裝備典型艦載平臺振動環(huán)境嚴酷度分析

蔡健平，張萌，趙婉

（中國航天標準化研究所，北京 100071）

在滿足我軍實戰(zhàn)化要求和建設(shè)海洋強國的背景下，當前各種艦載武器裝備正在從過去經(jīng)常近海待命和庫房貯存的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期在海上待機、值班和備戰(zhàn)的狀態(tài)，由于海風(fēng)、海浪以及發(fā)動機等導(dǎo)致的艦船平臺誘發(fā)力學(xué)（如振動、沖擊、搖擺）環(huán)境對武器裝備產(chǎn)生作用，從而對武器裝備振動環(huán)境敏感的薄弱環(huán)節(jié)的有很大的影響[1—3]。例如仿真結(jié)果表明[2—3]：由于艦載誘發(fā)的力學(xué)環(huán)境長期作用下導(dǎo)致的累積損傷，使固體發(fā)動機粘接面在海上戰(zhàn)備1年的壽命比倉庫貯存至少降低8.62%，而導(dǎo)彈的艦載貯存壽命只相當于庫房壽命的15%。另外試驗和分析也表明[4—5]：振動或者熱導(dǎo)致的疲勞對發(fā)動機藥柱和推進劑會造成累積損傷，影響其壽命；另外振動環(huán)境也會影響電子產(chǎn)品其可靠性，從而影響裝備的使用[7]。為了評價艦載裝備例如發(fā)動機的貯存壽命，需要通過實驗?zāi)M艦載振動環(huán)境的作用[7]，或者以實際的振動環(huán)境為依據(jù)設(shè)計振動耐久性試驗[8]。這就需要正確識別艦載環(huán)境條件，文中實測了裝備艦載典型測點的振動環(huán)境，并對其環(huán)境嚴酷度進行了評估，從而為相關(guān)武器裝備貯存試驗和壽命評估提供依據(jù)。

1 實驗和研究方法

1.1 典型艦載平臺選取

考慮到實測和搜集數(shù)據(jù)的可行性以及便利性，要求選擇常年在南海航行的補給船代表裝備實測艦載平臺。該艦共有4層甲板，包括主甲板、二甲板、艇甲板及駕駛和羅徑甲板，發(fā)動機主機頻率為750～720 r/min。該艦正常工作航速較為穩(wěn)定，并主要在1～4級的海況下航行，因此該艦提供了一種長期的、典型的艦載平臺環(huán)境，而非極端的力學(xué)環(huán)境。

1.2 艦載平臺振動環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備

采用定制的INV3062T2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（如圖1所示），配合ICP加速度傳感器進行振動環(huán)境測量。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)具有下列技術(shù)指標：頻率范圍為0.5～8 kHz；量程為50g；安裝諧振頻率＞25 kHz；分辨率為0.002 m/s2。

圖1 INV3062T2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.1 INV3062T2 data collecting system

1.3 艦載平臺振動環(huán)境采集和分析方法

選取裝備服役的典型部位如艙室進行振動環(huán)境采集，采用ICP加速度傳感器同時采集船運動方向、船側(cè)向和豎直方向的加速度數(shù)據(jù)，采集頻率為12.8 kHz。考慮到時間和成本，經(jīng)過初測后，選取振動環(huán)境較為惡劣的點進行測量，以便于進行嚴酷度評價。這些點每次測量持續(xù)10 min或10 min以上，共進行5次測量。獲得振動數(shù)據(jù)后，先剔除異常值，再參照相關(guān)振動分析的方法和標準進行下列分析[9—11]。

1）振動數(shù)據(jù)的時域分析。對振動數(shù)據(jù)進行時域分析時，將測得的加速度數(shù)據(jù)按照時間進行繪制，就得到時域曲線，由于艦載振動環(huán)境基本上接近穩(wěn)態(tài)，因此不需要進行特殊處理，直接觀察時域曲線，就可以對數(shù)據(jù)的特性進行判斷。

2）振動數(shù)據(jù)的頻域分析。振動數(shù)據(jù)的頻域分析采用快速傅立葉變換（FFT）進行分析。FFT的基本思想就是，將1個長序列依次分解為2個短序列來進行離散傅里葉變換（DFT）。這里采樣頻率為12.8 KHz，分析頻率為6400 Hz，F(xiàn)FT點數(shù)取1024點，譜線條數(shù)512，采用Hanning窗，采用線性平均分析，分析主要通過DASP專業(yè)分析軟件完成。

3）概率分析[12—13]。分析不同加速度值出現(xiàn)的概率密度和概率。對在某范圍內(nèi)的加速度，其概率密度為：

式中：P|d1-d2|為d1到d2范圍內(nèi)加速度出現(xiàn)的概率密度；k|d1-d2|為d1到d2范圍內(nèi)加速度出現(xiàn)的個數(shù)；K為總的加速度個數(shù)。

同理，小于某加速度的概率為：

式中：P|-∞-d|為小于d的加速度出現(xiàn)的概率密度；k|-∞-d|為小于d的加速度出現(xiàn)的個數(shù)；K為總的加速度個數(shù)。

進行概率分析時，讀取所有的時域數(shù)據(jù)，在Matlab環(huán)境按照（1），（2）進行計算。

4）隨機振動的加速度頻譜密度（ASD）。其定義為：

式中：αr.m.s·Δf是Δf頻率范圍內(nèi)加速度均方根值。

1.4 艦載環(huán)境嚴酷度評價方法

參照針對電子產(chǎn)品和機械產(chǎn)品的嚴酷度分級方法[14—15]，主要以GB/T 14091《機械產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)分類及其嚴酷度分級》進行振動環(huán)境評級分類。對于隨機振動可分成兩類：I類——有顯著的低頻量，頻率范圍為10～2000 Hz；II類——有較平坦分布的振動能量，頻率范圍為20～2000 Hz。

隨機振動的典型加速度頻譜分類見表1。

表1 隨機振動的典型頻譜分類Table 1 Classification of typical frequency spectra of stochastic vibrations

2 結(jié)果和討論

2.1 船向振動采集和分析結(jié)果

典型的船向上的振動時域曲線如圖2所示，從45 ms的振動時域曲線可見，船向上的振動曲線是光滑過渡的，沒有尖刺或者較大的突變，因此測得的時域曲線是可信的隨機振動曲線。

經(jīng)過FFT分析得到的船向振動頻域曲線如圖3所示，對該圖中的頻率峰進行進一步分析，得到表2。從圖3和表2可見，船向振動的加速度主峰大約在50Hz左右，加速度峰值約為0.412 72 m/s2，而在562.5 Hz和1112.5 Hz下各出現(xiàn)一個頻率峰，其加速度分別為0.152 34 m/s2和0.100 8 m/s2。

50 Hz的加速度主峰與交流電頻率一致，但在非艦載條件下，測量系統(tǒng)本身未見這個量級的加速度信號，可排除該處信號完全由測量系統(tǒng)的電源干擾引起，可能與測點附近使用的交流電的工作裝置如電機有關(guān)。562.5 Hz和1112.5 Hz的頻率與船上的旋轉(zhuǎn)裝置如油水分離器、轉(zhuǎn)軸等相關(guān)。

船向振動加速度概率統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示，從圖4中可見，船向振動加速度接近正態(tài)分布，其數(shù)學(xué)期望或者均值為：

圖2 船向振動時域曲線Fig.2 Time domain vibration curves in the ship direction

圖3 船向振動頻域曲線Fig.3 Frequency domain vibration curve in the ship direction

表2 船向振動頻域分布Table 2 Frequency domain distribution in the ship direction

式中：xi為第i個加速度值；p（xi）為xi出現(xiàn)的概率。正態(tài)分布的方差為：

從公式（4），（5）計算得到船向振動加速度數(shù)學(xué)期望為 0.045 56 m/s2，方差為 0.267 57（m/s2）2。因此船向振動加速度是一個正態(tài)隨機變量N（μ，σ2），其概率密度函數(shù)為：

為確定某x值的概率。可通過下列公式標準化為N（0，1）的標準正態(tài)分布后，查正態(tài)分布表即可：

圖4 船向振動加速度概率統(tǒng)計Fig.4 Statistics of vibration acceleration in the ship direction

船向振動加速度譜密度如圖5所示，船向振動加速度譜密度峰值情況見表3。可以看出，船向振動加速度譜密度峰值主要集中在50 Hz和562.5 Hz。其中50 Hz的振動加速度譜密度為4.53×10-3（m/s2）2/Hz，562.5 Hz的振動加速度譜密度為1.64×10-3（m/s2）2/Hz。

圖5 船向振動加速度譜密度Fig.5 Spectral density of vibration acceleration in the ship direction

2.2 橫向振動

采用2.1同樣的分析方法對橫向上的振動進行頻域和加速度譜密度分析，得到的結(jié)果見表4、表5。從表4和表5可見，橫向振動的加速度主峰在562.5 Hz，加速度峰值約為0.812 m/s2，而在橫向主峰50 Hz處的加速度峰值較小，小于0.1 m/s2，1112.5 Hz頻率處的加速度很小。這和船向振動的峰值也有不同，因此可以看出，在振動在船向和橫向上有一定的擇優(yōu)性。另外在487.5 Hz到587.5 Hz區(qū)間還有其他小的頻率峰出現(xiàn)，和船向的頻率峰相比，這些頻率峰的量值與船向的頻率峰大致相當。

表3 船向振動加速度譜密度峰值情況Table 3 Acceleration spectral density peaks of vibration in the ship direction

表4 橫向振動頻域分布Table 4 Frequency domain distribution in the transverse direction

表5 橫向振動加速度譜密度峰值情況Table 5 Acceleration spectral density peaks of vibration in the transverse direction

根據(jù)方程（4），（5）得到橫向振動加速度，其概率密度函數(shù)為：

表5中，562.5Hz的振動加速度譜密度為17.59×10-3（m/s2）2/Hz，大約是船向數(shù)值的10倍。

2.3 垂直方向振動

采用2.1同樣的分析方法對橫向上的振動進行頻域和加速度譜密度分析，得到的結(jié)果見表6、表7。從表6和表7可見，垂直振動的加速度主峰在562.5 Hz，其加速度峰值約為1.560 24 m/s2，而在625，550，275，125，50 Hz下各有小的頻率峰，同橫向和船向的相比，562.5 Hz主峰的加速度量值最大。垂直振動加速度譜密度峰值主要集中在562.5 Hz，其振動加速度譜密度為97.37×10-3（m/s2）2/Hz，這個數(shù)值是橫向、船向數(shù)值中最大的。

表6 垂直方向振動頻域分布Table 6 Frequency domain distribution in the vertical direction

表7 垂直振動加速度譜密度峰值情況Table 7 Acceleration spectral density peaks of vibration in the vertical direction

根據(jù)方程（4），（5）得到垂直振動加速度概率密度函數(shù)為：

2.4 振動環(huán)境嚴酷度評價

艙室振動環(huán)境的船向、橫向和垂直向的加速度譜密度、頻率分布均有較大差別，在垂直方向上主峰的加速度量值和加速度譜密度均大于船向、橫向上的相關(guān)數(shù)值。在艙室振動環(huán)境的船向、橫向和垂直向上小于200 Hz下，其加速度譜密度均小于1（m/s2）2/Hz，而 200 Hz以上的加速度譜密度均小于 0.3（m/s2）2·Hz。因此艙室在三個方向上典型振動環(huán)境屬于I型。由于垂直方向上加速度量值和加速度譜密度較大，所以考慮艦載平臺振動環(huán)境時，應(yīng)把垂直方向作為考慮的重點。

3 結(jié)論

1）文中采用INV3062T2數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，配合ICP加速度傳感器對艦載平臺艙室的振動環(huán)境進行了測量。

2）艙室內(nèi)測得的振動曲線是光滑過渡的，沒有尖刺或者較大的突變，是可信的隨機振動曲線。各方向上的振動加速度是一個正態(tài)隨機變量，并得到了各個方向上振動加速度的概率密度函數(shù)。

3）船向振動的加速度主峰大約在50 Hz左右，加速度峰值約為0.412 72 m/s2，而在562.5 Hz和1112.5 Hz下各出現(xiàn)1個頻率峰；橫向振動的加速度主峰在562.5 Hz，加速度峰值約為0.812 m/s2；垂直振動的加速度主峰在562.5 Hz，其加速度峰值約為1.560 24 m/s2，而在625，550，275，125，50 Hz下各有小的頻率峰。在垂直方向上的主峰的加速度量值和加速度譜密度均大于船向、橫向上的相關(guān)數(shù)值。

4）艙室在三個方向上典型振動環(huán)境屬于I型。由于垂直方向上加速度量值和加速度譜密度較大，所以考慮艦載平臺振動環(huán)境時，應(yīng)把垂直方向作為考慮的重點。

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