水下无人航行器记录仪壳体设计*

王高泉　赵　军　饶　喆　谢芝亮

(海军工程大学兵器工程系　武汉　430033)



水下无人航行器记录仪壳体设计*

王高泉赵军饶喆谢芝亮

(海军工程大学兵器工程系武汉430033)

水下无人航行器记录仪壳体结构设计通过对壳体安装环境的分析，确定壳体的结构尺寸，选取壳体材料，参照潜水器壳体以及飞机记录仪壳体的设计方法，利用有限元分析对壳体进行仿真验证。研究结果表明：设计确定的水下无人航行器记录仪壳体满足设计要求，也为今后水下无人航行器壳体的设计提供依据。

水下无人航行器;记录仪壳体;结构设计;模型仿真

Class NumberTM344

1　引言

随着记录技术的不断发展，记录仪的机制也在不断的完善，从早期的老式的速迹仪记录方式，逐渐发展到以磁带等磁性介质为记录介质，现在又采用了以芯片为记录介质的记录方式，各式记录仪壳体的结构亦是形式多样[1],未形成标准化、通用化，就水下无人航行器记录仪的壳体而言，一方面，壳体要承受水下载荷和强冲击载荷作用，另一方面壳体要方便其与载体的装配和内部空间的电子元器件的安装[2]。

决定水下无人航行器记录仪形状的因素有很多，如作战深度、结构强度、抗冲击幸存能力、外观、材料加工的制作工艺的复杂性，安装的方便性，空间的利用率等。在不考虑成本的状况下水下无人航行器的作战深度和结构负载的能力为首要的考虑因素，当然鉴于水下无人航行器的本身结构限制，安装和操作的便利性、材料等因素也需综合考虑[3]。

随着现代技术的发展，鱼雷也向着高航速、远航程、大作战深度、低辐射噪声、远程精确导航、远距离探测及水声对抗、高效毁伤等性能等特点发展。本文以航深500m水深，航速50节的鱼雷为例设计通用化记录仪壳体，以满足作战和装备保障的需要。

2　壳体的结构设计

2.1壳体结构设计的主要考虑因素

在500m深度，50节航速的水下无人航行器的结构设计及生产加工制造过程中，需要考虑以下几个方面：

1)记录仪壳体材料的基本特性；

2)记录仪壳体的幸存环境以及在环环境下的受力；

3)记录仪壳体结构可能遭受到的损毁形式；

4)记录仪壳体与航行器的联结形式。

此外，对于记录仪的壳体而言，需要保证记录仪在特定的环境下面仍然保证其壳体不致因外部载荷的作用而遭到破坏，包括强度、稳定性和抗强冲击载荷等方面。因此需要对设计好的壳体进行校验[4]。

2.2记录仪壳体的结构形状分析

2.2.1记录仪壳体截面的分析

图1　空心矩形截面

图2　空心圆截面

对于空心矩形截面的抗弯截面系数如

(1)

对于空心圆截面的抗弯截面系数如下：

(2)

(3)

因此，在同等截面，同一材料的条件下空心圆结构抗弯截面系数和塑性抗弯截面系数远大于矩形及其他形状，因此空心圆截面的壳体其抗挤压、抗冲击性能良好。拟选定壳体形状为圆柱形或者球形结构。

2.2.2壳体形状的确定

飞机“黑匣子”壳体从应用以来，形状有球形、圆柱形、椭球形、锥形等多种形式，但是常用的是球形和圆柱形或两者的组合。

在强度分析中，球形耐压壳应力计算如下[2]：

(4)

式中，p为工作压力(Mpa)；D为壳体直径(mm)；t为壳体的厚度(mm)；

由式(4)可以得出，在直径和厚度相同的情况下，球形壳体的应力是圆柱形壳体的1/2，因而在选材相同的情况下，同一的深度的情况下，应首先的考虑球形的壳体。而相较于(小于700m～800m)的记录仪壳体，在这样的深度，壳体结构存在稳定性的问题，也就是在这个深度时，壳体的结构往往是由其稳定性确定的。如若选择圆柱形壳体，则记录仪的壳体形状为l/D0和D0/t较小的短圆柱，壳体两端的约束或刚性构件对圆柱壳体的支持作用明显，壳体刚性较大，失稳时呈现两个以上的波纹。这就对记录仪的稳定性有了一定的保证[7～8]。

表1　球形与圆柱形优缺点

相对于记录仪较为常用的载体鱼雷而言，鱼雷相较于潜艇等大型水下无人航行器，其雷体内空间较为狭小，记录仪壳体生产加工制造过程中的安装要求，同时包括外部的安装要求和外形布置，及其与航行器的联结形式对于雷体的影响较大，因此参照雷位指示器等雷载器件的安装形式，拟采用无加强肋的圆柱形壳体,并在后面的给出校核检验是否满足壳体的性能要求。

3　记录仪壳体材料的选择

目前运用于记录仪壳体的材料主要有金属与非金属两类，主要决定壳体材料的选择方面包括腐蚀、应力腐蚀破裂、低周疲劳、蠕变、消除应力后材料的变脆性、脆裂、比强度、比刚度、可焊接性和可成型性等方面。目前常用的材料有钢，钛合金、铝合金、镁合金、玻璃钢等，以下为较为常用的几种材料的分析[4]。

由表2、表3可以得出玻璃钢具有强度高、质量轻、耐腐蚀、建造与成型方便的优点，但其抗拉与抗冲击弱，并且容易老化，对于可能发生碰撞的产生强冲击的记录仪壳体显然是不适宜的。玻璃也具有很高的强度，但是脆性太大，而且壳体上的加工困难，不宜选做壳体材料。

以下为几种超高强度材料的分析。为便于分析材料的性能，图3为根据表3绘制壳体材料性能的柱状图。

表2　几种记录仪壳体高强度材料的主要性能

表3　几种记录仪壳体材料的主要性能

由图3可以看出铝合金具有重度小、可塑性良好以及优良的可铸性等优点 ，但是铝合金在应力的条件下腐蚀敏感，而且一旦发生应力破坏，即使是在很小能量的作用下材料也会迅速发生破坏，显然对于深海高压，海水腐蚀的环境下并不合适[5]。

图3　壳体材料性能柱状图

钛合金其拥有高强度、质量轻、耐化学腐蚀等特点，同时在其材料的表面较易与氧结合生成致密的钝态氧化膜，这就会增强其结构的强度和稳定性。其缺点是机加工性能不太好，焊接要求比较高，经济成本较高[5]。

从图3中可以看出在同等强度的条件下，钛合金的重度仅为合金钢的重度的1/2，但是由于钛合金的弹性模量仅为钢的1/2。而壳体的抗压刚度计算公式为

K=EA0

(5)

式中，A0为壳截面面积。

这就使得钛合金壳体在承受外界的冲击力方面不如合金钢壳体，而且钛合金壳体在经济性能和设计性方面亦不如合金钢，因此在满足记录仪壳体的刚度的前提下，拟采用超高强度合金钢作为壳体材料。

选择牌号为18CrMnNiMoA，材料强度[σb]=1180Mpa,许用应力σb≤1180Mpa,弹性模量E=193Gpa～200Gpa,泊松比μ为0.28，许可弹性变形范围δ为10%，密度ρ为7.8g/cm3的高强度合金钢，由于防毁壳体不允许发生塑性变形，在模型中假设壳体在载荷作用下只发生线弹性范围内的变形[1]。

4　壳体模型的建立

以鱼雷为例，在满足材料的强度和壳体刚度的前提条件下，记录仪总体重量不超过3.5kg壳体各处应力最有意义的是壳体中间的横向平均应力，一般此应力值较大，因此厚度t应当符合以下规定：

(6)

对于有限长薄壁圆柱壳体受径向和轴向外压的情况，最早圆满解决之一问题的是密塞斯(Von Misses)，后来许多学者在他基础上做一定的简化，至今密塞斯临界压力公式还是经常被推荐使用，被认为是比较精确的计算临界压力公式[1]。

在英美一些资料中还经常推荐用温登堡(D.F.Widen burg)式中去掉了周向波数，使用较为方便，其形式为

(7)

(pcr)g≥(1.1～1.3)pj

(8)

式中，K为安全系数，取(1.1～1.3)；R为壳体的半径；t为壳体的厚度；l为壳体的长度。

此外，由于雷载记录仪安装环境，一般要求记录仪的总重量不得超过3.5kg，因此壳体的重量需要满足以下公式：

π[(R+t)2-R2]lρ≤3.5

(9)

目前按鱼雷的直径分为大型鱼雷(533mm～555mm)、中型鱼雷(400mm～482mm)和小型鱼雷324mm下。

为使记录仪能够满足通用化，使其可以在各型号的雷体上的安装，拟设计雷体的长度l=300mm。

从便于安装考虑，参照雷位指示器等雷载的安装形式结构，由于在鱼雷壳体上开孔较大会破坏鱼雷的流线外形，从减震降噪的方面考虑，在满足记录仪壳体内部空间的情况下，尽可能地设计较小的壳体直径，初步设定记录仪壳体的直径为10cm，同时由于记录仪还承受外部冲击载荷的作用，尽可能地在满足记录仪重量要求的前提下增加壳体的厚度由式(9)求得t≤4.5mm，拟取t=3mm，则初步设计拟定的记录仪壳体模型为l=300mm,R=100mm,t=3mm的圆柱形壳体，将设计数据带入强度和稳定性校核[5]。

5　壳体校核

5.1有限元模型建立

模型建立仅考虑防毁壳体的钢外壳组件，内部的电子器件及防护组件没有加入模型中，因为这些器件刚度较小，对计算过程中的刚矩阵贡献可忽略。利用CATIA软件进行1∶1完全实体建模分析，对防护壳体进行非线性四面体型有限元离散，节点数为77806，块数为40745，如图4所示[6～7]。

图4　壳体有限元模型

5.2分析结果

5.2.1受海水静压力的壳体仿真

由图5所示的仿真结果可知，壳体受到轴向和径向的静水压力时，最大应力为152Mpa，发生在壳体顶端的边沿处。小于材料的许可强度1180Mpa,最大形变0.22mm，发生在壳体顶端的中心处，而材料的许可弹性变形范围δ为10%，即为0.3mm，这表明防护壳体的应力和变形均在材料的线弹性范围内,满足壳体的耐压要求。

5.2.2受强冲击载荷的壳体仿真

根据测试标准设置仿真条件为分别在垂直方向、横向方向、对角线方向上施加冲击载荷作用，50节航速，撞击事件6.5ms，计算防毁壳体在方向冲击作用下的应力和形变响应，判断计算的应力是否小于材料的许可强度σb，形变是否在弹性范围内，以检验壳体是否能承受强冲击考验[8]。

图5　受海水静压力记录仪壳体应力云图和形变云图

图6　水平方向上施加强冲击时记录仪壳体应力云图和形变云图

图7　垂直方向上施加强冲击时记录仪壳体应力云图和形变云图

图8　对角线方向上施加强冲击时记录仪壳体应力云图和形变云图

由图6～图8所示的仿真结果可知，强冲击分别在不同方向施加时，最大应力为177Mpa，发生在横向施加强冲击时主体与底座连接出处。小于材料的许可强度,最大形变0.294mm，发生在方向上施加强冲击时记录器顶，而材料的许可弹性变形范围δ为10%，即为0.3mm，这表明防护壳体的应力和变形均在材料的线弹性范围内,满足壳体受强冲击的要求[9～10]。

6　结语

本文从壳体形状的选择着手，综合分析多方面的因素，对无人航行器记录仪壳体的设计提出完整的设计方案，实现记录仪壳体的标准化和通用化设计。

本文利用有限元分析方法，可以对所选的壳体结构初步的应力分析和变形量分析，从而可以根据分析结果初步的判断防毁壳体结构是否满足设计壳体的防毁要求。由于建立防毁壳体数学模型过程中结合鱼雷的实际情况进行了一定的假设，这就使得模型的情况可能与实际情况会有较大的差别，虽然对于壳体进行了应用计算，通过进行产品的仿真来验证，提高结构了设计的效率，降低设计成本，但是最终的产品的结构形式还需要通过实际的试验来验证。

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Design of Underwater Unmanned Aircraft Records Shell

WANG GaoquanZHAO JunRAO ZheXIE Zhiliang

(Department of Weapon Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan430033)

Underwater unmanned aircraft structure of generalized design,through the analysis of the installation environment,determines the structure size,selects material,reference to the design method of the underwater vehicle shell and the plane recorder shell,finite element method is used to simulate shell.The research results show that the design of underwater unmanned vehicle data recorder shell meets the requirement,also for the future underwater unmanned vehicle data recorder shell to provide theoretical basis for the design.

underwater unmanned aircraft,recorder shell,structural design,model simulation

2016年3月12日,

2016年4月29日

王高泉，男，硕士研究生，研究方向：武器系统运用于保障工程。赵军，男，副教授，研究方向：鱼雷总体技术。饶喆，男，博士研究生，研究方向：兵器制导与控制技术。谢芝亮，男，硕士研究生，研究方向：武器系统运用于保障工程。

TM344DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.035