水下航行體環(huán)境應力分析

吳明濤，秦 琳，資 帆

（昆明船舶設備研究試驗中心，昆明 650051）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷進步，水下航行體技術(shù)發(fā)展迅猛，呈現(xiàn)出智能化、高速化、集群化、體系化的發(fā)展趨勢[1]。

水下航行體的作業(yè)范圍不斷向深遠海延伸。相較于淺海區(qū)域，深遠海地區(qū)的作業(yè)環(huán)境更為惡劣，其對水下航行器的環(huán)境適應性提出更高要求，亟須開展水下航行體全生命周期的環(huán)境應力分析[2]。本文測試水下航行體全生命周期的環(huán)境應力參數(shù)，并提出一種測試數(shù)據(jù)處理方法，可為水下航行體環(huán)境試驗、可靠性試驗等提供有效支撐。

1 水下航行體環(huán)境應力參數(shù)

根據(jù)GJB 150.1A—2009 標準的相關描述[3]，水下航行體需要考慮低氣壓、高溫、低溫、溫度沖擊、濕熱、霉菌、鹽霧、海水鹽度、加速度、振動、噪聲、沖擊等近30 種環(huán)境應力參數(shù)。水下航行體的全生命周期主要包括運輸、儲存、準備和裝載、使用等階段，不同階段需要考慮的環(huán)境應力參數(shù)不同：1）運輸階段為振動、沖擊、溫度、濕度；2）儲存階段為溫度、濕度；3）準備和裝載階段為溫度、濕度、振動、沖擊、鹽霧、霉菌；4）使用階段為溫度、濕度、振動、沖擊、海水鹽度、鹽霧、霉菌。

2 水下航行體環(huán)境應力參數(shù)測試

2.1 測試設備

海水鹽度、鹽霧、霉菌等參數(shù)難以直接通過設備測試，可通過其他方法獲得。溫度、濕度、振動、沖擊等參數(shù)需要使用環(huán)境應力測試設備進行測量。

由于測試設備需要搭載在航行體上，故須著重考慮參數(shù)測量設備的體積和質(zhì)量。測試設備在滿足多環(huán)境應力參數(shù)測量的同時，必須將體積和質(zhì)量控制在要求范圍內(nèi)。

一般情況下，測試設備主要包括測量傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、便攜式筆記本和電源等。其中：測量傳感器主要包括熱電偶、濕度測量傳感器、加速度傳感器等；數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)主要包括實時控制器、熱電偶輸入模塊、濕度測量模塊、動態(tài)信號采集模塊等。

測量傳感器用于將物理量轉(zhuǎn)換為相應的電信號；熱電偶用于測量溫度應力；濕度測量模塊用于測量濕度應力；加速度傳感器用于測量振動和沖擊應力；數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)主要用于記錄和處理傳感器采集的數(shù)據(jù)；便攜式筆記本需要安裝控制與監(jiān)測套件，用于處理和分析實測數(shù)據(jù)。

2.2 參數(shù)測試

1）運輸階段

運輸階段是指水下航行體從出廠到運輸?shù)娇蛻舻碾A段。目前，運輸過程主要包括公路、鐵路、空運、海運等方式。在進行環(huán)境應力參數(shù)測試時，分析幾種運輸方式的環(huán)境惡劣程度，選取環(huán)境最惡劣的運輸方式進行參數(shù)測量。該階段主要測量的參數(shù)包括振動、沖擊、溫度和濕度。

2）儲存階段

存儲階段是指客戶收到水下航行體后將其儲存于倉庫的階段。該階段水下航行器主要處于靜態(tài)儲存狀態(tài)，主要測量的參數(shù)包括溫度、濕度。

3）準備和裝載階段

在準備和裝載階段，水下航行體已布置于搭載平臺，搭載平臺可能處于陸地環(huán)境或水面環(huán)境。因此，水下航行器所受的環(huán)境應力相較存儲階段復雜。除溫度和濕度外，還應測量振動、沖擊、鹽霧、霉菌等參數(shù)。

4）使用階段

使用階段是指水下航行體在水面或水下作業(yè)的階段，該階段的環(huán)境應力參數(shù)可直接影響到航行體的工作可靠度，故該階段的環(huán)境應力參數(shù)測試尤為重要。該階段的測試參數(shù)主要包括溫度、濕度、振動、沖擊、海水鹽度、鹽霧、霉菌。在進行測試前，需要對水下航行體進行受力分析，重點分析應力較高的部位。在測試時，需要盡可能測試水下航行體在最惡劣工況下的環(huán)境應力參數(shù)。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 溫濕度數(shù)據(jù)處理

溫濕度數(shù)據(jù)的處理過程較為簡單，根據(jù)實測的溫濕度數(shù)據(jù)，選取典型時刻的最高溫濕度和最低溫濕度，繪制時間-溫濕度曲線。

3.2 振動、沖擊數(shù)據(jù)處理

振動和沖擊數(shù)據(jù)需要根據(jù)GJB/Z 126—1999 標準[4]推薦的方法進行數(shù)據(jù)處理。振動和沖擊數(shù)據(jù)的處理流程分別見圖1 和圖2。

圖1 振動數(shù)據(jù)處理流程

圖2 沖擊數(shù)據(jù)處理流程

在處理振動數(shù)據(jù)時，需要先去除奇異點，具體方法如下：1）當某點數(shù)據(jù)值大于設定值時，認為該點為奇異點；2）利用最小二乘法原理進行趨勢項處理；3）觀察數(shù)據(jù)的時間歷程，并進行平穩(wěn)性檢驗；4）進行頻譜分析，確定振動樣本后，對每組數(shù)據(jù)的樣本進行快速傅里葉變換并進行加窗處理（漢寧窗），進而獲得各頻率點對應的功率譜密度值；5）通過均值法和統(tǒng)計法獲得頻譜圖；6）進行周期性檢驗，將時域振動數(shù)據(jù)通過帶通濾波器進行自相關分析，并與自相關函數(shù)的典型曲線進行比較。

對于沖擊數(shù)據(jù)，采取如下處理方法：1）去除趨勢項，確定樣本；2）采用直接積分法計算沖擊響應譜；3）進行環(huán)境條件實測譜估計；4）進行環(huán)境條件規(guī)范譜估計。

4 環(huán)境應力數(shù)據(jù)應用

根據(jù)各階段的環(huán)境應力數(shù)據(jù)繪制水下航行體綜合應力曲線。對應力曲線進行分析和提煉，繪制水下航行體全生命周期各階段的綜合環(huán)境應力曲線，為水下航行體環(huán)境試驗、可靠性試驗等提供支撐。

5 結(jié)論

環(huán)境應力是水下航行體可靠性的重要影響因素。本文詳細介紹了水下航行體全生命周期各階段的環(huán)境應力參數(shù)及測試設備，并提出一種測試數(shù)據(jù)處理方法。研究表明：該方法可得到水下航行體全生命周期各階段的環(huán)境應力水平，為水下航行體環(huán)境試驗、可靠性試驗等提供有效支撐。希望本文的研究成果可為水下航行體環(huán)境應力的測試與分析提供一定參考。