基于大數據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.中國電器科學研究院股份有限公司，工業產品環境適應性國家重點實驗室，廣東省高分子材料環境適應性評價與檢測技術重點實驗室，廣州 510663； 2.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

前言

汽車整車結構復雜，材料種類繁多，在使用過程中會面臨各種嚴酷氣候環境的考驗，不可避免會出現零部件材料老化、腐蝕等不良現象，從而影響汽車的外觀、功能，甚至產生安全隱患[1]。因此，分析汽車零部件材料老化腐蝕的影響因素，對掌握材料性能變化規律并提出應對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過程中外飾通風蓋板發白現象為例，研究基于互信息理論的大數據相關性分析模型，確定引起通風蓋板發白的主要環境因素，并推導了通風蓋板光熱老化等效輻照量計算模型，利用兩個不同地區通風蓋板試驗數據確定了汽車外飾部件光熱老化模型參數要求。

1 試驗

根據QC/T 728-2005標準[2]的要求，將汽車整車置于工業產品環境適應性國家重點實驗室海南瓊海濕熱自然暴露試驗場及吐魯番干熱自然暴露試驗場內進行靜置暴露試驗，連續實時監測汽車典型零部件表面的環境參數并按照約定周期對汽車外觀等進行綜合檢查并記錄試驗相關信息。

2 結果與討論

2.1 汽車外飾部件老化失效大數據集的設計

汽車外飾材料完整的老化失效信息主要可分為四大類：零部件產品特性信息、試驗信息、試驗期間大氣環境及零部件微環境條件信息、失效信息等，每一大類又可包含若干要素。其中，產品特性信息如配方、加工工藝等可能會涉及到生產廠家的核心技術，獲得其信息相對較困難，因此實際工作中，用零部件名稱、生產廠家、產品牌號、生產批號等產品信息進行替代。記錄表1為工作中建立的汽車外飾材料完整的老化數據記錄表格式。記錄表2和記錄表3為連續實時記錄監測的大氣環境條件和零部件微環境數據集，數據記錄間隔可根據需要確定為1 min、5 min或10 min，通過日期和時間列與表1試驗開始時間和試驗結束時間進行數據關聯。需要說明的是，大氣環境條件數據記錄表中的太陽總輻射量、紫外輻射量、紅外輻射量以及可見光等數據與零部件微環境數據記錄表中太陽總輻射量、紫外輻射量、紅外輻射量以及可見光等數據大多數據情況下并不一致，這是因為監測大氣環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行專門監測。因此，整合表1、表2、表3的數據，可以看出在整車自然曝曬試驗過程中，完整的反映汽車外飾材料的老化過程信息，總共記錄了29個老化數據要素，將不同時間不同地點開展整車自然環境曝露試驗收集到的這些數據進行對齊、統一整合，就可以實現汽車外飾材料大數據的價值。

表1 汽車外飾材料老化數據記錄表

表2 大氣環境條件數據記錄表

表3 零部件微環境條件數據記錄表

2.2 汽車外飾材料老化失效影響因素相關度的大數據分析

汽車外飾材料的老化失效現象有變色、變形、失光、發黏、粉化、表面開裂等[3]。根據信息理論[4]，將某一失效現象的失效等級定義為X，其他數據信息構成條件屬性集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聯度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象的失效等級相關性越大。利用大數據構造相關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開展自然環境曝曬試驗的某車型整車通風蓋板發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行相關性分析，根據互信息計算方法，可以求得老化主要影響因素中樣品表面太陽輻照（R）、樣品表面溫度（T）以及樣品表面潤濕時間（H）等條件屬性與通風蓋板明顯發白決策屬性之間的互信息值如圖2所示。因此，對該材料，樣品表面潤濕時間對發白的影響較小，可以忽略，通風蓋板發白主要受樣品表面太陽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算模型推導

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

式中：

η—特征壽命；

Ea—反應活化能；

T—絕對溫度，K；

k—波爾茲曼常數，1.380 648 52×10-23J/K；

S—溫度以外的其他應力。

因此，針對汽車通風蓋板老化現象，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u和t表示戶外大氣暴露試驗和對比試驗，則得到式（4）和（5）：

當兩種不同地區和不同時間開展時，材料性能變化同樣程度時，應滿足uη=tη，得到式（6），進一步整理得到式（7）：

大氣暴露試驗過程中，材料表面接收的太陽輻照及表面溫度時刻發生變化。因此，利用連續實時監測數據進行累加計算，獲得等效環境作用下對比試驗的輻照量（式8）：

2.4 計算模型中輻照數據的選取

在整車自然環境曝曬試驗過程中，樣品表面接收的太陽輻照量數據有太陽總輻照量和紫外輻照量兩種數據。表4展示了在新疆吐魯番干熱自然環境試驗場和海南瓊海濕熱自然環境試驗場同時開展試驗的同一型號試驗車通風蓋板處溫度和太陽輻照量數據示例。

圖1 互信息相關分析模型建立流程圖

圖2 試驗車通風蓋板發白條件屬性互信息值

整車海南瓊海和新疆吐魯番自然環境暴露試驗開始時間均為12月份，檢查周期設定為每2月一次，發現海南瓊海試驗車通風蓋板發白現象出現的時間區間為4～6個月之間，新疆吐魯番試驗車通風蓋板發白現象出現的時間區間為6～8個月之間，說明通風蓋板發白時間分別為海南瓊海120～180天，新疆吐魯番180～240天。圖3為分別采用太陽總輻照和紫外輻照根據式（8）算出的兩地通風蓋板試驗區間內的等效輻照值。可以看出采用紫外輻照計算外飾件等效輻照時，可以同時滿足值相等及試驗天數落在發白現象出現的時間區間內兩個條件，因此，汽車外飾件計算等效輻照時應采用樣品表面接收的太陽紫外輻照量值。這是因為太陽全輻照值時包含了紅外輻照部分，紅外輻照主要使樣品表面溫度升高，相當于重復考慮了溫度的影響，因此，采用太陽紫外輻照值效果較好。

表4 試驗車通風蓋板處的微環境條件原始數據示例（2016年7月19日）

圖3 采用不同波段太陽輻照值計算的通風蓋板表面等效輻照值

3 結論

通過上述分析，可以得到以下結論：

1）基于互信息理論的大數據相關性分析，確定導致整車通風蓋板發白的主要環境因素為樣品表面接收的太陽輻照和表面溫度；

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