基于大數(shù)據(jù)分析的汽車外飾部件光熱老化模型研究

張曉東，王偉健，祁黎，陳心欣，李淮，曾文波，趙雪茹

（1.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司，工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省高分子材料環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)與檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663； 2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

前言

汽車整車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料種類繁多，在使用過(guò)程中會(huì)面臨各種嚴(yán)酷氣候環(huán)境的考驗(yàn)，不可避免會(huì)出現(xiàn)零部件材料老化、腐蝕等不良現(xiàn)象，從而影響汽車的外觀、功能，甚至產(chǎn)生安全隱患[1]。因此，分析汽車零部件材料老化腐蝕的影響因素，對(duì)掌握材料性能變化規(guī)律并提出應(yīng)對(duì)措施具有十分重要的意義。

本文以某型汽車整車在海南瓊海和新疆吐魯番自然暴露試驗(yàn)過(guò)程中外飾通風(fēng)蓋板發(fā)白現(xiàn)象為例，研究基于互信息理論的大數(shù)據(jù)相關(guān)性分析模型，確定引起通風(fēng)蓋板發(fā)白的主要環(huán)境因素，并推導(dǎo)了通風(fēng)蓋板光熱老化等效輻照量計(jì)算模型，利用兩個(gè)不同地區(qū)通風(fēng)蓋板試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了汽車外飾部件光熱老化模型參數(shù)要求。

1 試驗(yàn)

根據(jù)QC/T 728-2005標(biāo)準(zhǔn)[2]的要求，將汽車整車置于工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海南瓊海濕熱自然暴露試驗(yàn)場(chǎng)及吐魯番干熱自然暴露試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行靜置暴露試驗(yàn)，連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車典型零部件表面的環(huán)境參數(shù)并按照約定周期對(duì)汽車外觀等進(jìn)行綜合檢查并記錄試驗(yàn)相關(guān)信息。

2 結(jié)果與討論

2.1 汽車外飾部件老化失效大數(shù)據(jù)集的設(shè)計(jì)

汽車外飾材料完整的老化失效信息主要可分為四大類：零部件產(chǎn)品特性信息、試驗(yàn)信息、試驗(yàn)期間大氣環(huán)境及零部件微環(huán)境條件信息、失效信息等，每一大類又可包含若干要素。其中，產(chǎn)品特性信息如配方、加工工藝等可能會(huì)涉及到生產(chǎn)廠家的核心技術(shù)，獲得其信息相對(duì)較困難，因此實(shí)際工作中，用零部件名稱、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品牌號(hào)、生產(chǎn)批號(hào)等產(chǎn)品信息進(jìn)行替代。記錄表1為工作中建立的汽車外飾材料完整的老化數(shù)據(jù)記錄表格式。記錄表2和記錄表3為連續(xù)實(shí)時(shí)記錄監(jiān)測(cè)的大氣環(huán)境條件和零部件微環(huán)境數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)記錄間隔可根據(jù)需要確定為1 min、5 min或10 min，通過(guò)日期和時(shí)間列與表1試驗(yàn)開始時(shí)間和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。需要說(shuō)明的是，大氣環(huán)境條件數(shù)據(jù)記錄表中的太陽(yáng)總輻射量、紫外輻射量、紅外輻射量以及可見(jiàn)光等數(shù)據(jù)與零部件微環(huán)境數(shù)據(jù)記錄表中太陽(yáng)總輻射量、紫外輻射量、紅外輻射量以及可見(jiàn)光等數(shù)據(jù)大多數(shù)據(jù)情況下并不一致，這是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)大氣環(huán)境條件的輻照傳感器的輻射接收角度一般是水平或緯度角，而整車上具體零部件的輻射主接收角度與這些角度并不相同，需要另外安裝輻照傳感器進(jìn)行專門監(jiān)測(cè)。因此，整合表1、表2、表3的數(shù)據(jù)，可以看出在整車自然曝曬試驗(yàn)過(guò)程中，完整的反映汽車外飾材料的老化過(guò)程信息，總共記錄了29個(gè)老化數(shù)據(jù)要素，將不同時(shí)間不同地點(diǎn)開展整車自然環(huán)境曝露試驗(yàn)收集到的這些數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊、統(tǒng)一整合，就可以實(shí)現(xiàn)汽車外飾材料大數(shù)據(jù)的價(jià)值。

表1 汽車外飾材料老化數(shù)據(jù)記錄表

表2 大氣環(huán)境條件數(shù)據(jù)記錄表

表3 零部件微環(huán)境條件數(shù)據(jù)記錄表

2.2 汽車外飾材料老化失效影響因素相關(guān)度的大數(shù)據(jù)分析

汽車外飾材料的老化失效現(xiàn)象有變色、變形、失光、發(fā)黏、粉化、表面開裂等[3]。根據(jù)信息理論[4]，將某一失效現(xiàn)象的失效等級(jí)定義為X，其他數(shù)據(jù)信息構(gòu)成條件屬性集Y= (y1,y2, … ,yn)，則汽車外飾材料老化失效行為與條件屬性之間的關(guān)聯(lián)度I可以表示為：

I(X,yi)值越大，表明條件yi與I(X,Y)即汽車外飾材料某一失效現(xiàn)象的失效等級(jí)相關(guān)性越大。利用大數(shù)據(jù)構(gòu)造相關(guān)分析模型的流程圖如圖1所示。

以在海南瓊海和新疆吐魯番同時(shí)開展自然環(huán)境曝曬試驗(yàn)的某車型整車通風(fēng)蓋板發(fā)白這一失效行為某作為決策屬性，其余因素作為條件屬性進(jìn)行相關(guān)性分析，根據(jù)互信息計(jì)算方法，可以求得老化主要影響因素中樣品表面太陽(yáng)輻照（R）、樣品表面溫度（T）以及樣品表面潤(rùn)濕時(shí)間（H）等條件屬性與通風(fēng)蓋板明顯發(fā)白決策屬性之間的互信息值如圖2所示。因此，對(duì)該材料，樣品表面潤(rùn)濕時(shí)間對(duì)發(fā)白的影響較小，可以忽略，通風(fēng)蓋板發(fā)白主要受樣品表面太陽(yáng)輻照和表面溫度影響。

2.3 汽車外飾材料光熱老化等效輻照量的計(jì)算模型推導(dǎo)

一般情況下，對(duì)于除溫度以外還包含其它應(yīng)力S的普通情況，材料老化壽命可以用式（2）廣義Eyring模型進(jìn)行描述：

式中：

η—特征壽命；

Ea—反應(yīng)活化能；

T—絕對(duì)溫度，K；

k—波爾茲曼常數(shù)，1.380 648 52×10-23J/K；

S—溫度以外的其他應(yīng)力。

因此，針對(duì)汽車通風(fēng)蓋板老化現(xiàn)象，其老化壽命模型可以表示為式（3）：

式中：

R—樣品表面輻照量，J/m2。

取n值為1，并分別用下標(biāo)u和t表示戶外大氣暴露試驗(yàn)和對(duì)比試驗(yàn)，則得到式（4）和（5）：

當(dāng)兩種不同地區(qū)和不同時(shí)間開展時(shí)，材料性能變化同樣程度時(shí)，應(yīng)滿足uη=tη，得到式（6），進(jìn)一步整理得到式（7）：

大氣暴露試驗(yàn)過(guò)程中，材料表面接收的太陽(yáng)輻照及表面溫度時(shí)刻發(fā)生變化。因此，利用連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加計(jì)算，獲得等效環(huán)境作用下對(duì)比試驗(yàn)的輻照量（式8）：

2.4 計(jì)算模型中輻照數(shù)據(jù)的選取

在整車自然環(huán)境曝曬試驗(yàn)過(guò)程中，樣品表面接收的太陽(yáng)輻照量數(shù)據(jù)有太陽(yáng)總輻照量和紫外輻照量?jī)煞N數(shù)據(jù)。表4展示了在新疆吐魯番干熱自然環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)和海南瓊海濕熱自然環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)同時(shí)開展試驗(yàn)的同一型號(hào)試驗(yàn)車通風(fēng)蓋板處溫度和太陽(yáng)輻照量數(shù)據(jù)示例。

圖1 互信息相關(guān)分析模型建立流程圖

圖2 試驗(yàn)車通風(fēng)蓋板發(fā)白條件屬性互信息值

整車海南瓊海和新疆吐魯番自然環(huán)境暴露試驗(yàn)開始時(shí)間均為12月份，檢查周期設(shè)定為每2月一次，發(fā)現(xiàn)海南瓊海試驗(yàn)車通風(fēng)蓋板發(fā)白現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間區(qū)間為4～6個(gè)月之間，新疆吐魯番試驗(yàn)車通風(fēng)蓋板發(fā)白現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間區(qū)間為6～8個(gè)月之間，說(shuō)明通風(fēng)蓋板發(fā)白時(shí)間分別為海南瓊海120～180天，新疆吐魯番180～240天。圖3為分別采用太陽(yáng)總輻照和紫外輻照根據(jù)式（8）算出的兩地通風(fēng)蓋板試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)的等效輻照值?？梢钥闯霾捎米贤廨椪沼?jì)算外飾件等效輻照時(shí)，可以同時(shí)滿足值相等及試驗(yàn)天數(shù)落在發(fā)白現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間區(qū)間內(nèi)兩個(gè)條件，因此，汽車外飾件計(jì)算等效輻照時(shí)應(yīng)采用樣品表面接收的太陽(yáng)紫外輻照量值。這是因?yàn)樘?yáng)全輻照值時(shí)包含了紅外輻照部分，紅外輻照主要使樣品表面溫度升高，相當(dāng)于重復(fù)考慮了溫度的影響，因此，采用太陽(yáng)紫外輻照值效果較好。

表4 試驗(yàn)車通風(fēng)蓋板處的微環(huán)境條件原始數(shù)據(jù)示例（2016年7月19日）

圖3 采用不同波段太陽(yáng)輻照值計(jì)算的通風(fēng)蓋板表面等效輻照值

3 結(jié)論

通過(guò)上述分析，可以得到以下結(jié)論：

1）基于互信息理論的大數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，確定導(dǎo)致整車通風(fēng)蓋板發(fā)白的主要環(huán)境因素為樣品表面接收的太陽(yáng)輻照和表面溫度；

2）根據(jù)整車在海南瓊海和新疆吐魯番的自然暴露試驗(yàn)結(jié)果，確定汽車外飾部件光老化等效模型采用表面接收的太陽(yáng)紫外輻照量時(shí)效果較好。