水下航行体环境应力分析

吴明涛，秦 琳，资 帆

（昆明船舶设备研究试验中心，昆明 650051）

0 引言

随着现代科学技术的不断进步，水下航行体技术发展迅猛，呈现出智能化、高速化、集群化、体系化的发展趋势[1]。

水下航行体的作业范围不断向深远海延伸。相较于浅海区域，深远海地区的作业环境更为恶劣，其对水下航行器的环境适应性提出更高要求，亟须开展水下航行体全生命周期的环境应力分析[2]。本文测试水下航行体全生命周期的环境应力参数，并提出一种测试数据处理方法，可为水下航行体环境试验、可靠性试验等提供有效支撑。

1 水下航行体环境应力参数

根据GJB 150.1A—2009 标准的相关描述[3]，水下航行体需要考虑低气压、高温、低温、温度冲击、湿热、霉菌、盐雾、海水盐度、加速度、振动、噪声、冲击等近30 种环境应力参数。水下航行体的全生命周期主要包括运输、储存、准备和装载、使用等阶段，不同阶段需要考虑的环境应力参数不同：1）运输阶段为振动、冲击、温度、湿度；2）储存阶段为温度、湿度；3）准备和装载阶段为温度、湿度、振动、冲击、盐雾、霉菌；4）使用阶段为温度、湿度、振动、冲击、海水盐度、盐雾、霉菌。

2 水下航行体环境应力参数测试

2.1 测试设备

海水盐度、盐雾、霉菌等参数难以直接通过设备测试，可通过其他方法获得。温度、湿度、振动、冲击等参数需要使用环境应力测试设备进行测量。

由于测试设备需要搭载在航行体上，故须着重考虑参数测量设备的体积和质量。测试设备在满足多环境应力参数测量的同时，必须将体积和质量控制在要求范围内。

一般情况下，测试设备主要包括测量传感器、数据采集与分析系统、便携式笔记本和电源等。其中：测量传感器主要包括热电偶、湿度测量传感器、加速度传感器等；数据采集与分析系统主要包括实时控制器、热电偶输入模块、湿度测量模块、动态信号采集模块等。

测量传感器用于将物理量转换为相应的电信号；热电偶用于测量温度应力；湿度测量模块用于测量湿度应力；加速度传感器用于测量振动和冲击应力；数据采集与分析系统主要用于记录和处理传感器采集的数据；便携式笔记本需要安装控制与监测套件，用于处理和分析实测数据。

2.2 参数测试

1）运输阶段

运输阶段是指水下航行体从出厂到运输到客户的阶段。目前，运输过程主要包括公路、铁路、空运、海运等方式。在进行环境应力参数测试时，分析几种运输方式的环境恶劣程度，选取环境最恶劣的运输方式进行参数测量。该阶段主要测量的参数包括振动、冲击、温度和湿度。

2）储存阶段

存储阶段是指客户收到水下航行体后将其储存于仓库的阶段。该阶段水下航行器主要处于静态储存状态，主要测量的参数包括温度、湿度。

3）准备和装载阶段

在准备和装载阶段，水下航行体已布置于搭载平台，搭载平台可能处于陆地环境或水面环境。因此，水下航行器所受的环境应力相较存储阶段复杂。除温度和湿度外，还应测量振动、冲击、盐雾、霉菌等参数。

4）使用阶段

使用阶段是指水下航行体在水面或水下作业的阶段，该阶段的环境应力参数可直接影响到航行体的工作可靠度，故该阶段的环境应力参数测试尤为重要。该阶段的测试参数主要包括温度、湿度、振动、冲击、海水盐度、盐雾、霉菌。在进行测试前，需要对水下航行体进行受力分析，重点分析应力较高的部位。在测试时，需要尽可能测试水下航行体在最恶劣工况下的环境应力参数。

3 数据处理及分析

3.1 温湿度数据处理

温湿度数据的处理过程较为简单，根据实测的温湿度数据，选取典型时刻的最高温湿度和最低温湿度，绘制时间-温湿度曲线。

3.2 振动、冲击数据处理

振动和冲击数据需要根据GJB/Z 126—1999 标准[4]推荐的方法进行数据处理。振动和冲击数据的处理流程分别见图1 和图2。

图1 振动数据处理流程

图2 冲击数据处理流程

在处理振动数据时，需要先去除奇异点，具体方法如下：1）当某点数据值大于设定值时，认为该点为奇异点；2）利用最小二乘法原理进行趋势项处理；3）观察数据的时间历程，并进行平稳性检验；4）进行频谱分析，确定振动样本后，对每组数据的样本进行快速傅里叶变换并进行加窗处理（汉宁窗），进而获得各频率点对应的功率谱密度值；5）通过均值法和统计法获得频谱图；6）进行周期性检验，将时域振动数据通过带通滤波器进行自相关分析，并与自相关函数的典型曲线进行比较。

对于冲击数据，采取如下处理方法：1）去除趋势项，确定样本；2）采用直接积分法计算冲击响应谱；3）进行环境条件实测谱估计；4）进行环境条件规范谱估计。

4 环境应力数据应用

根据各阶段的环境应力数据绘制水下航行体综合应力曲线。对应力曲线进行分析和提炼，绘制水下航行体全生命周期各阶段的综合环境应力曲线，为水下航行体环境试验、可靠性试验等提供支撑。

5 结论

环境应力是水下航行体可靠性的重要影响因素。本文详细介绍了水下航行体全生命周期各阶段的环境应力参数及测试设备，并提出一种测试数据处理方法。研究表明：该方法可得到水下航行体全生命周期各阶段的环境应力水平，为水下航行体环境试验、可靠性试验等提供有效支撑。希望本文的研究成果可为水下航行体环境应力的测试与分析提供一定参考。