水下航行體環境應力分析

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

隨著現代科學技術的不斷進步，水下航行體技術發展迅猛，呈現出智能化、高速化、集群化、體系化的發展趨勢[1]。

水下航行體的作業范圍不斷向深遠海延伸。相較于淺海區域，深遠海地區的作業環境更為惡劣，其對水下航行器的環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境應力分析[2]。本文測試水下航行體全生命周期的環境應力參數，并提出一種測試數據處理方法，可為水下航行體環境試驗、可靠性試驗等提供有效支撐。

1 水下航行體環境應力參數

根據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 種環境應力參數。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境應力參數不同：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 水下航行體環境應力參數測試

2.1 測試設備

海水鹽度、鹽霧、霉菌等參數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、沖擊等參數需要使用環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，故須著重考慮參數測量設備的體積和質量。測試設備在滿足多環境應力參數測量的同時，必須將體積和質量控制在要求范圍內。

一般情況下，測試設備主要包括測量傳感器、數據采集與分析系統、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；數據采集與分析系統主要包括實時控制器、熱電偶輸入模塊、濕度測量模塊、動態信號采集模塊等。

測量傳感器用于將物理量轉換為相應的電信號；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；數據采集與分析系統主要用于記錄和處理傳感器采集的數據；便攜式筆記本需要安裝控制與監測套件，用于處理和分析實測數據。

2.2 參數測試

1）運輸階段

運輸階段是指水下航行體從出廠到運輸到客戶的階段。目前，運輸過程主要包括公路、鐵路、空運、海運等方式。在進行環境應力參數測試時，分析幾種運輸方式的環境惡劣程度，選取環境最惡劣的運輸方式進行參數測量。該階段主要測量的參數包括振動、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儲存狀態，主要測量的參數包括溫度、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境或水面環境。因此，水下航行器所受的環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。

4）使用階段

使用階段是指水下航行體在水面或水下作業的階段，該階段的環境應力參數可直接影響到航行體的工作可靠度，故該階段的環境應力參數測試尤為重要。該階段的測試參數主要包括溫度、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境應力參數。

3 數據處理及分析

3.1 溫濕度數據處理

溫濕度數據的處理過程較為簡單，根據實測的溫濕度數據，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、沖擊數據處理

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

圖1 振動數據處理流程

圖2 沖擊數據處理流程

在處理振動數據時，需要先去除奇異點，具體方法如下：1）當某點數據值大于設定值時，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）觀察數據的時間歷程，并進行平穩性檢驗；4）進行頻譜分析，確定振動樣本后，對每組數據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）通過均值法和統計法獲得頻譜圖；6）進行周期性檢驗，將時域振動數據通過帶通濾波器進行自相關分析，并與自相關函數的典型曲線進行比較。

對于沖擊數據，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）進行環境條件實測譜估計；4）進行環境條件規范譜估計。

4 環境應力數據應用

根據各階段的環境應力數據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境應力曲線，為水下航行體環境試驗、可靠性試驗等提供支撐。

5 結論

環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境應力參數及測試設備，并提出一種測試數據處理方法。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境應力水平，為水下航行體環境試驗、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境應力的測試與分析提供一定參考。