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力學環(huán)境試驗技術概述
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力學環(huán)境試驗技術概述
1.力學環(huán)境試驗
1.1 環(huán)境
環(huán)境是指在任何時間和地點所存在的或遇到的自然的和誘發(fā)的條件的總和。
環(huán)境分類
按自然環(huán)境分：可分為陸地、海洋、高空和宇宙空間等；
按產(chǎn)品所處的狀態(tài)分：可分為貯存、運輸、安裝、搬運和使用等；
按起因分：可分為自然環(huán)境（例如：重力、溫度、濕度、氣壓、沙塵、鹽霧等）和由設備引起或者由設備與周圍介質(zhì)相互作用引起的環(huán)境（例如加速度、振動、沖擊、電或動力加熱、氣動激勵等）。
但目前使用較多的分類方法是按環(huán)境因素屬性進行的分類。按照這種分法，可分為：
氣候因素，包括溫度、濕度、氣壓、雨、雪、冰、霜、沙塵、鹽霧、腐蝕性氣體等；
力學因素（也稱機械因素），包括振動、沖擊、搖擺、恒加速度、爆炸、地震、噪聲振動等；
生物因素，包括霉菌、昆蟲、海洋生物等；
電磁輻射因素，包括無線電干擾、雷電、電場、磁場等。
1.2 環(huán)境條件
環(huán)境條件是指產(chǎn)品所經(jīng)受到周圍的各種氣候、化學、生物和物理的條件。通常用參數(shù)來表述。環(huán)境參數(shù)是表征環(huán)境條件的一個或數(shù)個物理、化學和生物的特征量。根據(jù)不同條件下各種環(huán)境因素影響程度的不同，還劃分出不同的嚴酷等級。如加速度、速度、位移等。
1.1 環(huán)境
環(huán)境是指在任何時間和地點所存在的或遇到的自然的和誘發(fā)的條件的總和。
環(huán)境分類
按自然環(huán)境分：可分為陸地、海洋、高空和宇宙空間等；
按產(chǎn)品所處的狀態(tài)分：可分為貯存、運輸、安裝、搬運和使用等；
按起因分：可分為自然環(huán)境（例如：重力、溫度、濕度、氣壓、沙塵、鹽霧等）和由設備引起或者由設備與周圍介質(zhì)相互作用引起的環(huán)境（例如加速度、振動、沖擊、電或動力加熱、氣動激勵等）。
但目前使用較多的分類方法是按環(huán)境因素屬性進行的分類。按照這種分法，可分為：
氣候因素，包括溫度、濕度、氣壓、雨、雪、冰、霜、沙塵、鹽霧、腐蝕性氣體等；
力學因素（也稱機械因素），包括振動、沖擊、搖擺、恒加速度、爆炸、地震、噪聲振動等；
生物因素，包括霉菌、昆蟲、海洋生物等；
電磁輻射因素，包括無線電干擾、雷電、電場、磁場等。
1.2 環(huán)境條件
環(huán)境條件是指產(chǎn)品所經(jīng)受到周圍的各種氣候、化學、生物和物理的條件。通常用參數(shù)來表述。環(huán)境參數(shù)是表征環(huán)境條件的一個或數(shù)個物理、化學和生物的特征量。根據(jù)不同條件下各種環(huán)境因素影響程度的不同，還劃分出不同的嚴酷等級。如加速度、速度、位移等。
1.3 環(huán)境試驗
環(huán)境試驗是為了保證產(chǎn)品在規(guī)定的壽命期間，在預期的使用、運輸或貯存的所有環(huán)境下，保持功能可靠性而進行的活動。是將產(chǎn)品暴露在自然的或人工的環(huán)境條件下經(jīng)受其作用，以評價產(chǎn)品在實際使用、運輸和貯存的環(huán)境條件下的性能，并分析研究環(huán)境因素的影響程度及其作用機理。
1.4 力學環(huán)境試驗
力學環(huán)境試驗是為了保證產(chǎn)品在規(guī)定的壽命期間，在預期的使用、運輸、流通環(huán)境條件下，保持功能可靠性而進行的活動。
特點: 以力作用為突出特征?？己恕⒃u價產(chǎn)品在力作用下的功能可靠性、結構完好性。
1.5 力學環(huán)境試驗方法
1.5.1 自然暴露試驗
自然暴露試驗是將試驗樣品放到某些典型的自然環(huán)境條件下，一般分露天、棚下和室內(nèi)三種狀態(tài)進行暴露。
1.5.2 現(xiàn)場試驗（外場試驗）
現(xiàn)場試驗是將試驗樣品放置在各種典型的使用現(xiàn)場，進行正常使用定期測試。
1.5.3 人工模擬試驗（試驗室試驗）
人工模擬試驗是人們在科研和生產(chǎn)中廣泛采用的一種試驗方式。即在試驗室里利用試驗設備創(chuàng)造出一個單環(huán)境因素或多個環(huán)境因素綜合作用于產(chǎn)品上，以此考核產(chǎn)品在使用、運輸和貯存中主要環(huán)境因素作用下的適應性能。人工環(huán)境試驗可以分為三種:
模擬單一環(huán)境因素對試驗樣品影響的單項試驗；
模擬兩個或兩個以上的環(huán)境因素同時作用于試驗樣品的綜合試驗；
兩個或兩個以上的環(huán)境因素依次或交替作用于試驗樣品的組合試驗。
1.5.4 試驗室試驗常用方法
①規(guī)定一種機械運動。這是應用的試驗方法。
1） 規(guī)定一種接近實際環(huán)境的機械運動來模擬。
2） 根據(jù)試驗產(chǎn)品破壞或失效的等效原理來規(guī)定一種機械運動。
用規(guī)定一種機械運動的方法作試驗的特點是，當滿足各項運動特征參數(shù)的容差要求時，試驗具有高的再現(xiàn)性。
②規(guī)定一種試驗機，這是用試驗樣品破壞或失效的等效原理而引出的一種試驗方法。
規(guī)定試驗機試驗方法的特點是試驗中不需要測量運動特征參數(shù)，但在某些情況下再現(xiàn)性較差。
③規(guī)定一種結構響應譜。這種方法主要用于沖擊試驗中
1.5.5 國內(nèi)外力學環(huán)境試驗方法標準中規(guī)定的力學環(huán)境試驗，常見的有以下幾種：
正弦振動試驗； 隨機振動試驗；
沖擊試驗； 碰撞試驗；
離心恒加速度試驗；搖擺試驗；
傾跌與翻倒試驗；彈跳試驗；
撞擊試驗； 自由跌落試驗等。
與力學環(huán)境因素組合在一起的多因素綜合試驗有：
溫度、振動綜合試驗；
2） 溫度、濕度、振動綜合試驗；
3）溫度、濕度、低氣壓、振動綜合試驗等。
上述的各項力學環(huán)境試驗是針對非包裝產(chǎn)品或者包裝可視為產(chǎn)品的組成部分的產(chǎn)品，對于包裝產(chǎn)品（運輸包裝件）的力學環(huán)境試驗，除了選擇上述部份的試驗項目外，還有下列試驗項目：
運輸包裝件六角滾筒試驗； 垂直沖擊跌落試驗；
水平?jīng)_擊試驗； 堆碼試驗； 壓力試驗；
材料動態(tài)特性試驗等。
我國目前正在貫徹執(zhí)行的電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程以及國家軍用標準中的各項試驗方法，就是標準化了的人工模擬試驗，它們是等效采用或等同采用了標準和美國軍用標準。
1.5.6 采用標準化了的人工模擬試驗方法的特點
1） 試驗的模擬性
可按照使用目的比較真實地模擬實際環(huán)境的影響。
2） 試驗的再現(xiàn)性
可使不同試驗室里所做的試驗能夠相互進行比較，以避免試驗程序和試驗設備上的差異給試驗結果帶來影響。
3） 試驗的重復性
可對在同一個試驗室里
4） 經(jīng)濟、方便
1.5.7 環(huán)境試驗的標準化
以理論研究為基礎統(tǒng)一、規(guī)范試驗室試驗方法。
1）環(huán)境試驗技術的標準化。
電工委員會（IEC）TC50是影響面zui廣，zui有性的組織。
美國軍事系統(tǒng)各部門在環(huán)境條件與試驗方面也進行了較為深入、系統(tǒng)和全面的研究工作。
在環(huán)境試驗方面zui有影響的美國軍用標準有：
· MIL-STD-810，其名稱在810C時叫“環(huán)境試驗”，在810D時叫“環(huán)境試驗方法和工程導則”；
· MIL-STD-202電子和電氣元件的環(huán)境試驗方法；
· MIL-STD-750半導體器件的試驗方法；
· MIL-STD-883微電子器件實驗方法和程序等等。
標準化組織（ISO）的標準范圍寬，涉及面廣，與環(huán)境試驗有關的如：振動沖擊的名詞術語；試驗設備的特性描述；運輸包裝件的基本試驗；材料的試驗等等，許多物理特性的試驗也屬其范疇。
2）我國環(huán)境試驗技術的標準化
二十世紀80年代，在國家標準總局的*下，成立了跨行業(yè)、跨部門的全國電工電子產(chǎn)品環(huán)境技術標準化技術委員會（簡稱環(huán)標委）。我國的環(huán)境試驗起步于二十世紀50年代。
我國的專業(yè)標準化技術委員會除了環(huán)標委以外，與環(huán)境試驗技術有關的還有“全國機械振動和沖擊標準化技術委員會”（簡稱振標委）、“全國試驗機標準化技術委員會”（簡稱試標委）、“全國包裝技術標準化技術委員會”等。
近二十多年來，我國環(huán)境試驗的標準化工作瞄準了標準，新的環(huán)境技術標準不斷涌現(xiàn)，有利的促進了環(huán)境試驗技術的快速發(fā)展。
1） 采用IEC標準，我國先后相應制定了
GB/T4796～4798電工電子產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)分類及其嚴酷等級、自然環(huán)境條件、應用環(huán)境條件；
· GB/T2421～2424電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程，其中包括總則和項環(huán)境試驗方法和導則；
· GB/T5170電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設備基本參數(shù)檢定方法；
· GB/T10593電工電子產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)測量方法等。
2） 等效采用ISO標準，我國先后相應制定了
· GB4857運輸包裝件基本試驗一系列包裝試驗標準；
· GB10586-592 環(huán)境試驗設備技術條件；
GB7670 試驗設備特性的描述方法等。
3） 為適應我國國防建設的需要，參照MIL標準，先后相應制定了
· GJB4.1～4.13艦船電子設備環(huán)境試驗軍用標準；
GJB150軍用設備環(huán)境試驗方法；
· GJB360電子及電氣元件試驗方法；
· GJB367軍用通信設備通用技術條件、環(huán)境試驗方法；
· GJB548微電子器件試驗方法和程序等等。
4） 為了進一步規(guī)范試驗設備和測量器具，國家*先后制定JJG標準，對試驗設備的計量起到了良好的作用。
2.力學環(huán)鏡試驗目的和意義
2.1力學環(huán)境因素是在經(jīng)濟建設和國防建設中大量遇到的環(huán)境因素。
強烈的振動和沖擊會導致設備的失效。
力學環(huán)境條件對人體也會造成嚴重的危害。
振動是噪音的來源，強噪音會造成環(huán)境污染，使人不能正常地工作和休息，并造成各種職業(yè)病和污染性病害，危及人類的健康。
在航天醫(yī)學研究上，飛行員和宇航員對于航天航空中遇到的振動、沖擊、變加速度的環(huán)境適應性研究已成為了一個重要課題。
對于振動、沖擊的研究，經(jīng)濟和國防建設的發(fā)展又提出了更高更苛刻的要求。
2.2 研究力學環(huán)境試驗技術，研究振動與沖擊的目的，就是要防止各種力學環(huán)境因素對機器、設備、裝備、結構、元件、器件的影響和對人身造成的危害，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，這是我國國民經(jīng)濟建設和國防建設的重要課題之一。
· GJB360電子及電氣元件試驗方法；
· GJB367軍用通信設備通用技術條件、環(huán)境試驗方法；
· GJB548微電子器件試驗方法和程序等等。
4） 為了進一步規(guī)范試驗設備和測量器具，國家*先后制定JJG標準，對試驗設備的計量起到了良好的作用。
2.力學環(huán)鏡試驗目的和意義
2.1力學環(huán)境因素是在經(jīng)濟建設和國防建設中大量遇到的環(huán)境因素。
強烈的振動和沖擊會導致設備的失效。
力學環(huán)境條件對人體也會造成嚴重的危害。
振動是噪音的來源，強噪音會造成環(huán)境污染，使人不能正常地工作和休息，并造成各種職業(yè)病和污染性病害，危及人類的健康。
在航天醫(yī)學研究上，飛行員和宇航員對于航天航空中遇到的振動、沖擊、變加速度的環(huán)境適應性研究已成為了一個重要課題。
對于振動、沖擊的研究，經(jīng)濟和國防建設的發(fā)展又提出了更高更苛刻的要求。
2.2 研究力學環(huán)境試驗技術，研究振動與沖擊的目的，就是要防止各種力學環(huán)境因素對機器、設備、裝備、結構、元件、器件的影響和對人身造成的危害，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，這是我國國民經(jīng)濟建設和國防建設的重要課題之一。
環(huán)境預防就是對產(chǎn)品精心進行環(huán)境適應性設計、在設計時針對產(chǎn)品的環(huán)境條件，進行必要的抗振動沖擊的設計。
環(huán)境防護是根據(jù)特定環(huán)境中對產(chǎn)品起著有害影響的因素，在產(chǎn)品設計上采取相應的防護措施。
環(huán)境控制是改變產(chǎn)品所在場所的局部工作環(huán)境。
· 降低振源強度，如做好高速旋轉(zhuǎn)機械的運動平衡、減少氣流、液流的脈動力等；
· 積極進行隔振，包括主動隔振（振源隔離）和被動隔振（對精密儀器設備進行隔振加以保護）；
· 采取各種措施降低系統(tǒng)對激勵的響應（減振），如改變固有頻率避開共振，阻尼減振，動力減振以及振動主動抑制等。
環(huán)境利用就是考慮振動沖擊除危害性的一面外，在某些情況下還可利用其為人類服務。
3.力學環(huán)境試驗設備
3.1振動試驗設備
機械振動臺:雙向、單向、定頻、掃頻〔線性、指數(shù)〕等。 特點: 重載、低頻（5—100Hz）、價廉、操作方便、可靠。
主要參數(shù):載荷、基本運動（正弦）、頻率范圍、加速度、位移、橫向運動、波形失真、振幅容差、均勻度等。
電動振動臺:功能強大（正弦、隨機、沖擊等）、頻率范圍大、系統(tǒng)復雜、承載小、維修不便。
主要參數(shù):推力、基本運動（正弦、隨機、沖擊等） 、頻率范圍、加速度、位移、速度、橫向運動、波形失真、振幅容差、均勻度、定振精度、均勻度等。
電液振動臺:功能強大（正弦、隨機、沖擊等）、承載大、位移大、低頻、頻率范圍適中、需基礎。
主要參數(shù):推力、基本運動（正弦、隨機、沖擊等） 、頻率范圍、加速度、位移、速度、橫向運動、波形失真、振幅容差、均勻度、定振精度、均勻度等。
3.2 沖擊試驗設備
沖擊臺:自由跌落式、強迫跌落式、沖擊放大式、水平?jīng)_擊式等。
主要參數(shù):載荷、基本運動（半正弦、后峰鋸齒、梯形）、峰值加速度、脈沖持續(xù)時間、速度變化量、波形容差、均勻度、橫向運動等。
強沖擊試驗機:輕量級、中量級、重量級。
主要參數(shù):擺錘質(zhì)量、擺角等。
沖擊譜試驗機:自由跌落式、擺錘式等
主要參數(shù):載荷、響應加速度、頻率范圍、容差等。
3.3碰撞試驗設備
碰撞臺:自由跌落式、強迫跌落式、沖擊放大式等。
主要參數(shù):載荷、基本運動（半正弦）、脈沖重復頻率、
峰值加速度、脈沖持續(xù)時間、速度變化量、波形容差、均勻度、橫向運動等。
3.4沖擊、碰撞試驗設備
沖擊、碰撞試驗臺:強迫跌落式、沖擊放大式等
主要參數(shù):載荷、基本運動（半正弦、后峰鋸齒、梯形）、脈沖重復頻率、峰值加速度、脈沖持續(xù)時間、速度變化量、波形容差、均勻度、橫向運動等。
3.5恒加速度試驗設備
離心式恒加速度試驗機:轉(zhuǎn)盤式、轉(zhuǎn)臂式等
主要參數(shù):載荷、加速度、加速度梯度、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度、切向加速度等。
直線式恒加速度試驗機
主要參數(shù):載荷、加速度、加速度穩(wěn)定度等。
3.6搖擺試驗設備
搖擺臺:機械式、液壓式等。
主要參數(shù):載荷、基本運動（正弦、隨機等）、搖擺方向、周期、角位移 、波形失真、周期誤差、角位移誤差等。
3.7公路運輸振動試驗設備
固定貨物運輸:模擬汽車運輸試驗臺
主要參數(shù):載荷、基本運動（隨機）、模擬車速、強化等級、總均方根加速度等。
散裝貨物運輸: 彈跳試驗機
主要參數(shù):載荷、基本運動、頻率、振幅等。
3.8運輸包裝件試驗方法
3.8.1振動:機械振動臺、電動振動臺、電液振動臺等。
3.8.2沖擊:垂直沖擊、水平?jīng)_擊。
跌落臺: 轉(zhuǎn)腕式、自由跌落式、翻板式等。
主要參數(shù):載荷、跌落高度、沖擊速度、跌落方式等。
水平?jīng)_擊機:斜面沖擊機、吊擺沖擊機等。
主要參數(shù):載荷、沖擊速度等。
3.9測量儀器
正弦振動測試儀、沖擊測量儀、數(shù)字式振動沖擊測量儀。
主要參數(shù):載荷、基本運動（半正弦、后峰鋸齒、梯形）、脈沖重復頻率、峰值加速度、脈沖持續(xù)時間、速度變化量、波形容差、均勻度、橫向運動等。
3.5恒加速度試驗設備
離心式恒加速度試驗機:轉(zhuǎn)盤式、轉(zhuǎn)臂式等
主要參數(shù):載荷、加速度、加速度梯度、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度、切向加速度等。
直線式恒加速度試驗機
主要參數(shù):載荷、加速度、加速度穩(wěn)定度等。
3.6搖擺試驗設備
搖擺臺:機械式、液壓式等。
主要參數(shù):載荷、基本運動（正弦、隨機等）、搖擺方向、周期、角位移 、波形失真、周期誤差、角位移誤差等。
3.7公路運輸振動試驗設備
固定貨物運輸:模擬汽車運輸試驗臺
主要參數(shù):載荷、基本運動（隨機）、模擬車速、強化等級、總均方根加速度等。
散裝貨物運輸: 彈跳試驗機
主要參數(shù):載荷、基本運動、頻率、振幅等。
3.8運輸包裝件試驗方法
3.8.1振動:機械振動臺、電動振動臺、電液振動臺等。
3.8.2沖擊:垂直沖擊、水平?jīng)_擊。
跌落臺: 轉(zhuǎn)腕式、自由跌落式、翻板式等。
主要參數(shù):載荷、跌落高度、沖擊速度、跌落方式等。
水平?jīng)_擊機:斜面沖擊機、吊擺沖擊機等。
主要參數(shù):載荷、沖擊速度等。
3.9測量儀器
正弦振動測試儀、沖擊測量儀、數(shù)字式振動沖擊測量儀。