军制定了第一个航空设备环境试验标准AAF-41065：Equipment General Specification for Environmental Test[9]；1949年美国空军在佛罗里达州建立了麦金莱气候实验室(McKinley Climatic Laboratory)，成为美军武器走向战场的第一位“考官”。
　　在民用产品研制方面，国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)*早在1948年开始考虑电子产品的环境适应性，但一直到20世纪60年代，都没有形成标准。
　　我国的装备环境试验工作始于20世纪50年代第一个五年计划(1952～1957年)期间，当时在苏联帮助下集中力量建立了156个军用和民用工业单位。这些单位研发的产品都是按苏联标准进行制造和验收的，其手段包括环境验收检验和例行试验，这也是我国对环境适应性认识的开始。1955年我国与东欧六国合作，开展热带、亚热带气候对电子产品的影响研究，并在广州、上海、海南建立了自然暴露环境试验站。在这个阶段，我国环境试验以学习苏联标准为主，装备环境工程开始起步。
　　2. 快速发展
　　20世纪60年代初期到90年代中期是国外环境工程的快速发展期。1959年美国成立了环境科学学会(Institute of Environmental Sciences，IES)，每年开展学术交流活动，并在总结大量实践经验的基础上，开始制定环境试验标准。1962年美国空军发布了第一个空军通用标准MIL-STD-810：Environmental Test Methods for Aerospace and Ground Equipment[10]；美国国防部在此基础上，增加了陆海军的特殊要求，于1964年发布了MIL-STD-810A：Environmental Test Methods for Aerospace and Ground Equipment[11]，作为三军通用试验标准。1973年美军颁布MIL-STD-210B：Climatic Extremes for Military Equipment[12]，标志着环境试验进入定量、科学的发展阶段。北约、英国也效仿美国，分别制定了STANAG 4370： Environmental Testing[13]、DEF-STAN00-35：Environmental Handbook for Defense Materiel[14]等环境试验标准。这一时期，环境试验设备的品种增多、试验控制技术发展迅速，美国、英国、日本研制和生产了大量环境试验设备，实验室模拟的真实性得到大幅改善。与此同时，美国等发达国家在长期实践中认识到实验室环境试验的局限性，开始逐渐引入自然环境试验和使用环境试验。这一期间，MIL-STD-810系列标准不断修订，影响不断增大，被不少国家采用。特别是1973～1978年，美国、英国、法国、德国等国家历时五年，修订发布MIL-STD-810D：Environmental Test Methods and Engineering Guidelines[15]。
　　在此期间，民用产品环境试验标准开始出现。1961年，IEC专门成立了“环境试验技术委员会”，研究环境试验机理、试验技术、试验程序等；1973年又成立了“环境条件技术委员会”，专门研究环境条件的分类和分级。
　　我国于20世纪80年代引进美国军用标准，包括810系列环境试验标准。在研究国外军标的基础上，开始制定自己的军用环境试验标准，于1986年发布了首个成套的国家军用标准GJB 150-1986《军用设备环境试验方法》[16]。民用产品领域也开始借鉴国外经验，并且开始参加IEC和国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)的工作。这段时间虽然是我国环境试验标准编制*活跃的时期，但标准并没有得到很好的贯彻。
　　3. 成熟完善
　　1992年美国开始修订军用环境试验标准，历经八年于2000年颁布了MIL-STD-810F，并更名为Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests(《环境工程考虑和实验室试验》)，这种把管理和试验方法合并的混合标准，从根本上改变了该系列标准的性质，首次明确了装备环境工程的定义，标志着环境试验向环境工程转变。同时期英国、北约颁布的国防装备环境手册也明确规定了环境工程工作要求。
　　借鉴发达国家经验，我国于2001年颁布了GJB 4239-2001，该标准是我国第一个装备环境工程顶层标准，标志着我国装备环境工程工作及装备研制进入一个新的阶段[4，17]。
　　到目前为止，我国已制定了一系列民用和军用产品环境条件与环境试验标准并应用于产品研制，提高了产品的环境适应性和可靠性，增强了产品的质量和市场竞争力。在环境试验设备研发方面，也同样取得了长足进步，特别是技术含量高、难度较大的振动台、离心机等力学环境设备，不仅打破了国外封锁，而且达到国际先进水平，进入国际市场。
　　1.3 装备环境试验
　　装备环境试验就是将装备或产品暴露于特定的环境中，确定环境对其影响的过程。在装备环境工程中，环境试验是与环境工程管理、环境分析、环境适应性设计并列的环境工程重要工作内容之一。
　　按照不同分类标准，环境试验可划分为很多类型。例如，根据试验性质，可划分为功能/性能试验，环境适应性试验，环境效应模拟试验等；根据试验目的，可划分为环境应力筛选试验、寿

《实验室力学与热学环境试验技术》主要针对力学和热学类实验室环境试验，对其基本方法、实用技术及相关知识进行了系统介绍。主要内容包括：装备环境工程及环境试验的基本知识，加速度、振动、噪声、冲击、温度等常用的单因素环境试验技术以及典型的多因素综合环境试验技术，环境试验测试技术基础，动力学环境数据采集、处理及环境条件预示技术，环境试验通用要求等。*后对装备环境工程和环境试验的发展趋势进行了展望，并附上环境试验常用概念和相关术语供读者学习和查阅。

目录
第1章 概述 1
1.1 装备环境及效应 1
1.1.1 装备环境 1
1.1.2 装备环境效应 2
1.2 装备环境工程 2
1.2.1 定义及主要工作项目 2
1.2.2 发展沿革 3
1.3 装备环境试验 5
1.3.1 自然环境试验 6
1.3.2 使用环境试验 7
1.3.3 实验室环境试验 7
1.4 环境试验与可靠性试验、安全性试验的关系 8
1.4.1 环境试验与可靠性试验 8
1.4.2 环境试验与安全性试验 9
参考文献 10
第2章 加速度试验技术 11
2.1 加速度环境 11
2.1.1 来源及表征 11
2.1.2 加速度环境效应 12
2.2 加速度试验的静力学基础 12
2.2.1 材料的强度极限与屈服极限 12
2.2.2 强度理论 13
2.2.3 结构静力学数值模拟 14
2.3 加速度环境试验条件 15
2.3.1 恒定加速度试验条件确定方法 16
2.3.2 变加速度试验条件确定方法 17
2.4 加速度试验的加载设备与技术 17
2.4.1 离心机 18
2.4.2 火箭橇 21
2.5 加速度试验的夹具设计技术 22
2.5.1 夹具的设计技术 22
2.5.2 夹具的质量控制 23
2.6 加速度试验应关注的几个问题 24
2.6.1 加速度梯度和允差要求 24
2.6.2 离心机的转臂平衡要求 24
2.6.3 试件在离心机上的试验方向约定 25
2.6.4 离心机转速计算 25
2.7 加速度试验技术的发展趋势 25
参考文献 28
第3章 振动试验技术 30
3.1 振动环境的来源 30
3.2 振动试验的振动力学基础 30
3.2.1 概述 30
3.2.2 受迫振动 31
3.2.3 随机振动 33
3.2.4 振动隔离 33
3.2.5 振动数值模拟案例 34
3.3 振动环境的效应 36
3.3.1 疲劳破坏 36
3.3.2 峰值破坏 39
3.4 振动环境的表征 39
3.4.1 随机振动 39
3.4.2 正弦振动 41
3.5 振动环境试验条件 41
3.5.1 公路运输振动试验条件确定方法 41
3.5.2 喷气式飞机外挂物振动试验条件确定方法 42
3.5.3 再入飞行振动试验条件确定方法 45
3.5.4 复杂装备的组件振动试验条件确定方法 48
3.6 振动试验的加载设备与技术 49
3.6.1 液压振动台 49
3.6.2 电动振动台 53
3.6.3 水平滑台 55
3.6.4 振动控制器 57
3.6.5 振动试验加载设备的选用与配置 58
3.7 振动试验夹具的设计原则与方法 59
3.7.1 振动试验夹具的典型结构形式 59
3.7.2 振动试验夹具设计制造的基本原则 60
3.7.3 振动试验夹具优化设计 62
3.7.4 动态特性设计的再讨论——共振频率*大化原则 65
3.7.5 更复杂问题的设计实例——基于响应分布规律模拟的夹具设计 67
3.8 振动试验应关注的几个问题 68
3.8.1 控制方法选择 68
3.8.2 试验允差要求 69
3.9 振动试验技术的发展趋势 71
参考文献 75
第4章 噪声试验技术 78
4.1 噪声环境来源 78
4.1.1 机械旋转 78
4.1.2 机械摩擦 78
4.1.3 冲击 78
4.1.4 高速流动 79
4.2 噪声传播的线性波动方程 79
4.3 噪声环境的表征 81
4.3.1 声速 81
4.3.2 声压与声压级 81
4.3.3 声功率与声功率级 82
4.4 噪声环境效应 82
4.5 噪声环境试验条件 83
4.5.1 发动机喷流噪声预示 83
4.5.2 气动噪声预示 84
4.5.3 航天器内噪声预示 85
4.6 噪声试验设备 85
4.6.1 声源 86
4.6.2 声场 87
4.6.3 声场测量仪器 88
4.7 噪声试验应关注的几个问题 89
4.7.1 试验方法和设备的选用 89
4.7.2 试件的安装 90
4.7.3 声场测量 90
4.7.4 试验控制及允差要求 91
4.7.5 试验中断 91
4.8 噪声试验技术的发展趋势 92
参考文献 94
第5章 冲击试验技术 96
5.1 冲击环境的来源及效应 96
5.2 冲击试验的冲击动力学基础 96
5.2.1 冲击动力学的特点 96
5.2.2 应力波传播 97
5.2.3 材料的动态响应 98
5.2.4 冲击载荷的数值模拟 99
5.3 冲击环境的表征 100
5.3.1 时域表征 100
5.3.2 频域表征 101
5.4 冲击环境试验条件 103
5.4.1 爆炸分离冲击环境 104
5.4.2 运输冲击环境 108
5.5 冲击试验的加载设备与技术 109
5.5.1 跌落式冲击机 109
5.5.2 电动振动台 114
5.5.3 冲击谱试验机 114
5.5.4 火工装置 115
5.5.5 几种冲击加载技术的比较 116
5.6 冲击试验夹具设计方法 117
5.6.1 冲击试验夹具设计的基本方法 117
5.6.2 冲击试验夹具的优化设计方法与实例 118
5.7 冲击试验应关注的几个问题 121
5.7.1 冲击试验方法的选用 121
5.7.2 加速度测试系统的频响要求 122
5.7.3 试验允差 123
5.7.4 试验中断 125
5.8 冲击试验技术发展趋势 126
参考文献 128
第6章 温度试验技术 130
6.1 温度环境的来源 130
6.1.1 大气层内温度环境 130
6.1.2 大气层外辐射换热环境 131
6.1.3 气动加热环境 132
6.2 温度试验的传热学基础 133
6.2.1 导热 133
6.2.2 对流 136
6.2.3 热辐射 139
6.3 温度环境的效应和表征 142
6.4 温度环境试验条件 143
6.4.1 极值温度 143
6.4.2 贮存高低温 144
6.4.3 工作高低温 146
6.4.4 温度冲击 146
6.5 温度试验的加载设备与技术 147
6.5.1 温度试验箱的基本构成 148
6.5.2 温度试验箱的主要技术指标 150
6.6 温度环境试验的夹具设计技术 151
6.7 温度试验应关注的几个问题 152
6.7.1 温度试验箱的选用 152
6.7.2 温度稳定及其判定 153
6.7.3 温度设定 154
6.7.4 试验持续时间 154
6.7.5 试验允差 155
6.7.6 试验中断与处理 155
6.8 温度试验技术发展趋势 157
参考文献 158
第7章 典型综合环境试验技术 160
7.1 概述 160
7.2 温度-湿度综合试验技术 161
7.2.1 概述 161
7.2.2 湿热环境效应 161
7.2.3 湿热试验技术 162
7.2.4 湿热试验的测试 163
7.3 温度-振动综合试验技术 163
7.3.1 概述 163
7.3.2 温度-振动综合试验的加载设备与技术 164
7.3.3 温度-振动综合试验的测试技术 168
7.4 加速度-振动综合试验技术 169
7.4.1 概述 169
7.4.2 加速度-振动综合试验的加载设备与技术 170
7.4.3 加速度-振动综合试验的测试技术 176
7.5 加速度-气动力综合试验技术 176
7.5.1 概述 176
7.5.2 加速度-气动力综合试验的加载设备与技术 177
7.5.3 加速度-气动力综合试验的测试技术 178
参考文献 178
第8章 环境试验测试技术基础 181
8.1 概述 181
8.2 测试系统的一般构成 182
8.3 环境试验中常用的传感器 183
8.3.1 加速度传感器 184
8.3.2 应变传感器 189
8.3.3 位移传感器 193
8.3.4 温度传感器 195
8.3.5 声传感器 198
8.4 信号转换与调理 199
8.4.1 电桥 199
8.4.2 电荷放大器 202
8.4.3 调制与解调器 204
8.4.4 滤波器 209
8.4.5 常见的信号转换与调理集成仪器 212
8.5 数据的采集、显示与存储 215
8.5.1 模拟/数字转换(A/D转换) 215
8.5.2 信号显示与存储 216
8.6 其他测试技术简介 217
8.7 环境试验测试的基本流程与注意事项 220
8.7.1 环境试验测试的基本流程 220
8.7.2 环境试验测试的注意事项 220
参考文献 223
第9章 动力学环境数据采集、处理及环境条件预示技术 225
9.1 动力学数据采集 225
9.1.1 频率混叠的消除——采样定理 225
9.1.2 频率泄漏的抑制——加窗处理 227
9.2 动力学数据处理基本流程 229
9.3 数据预处理 231
9.3.1 不合理点的辨识与处理 231
9.3.2 虚假趋势的辨识与处理 231
9.3.3 信号削峰的辨识与处理 232
9.3.4 过大噪声的辨识与处理 233
9.3.5 信号断续丢失的处理 233
9.3.6 数据检验与分离 233
9.4 随机数据的统计特征 234
9.4.1 均值、方差和均方值 234
9.4.2 概率密度函数 234
9.4.3 自相关函数和互相关函数 235
9.4.4 傅里叶变换、傅里叶谱(FS)和能量密度谱(ESD) 236
9.4.5 功率谱密度 237
9.4.6 自能量谱和互能量谱 239
9.4.7 相干函数 239
9.4.8 频率响应函数 239
9.5 动力学环境条件预示 239
9.5.1 正态分布参数上限统计估计 240
9.5.2 非参数上限统计估计 241
9.5.3 容差上限参数的选择 243
9.5.4 简化统计模型 244
参考文献 245
第10章 环境试验通用要求 246
10.1 试验剪裁 246
10.2 试验条件及允差 247
10.3 试验顺序 248
10.3.1 标准要求 249
10.3.2 顺序策略 249
10.4 试验中断 250
10.4.1 允差内中断 250
10.4.2 允差外中断 251
10.4.3 故障导致的中断 251
10.4.4 计划中断 251
10.5 失效