基于參考應力下魚雷綜合試驗剖面設計

張百勇，劉 凱，孫 炯，林 洋

(1. 海軍工程大學 兵器工程系，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學 科研部，湖北 武漢，430033)

基于參考應力下魚雷綜合試驗剖面設計

張百勇1，劉 凱2，孫 炯2，林 洋1

(1. 海軍工程大學 兵器工程系，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學 科研部，湖北 武漢，430033)

文章首先對魚雷壽命、貯存、任務剖面進行分析，設計出魚雷在不同階段的剖面圖，進而分析了魚雷在運輸、庫房（技術陣地）貯存、艇上裝載和實航各個階段所受到的應力以及各應力對魚雷壽命的影響，最后按照一定的規則對多個任務的試驗剖面數據進行處理合成后得到綜合試驗剖面。設計所得的綜合試驗剖面對魚雷進行可靠性試驗有指導意義。

魚雷；環境應力分析；綜合試驗剖面；可靠性試驗

0 引 言

魚雷武器系統在貯存使用過程中要經歷不同環境的考驗，各種環境通過對產品的刺激，使其潛在的失效因素被激活，導致產品的性能或者結構發生改變，甚至不能完成預定的功能，致使產品提前失效，從而降低了產品的可靠性，縮短了產品壽命[1]。由于每種環境因素對產品失效的影響機理不同，引起的失效模式也會不同，以至在不同的環境條件下產品的壽命與可靠性也會表現出較大的差異。本文在魚雷武器系統貯存使用和環境剖面的基礎上，分析了魚雷在各個階段的剖面以及各應力對其影響，設計出魚雷綜合試驗剖面。

1 魚雷剖面分析

1.1 壽命剖面

壽命剖面[2]是指魚雷從采購到壽命終了或退役這期間內經歷的所有事件和環境的時序描述。產品在使用時間內經歷的所有事件都能通過壽命剖面體現。魚雷武器系統的壽命剖面通常包括：采購驗收、吊裝運輸、貯存、維護、轉運、裝載、訓練、作戰值班等。魚雷典型壽命剖面如圖1所示。

1.2 貯存剖面

依據魚雷壽命剖面可知，在整個壽命周期內，魚雷主要經歷洞庫、技術陣地貯存和艇上裝載2種環境。魚雷貯存剖面是指自驗收交付以后在庫房或者技術陣地內貯存經歷的所有事件[3]，主要包括洞庫貯存、日常維護、定期檢查等。貯存剖面是裝備壽命剖面的組成部分，是進行貯存環境分析、貯存可靠性設計和貯存試驗的依據。魚雷典型的貯存剖面如圖2所示。

1.3 任務剖面

魚雷任務剖面是指魚雷從裝載艇上轉成一級戰備雷開始到魚雷發射或者完成規定任務之后卸載解除武裝這期間所經歷的所有事項和環境的描述。魚雷在艇上裝載任務剖面如圖3所示。

魚雷實航任務剖面是指魚雷從發射管射出，到命中目標或者航行終了為止這期間內所經受的事件或者環境按照一定時間順序進行的描述。魚雷在航行過程中的任務剖面圖如圖4所示。

2 魚雷壽命剖面環境應力及其影響分析

魚雷的貯存、使用環境要求是依據魚雷相應的產品說明書得到的，比如，某型魚雷使用說明書中規定：1）艙室溫度：0 ℃～50 ℃；2）工作溫度：低溫–2 ℃，高溫37 ℃；3）貯存溫度：低溫–40 ℃，高溫80 ℃；4）相對濕度：≤95%RH。

本文基于上述環境條件對魚雷各階段進行應力分析，制定綜合試驗剖面。

2.1 魚雷運輸環境及影響分析

部隊從魚雷生產廠家采購魚雷后，一般采用包裝箱形式運輸，運輸主要方式有陸路運輸、水路運輸和空中運輸。運輸過程中影響魚雷壽命的自然因素主要是溫度、濕度、太陽輻射、降水和風速[4]，自然因素的量值選取如表1所示。

表 1 自然因素的量值Tab. 1 Magnitude of natural factor

對魚雷運輸來說，由于水路運輸和空運相對復雜且較少使用，本文只對陸路運輸進行研究。陸路運輸中一般有公路和鐵路2種運輸方式，在運輸過程中除受自然因素的影響外，還受到振動、沖擊的影響，在公路運輸中不同的路面產生的振動、沖擊不同，根據GJB150.16–1986，公路運輸垂直軸方向的典型振動曲線如圖5所示。

鐵路運輸中振動、沖擊相對較平穩，但在火車啟動、緊急制動過程中振動、沖擊相對較大[5]，振動曲線如圖6所示。

2.2 魚雷庫房（技術陣地）貯存環境及影響分析

魚雷在洞庫或技術陣地貯存過程中，主要影響其壽命的環境因素為溫度和濕度，一般規定魚雷庫房貯存溫度為15 ℃～35 ℃，相對濕度控制在20%～80%。根據魚雷貯存環境要求，魚雷在貯存過程中有專用的包裝箱，包裝箱內有干燥劑且要進行抽真空充氮氣處理。在魚雷貯存過程中，濕度不大且變化較小，因此影響魚雷雷內組件貯存壽命的環境應力主要為溫度應力。

魚雷在庫房（技術陣地）長期的貯存過程中，由于溫度應力等因素的作用，表面和內部都會發生緩慢的物理和化學變化，例如，元器件出現老化，絕緣特性下降，電阻值變大，性能參數出現超差現象等。另外一些敏感的元器件經過長時間的貯存后都會出現參數漂移的現象，導致其性能無法滿足使用要求。

2.3 艇上裝載環境及影響分析

魚雷在潛艇上裝載時，主要受潮濕、鹽霧、高溫、低溫以及綜合應力等環境因素的影響，各環境應力對魚雷的影響見表2。

表 2 艇上裝載環境對魚雷的影響Tab. 2 The loading circumstance influence on torpedo

2.4 魚雷實航環境及影響分析

魚雷從發射管發射出去到命中目標或者航程終了過程中主要受到溫度、濕度、鹽霧、水壓、電應力和振動的影響，這一階段魚雷所受到的應力是設計綜合試驗剖面的重點。各環境應力對魚雷的影響如表3所示。

3 綜合試驗剖面設計

綜合試驗剖面是產品所受環境應力和試驗時間的關系圖，是遵循特定的原則將多個任務剖面的數據進行處理合成得到的綜合剖面圖[6]。綜合試驗剖面是通過模擬產品實際環境條件，能有效地檢驗產品，尋找出產品在設計、元器件使用和生產工藝上面的薄弱環節，進而分析原因，找出解決辦法[7]。綜合試驗剖面設計過程如圖7所示。

表 3 實航環境對魚雷的影響Tab. 3 The operating circumstance influence on torpedo

3.1 溫度循環應力分析

通過分析魚雷在貯存和使用過程中所受溫度應力的影響，在溫度應力中有高低溫循環[8]，高溫循環包括高溫工作循環和高溫貯存循環，低溫循環應包括低溫工作循環和低溫貯存循環。

1）高溫影響

高溫能夠加快魚雷非金屬材料老化、氧化，物理性能降低；加快橡膠等密封材料變形，使密封性能變差，絕緣失效；零部件之間潤滑性能降低，磨損加劇；各組件受熱容易發生膨脹和變形，導致結構件發生損壞。

2）低溫影響

低溫容易使材料脆化，強度降低，出現斷裂和硬化的現象；密封材料受冷收縮變形，導致密封性能降低，容易引起泄露；油脂類材料受冷可能出現固化現象，導致潤滑性能下降。

3）交變溫度影響

交替變化的溫度，對魚雷組件影響較大，特別是精密儀器連接部位，由于不同材料的膨脹系數不同，會使非金屬密封件、連接處間隙發生改變，使魚雷穩定性降低。

在試驗剖面的制定中，對于持續時間較短的溫度應力應予以刪除，因為魚雷還沒來得及冷透或熱透就結束了，對魚雷影響較小，可以忽略。對于溫度變化率不大的（小于5 ℃/min），應進行相應地處理（增加到5 ℃/min），參考相關文獻，在溫度加速壽命試驗中，高溫和低溫各占總試驗時間的一半。

3.2 濕度應力分析

由于魚雷運輸持續時間較短，在貯存過程中要經過密封充氮處理，所以濕度對魚雷的影響主要集中在魚雷艇上裝載和實航階段，這兩階段都發生在海上，海上不僅濕度大，而且鹽分高，促使魚雷元器件金屬表面發生電化學反應，加快腐蝕；吸收潮氣后，火工品、魚雷外殼、安全結構的防靜電層的絕緣效果會下降，甚至喪失功能；對電子元器件來說，高濕度會導致介電常數增大；橡膠等非金屬材料吸濕后，會導致霉變和老化變質。表4中描述了溫度和濕度的施加過程。

表 4 溫濕度應力施加程序Tab. 4 The routine of applying temperature and humidity press

3.3 振動應力分析

魚雷在運輸、吊裝、裝運、艇上裝載和實航過程中都會受到不同程度振動應力的影響。運輸過程中振動應力的大小主要受路面平整程度的影響；沖擊表示載荷的一種急劇變化，主要出現在運輸過程中的加速和急剎車，裝載階段出現跌落的情況。魚雷在艇上裝載振動情況可以參照GJB899A–2009中相關部分進行應力施加。魚雷實航階段的振動應力參考相關的標準制定。

在設計試驗剖面時，為方便制定，對于振動應力較小的（即W0小于0.1（m/s2）2/Hz）增大到0.1（m/s2）2/Hz。

3.4 電應力分析

根據壽命剖面，魚雷在貯存期間的檢修、維護保養，任務期間的射前自檢、發射航行都要經受電應力。電應力對魚雷的影響，一方面，通電時間的長短會影響電子組件的使用壽命。魚雷在出廠時，設計方會給出電應力的上限電壓和下限電壓，超過此范圍就會造成電子組件性能破壞。另一方面，在高濕度高鹽度情況下，通電會增大魚雷各組件的損傷。

魚雷在進行通斷電循環試驗時，要根據實際任務情況輸入電壓變化循環，一般第1階段循環電壓為1.1倍的標準電壓，第2階段為標準電壓，第3階段為0.9倍的標稱電壓[9]，時間按1:2:1的比例進行施加。

為了真實反映魚雷的工作狀態，在進行通斷電循環試驗時，要對輸入電壓進行拉偏，其偏離值為魚雷使用說明書中要求的上限電壓和下限電壓。如果產品在通電過程中出現故障，可以中斷此循環，重復輸入此電壓，看故障是否與輸入電壓有關。

3.5 綜合試驗剖面的制定

根據魚雷的可靠性試驗環境條件分析可以得到溫度、濕度、振動及電應力的綜合環境可靠性試驗剖面，典型的魚雷可靠性試驗剖面如圖8所示。

4 結 語

本文從魚雷壽命、貯存、任務剖面入手，設計出魚雷在不同時期的剖面圖，分析了魚雷在運輸、庫房（技術陣地）貯存、艇上裝載和實航各個階段所受到的應力以及各個應力對魚雷壽命的影響，進而得到制定綜合試驗剖面必不可少的各個應力數據，最后按照一定的規則對多個任務的應力數據進行處理合成后得到綜合試驗剖面。該綜合試驗剖面對于設計魚雷可靠性試驗有指導意義。

[1]祝學軍, 管飛, 王洪波, 等. 戰術彈道導彈貯存延壽工程基礎[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2015. 3.

[2]曾聲魁, 趙廷弟, 張建. 系統可靠性設計分析教程[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2001.

[3]李久祥, 劉春和. 導彈貯存可靠性設計應用技術[M]. 北京: 海潮出版社, 2001.

[4]蔡健平, 張萌, 趙婉. 艦載導彈武器全壽命期環境剖面確定方法[J], 裝備環境工程. 2014, 11(5): 92–96.CAI Jian-ping, ZHANG Meng, ZHAO Wan. Determination method of life cycle environmental profile for shipboard missile materiel[J]. Equipment Environmental Engineering, 2014,11(5): 92–96.

[5]李星, 陳歡, 朱曦全, 等. 基于壽命剖面的魚雷環境條件分析及可靠性試驗剖面制定[J], 強度與環境. 2012, 39(6): 42–47.LI Xing, CHEN Huan, ZHU Xi-quan, et al. Environment condition analysis and reliability testing profile designing of torpedo based on life profile[J]. Structure & Environment Engineering, 2012, 39 (6): 42–47.

[6]姜同敏. 可靠性與壽命試驗[M]. 北京: 國防工業出版社, 2012.

[7]陳萬創, 李愛國. 空空導彈綜合環境可靠性試驗剖面研究[J],上海航天. 2005, 4: 41–44.CHEN Wan-chuang, LI Ai-guo. Research on air to air missile combined environment reliability test profile [J]. AEROSPACE SHANGHAI. 2005, 4: 41–44.

[8]中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎部標準化研究中心.GJB899A–2009可靠性鑒定和驗收試驗[S]. 北京: 中國人民解放軍總裝備部, 2009.Standardization research center of the ministry of electronic information of the Chinese People’s Liberation Army general armament department. GJB899A—2009. Reliability evaluation and acceptance test [S]. PLA General Armament Department,2009.

[9]張策, 王冬, 劉艷, 等. 防空導彈的綜合環境可靠性試驗剖面研究[J]. 裝備環境工程. 2006, 3(5): 48–52.ZHANG Ce, WANG Dong, LIU Yan, et al. Antiaircraft missile combined environmental reliability test profile research [J].Equipment Environmental Engineering. 2006, 3(5): 48–52.

The design profile for torpedo synthetically testing under reference stress

ZHANG Bai-yong1, LIU Kai2, SUN Jiong2, LIN Yang1
(1. Department of Weapon Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;2. Office of Research and Development, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Firstly, this paper analyzed the torpedo’s life, the storage and mission profileand then the profile of a single torpedo in the different periods of section was designed, then analyzed the press that torpedo

and it’s influence on torpedo during transportation, stored in warehouse or technical positions, loaded in battleships and every period in real use situations. Finally, according to some certain rules, a synthesized test profile was generated by the processing of data which were collected from several experiment mission’s test profile. The final designed synthesized test profile has guiding meaning for the torpedo’s reliability testing projects.

torpedo；environment stress analysis；synthetical testing profile；reliability testing

TJ630

A

1672 – 7649(2017)09 – 0174 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.035

2016 – 08 – 22；

2016 – 09 – 29

國家自然科學基金資助項目(51579242)

張百勇(1990 – )，男，碩士研究生，研究方向為武器系統運用與保障工程。