吳明濤，秦 琳，資 帆

（昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，昆明 650051）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)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(shì)[1]。

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

1 水下航行體環(huán)境應(yīng)力參數(shù)

根據(jù)GJB 150.1A—2009 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)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(dòng)、噪聲、沖擊等近30 種環(huán)境應(yīng)力參數(shù)。水下航行體的全生命周期主要包括運(yùn)輸、儲(chǔ)存、準(zhǔn)備和裝載、使用等階段，不同階段需要考慮的環(huán)境應(yīng)力參數(shù)不同：1）運(yùn)輸階段為振動(dòng)、沖擊、溫度、濕度；2）儲(chǔ)存階段為溫度、濕度；3）準(zhǔn)備和裝載階段為溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、鹽霧、霉菌；4）使用階段為溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、海水鹽度、鹽霧、霉菌。

2 水下航行體環(huán)境應(yīng)力參數(shù)測(cè)試

2.1 測(cè)試設(shè)備

海水鹽度、鹽霧、霉菌等參數(shù)難以直接通過(guò)設(shè)備測(cè)試，可通過(guò)其他方法獲得。溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊等參數(shù)需要使用環(huán)境應(yīng)力測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。

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

一般情況下，測(cè)試設(shè)備主要包括測(cè)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(cè)量傳感器主要包括熱電偶、濕度測(cè)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(shí)時(shí)控制器、熱電偶輸入模塊、濕度測(cè)量模塊、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊等。

測(cè)量傳感器用于將物理量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)；熱電偶用于測(cè)量溫度應(yīng)力；濕度測(cè)量模塊用于測(cè)量濕度應(yīng)力；加速度傳感器用于測(cè)量振動(dòng)和沖擊應(yīng)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(cè)套件，用于處理和分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 參數(shù)測(cè)試

1）運(yùn)輸階段

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

2）儲(chǔ)存階段

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

3）準(zhǔn)備和裝載階段

在準(zhǔn)備和裝載階段，水下航行體已布置于搭載平臺(tái)，搭載平臺(tái)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(yīng)力相較存儲(chǔ)階段復(fù)雜。除溫度和濕度外，還應(yīng)測(cè)量振動(dòng)、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(yīng)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(yīng)力參數(shù)測(cè)試尤為重要。該階段的測(cè)試參數(shù)主要包括溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、海水鹽度、鹽霧、霉菌。在進(jìn)行測(cè)試前，需要對(duì)水下航行體進(jìn)行受力分析，重點(diǎn)分析應(yīng)力較高的部位。在測(cè)試時(shí)，需要盡可能測(cè)試水下航行體在最惡劣工況下的環(huán)境應(yīng)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(guò)程較為簡(jiǎn)單，根據(jù)實(shí)測(cè)的溫濕度數(shù)據(jù)，選取典型時(shí)刻的最高溫濕度和最低溫濕度，繪制時(shí)間-溫濕度曲線。

3.2 振動(dòng)、沖擊數(shù)據(jù)處理

振動(dòng)和沖擊數(shù)據(jù)需要根據(jù)GJB/Z 126—1999 標(biāo)準(zhǔn)[4]推薦的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。振動(dòng)和沖擊數(shù)據(jù)的處理流程分別見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 振動(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)，需要先去除奇異點(diǎn)，具體方法如下：1）當(dāng)某點(diǎn)數(shù)據(jù)值大于設(shè)定值時(shí)，認(rèn)為該點(diǎn)為奇異點(diǎn)；2）利用最小二乘法原理進(jìn)行趨勢(shì)項(xiàng)處理；3）觀察數(shù)據(jù)的時(shí)間歷程，并進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)；4）進(jìn)行頻譜分析，確定振動(dòng)樣本后，對(duì)每組數(shù)據(jù)的樣本進(jìn)行快速傅里葉變換并進(jìn)行加窗處理（漢寧窗），進(jìn)而獲得各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率譜密度值；5）通過(guò)均值法和統(tǒng)計(jì)法獲得頻譜圖；6）進(jìn)行周期性檢驗(yàn)，將時(shí)域振動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行自相關(guān)分析，并與自相關(guān)函數(shù)的典型曲線進(jìn)行比較。

對(duì)于沖擊數(shù)據(jù)，采取如下處理方法：1）去除趨勢(shì)項(xiàng)，確定樣本；2）采用直接積分法計(jì)算沖擊響應(yīng)譜；3）進(jìn)行環(huán)境條件實(shí)測(cè)譜估計(jì)；4）進(jìn)行環(huán)境條件規(guī)范譜估計(jì)。

4 環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)應(yīng)用

根據(jù)各階段的環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)繪制水下航行體綜合應(yīng)力曲線。對(duì)應(yīng)力曲線進(jìn)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(yīng)力曲線，為水下航行體環(huán)境試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)等提供支撐。

5 結(jié)論

環(huán)境應(yīng)力是水下航行體可靠性的重要影響因素。本文詳細(xì)介紹了水下航行體全生命周期各階段的環(huán)境應(yīng)力參數(shù)及測(cè)試設(shè)備，并提出一種測(cè)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(yīng)力水平，為水下航行體環(huán)境試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)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(yīng)力的測(cè)試與分析提供一定參考。