水下無人航行器記錄儀殼體設(shè)計(jì)*

王高泉　趙　軍　饒　喆　謝芝亮

(海軍工程大學(xué)兵器工程系　武漢　430033)

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水下無人航行器記錄儀殼體設(shè)計(jì)*

王高泉趙軍饒喆謝芝亮

(海軍工程大學(xué)兵器工程系武漢430033)

水下無人航行器記錄儀殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過對殼體安裝環(huán)境的分析，確定殼體的結(jié)構(gòu)尺寸，選取殼體材料，參照潛水器殼體以及飛機(jī)記錄儀殼體的設(shè)計(jì)方法，利用有限元分析對殼體進(jìn)行仿真驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：設(shè)計(jì)確定的水下無人航行器記錄儀殼體滿足設(shè)計(jì)要求，也為今后水下無人航行器殼體的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

水下無人航行器;記錄儀殼體;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);模型仿真

Class NumberTM344

1　引言

隨著記錄技術(shù)的不斷發(fā)展，記錄儀的機(jī)制也在不斷的完善，從早期的老式的速跡儀記錄方式，逐漸發(fā)展到以磁帶等磁性介質(zhì)為記錄介質(zhì)，現(xiàn)在又采用了以芯片為記錄介質(zhì)的記錄方式，各式記錄儀殼體的結(jié)構(gòu)亦是形式多樣[1],未形成標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，就水下無人航行器記錄儀的殼體而言，一方面，殼體要承受水下載荷和強(qiáng)沖擊載荷作用，另一方面殼體要方便其與載體的裝配和內(nèi)部空間的電子元器件的安裝[2]。

決定水下無人航行器記錄儀形狀的因素有很多，如作戰(zhàn)深度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗沖擊幸存能力、外觀、材料加工的制作工藝的復(fù)雜性，安裝的方便性，空間的利用率等。在不考慮成本的狀況下水下無人航行器的作戰(zhàn)深度和結(jié)構(gòu)負(fù)載的能力為首要的考慮因素，當(dāng)然鑒于水下無人航行器的本身結(jié)構(gòu)限制，安裝和操作的便利性、材料等因素也需綜合考慮[3]。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，魚雷也向著高航速、遠(yuǎn)航程、大作戰(zhàn)深度、低輻射噪聲、遠(yuǎn)程精確導(dǎo)航、遠(yuǎn)距離探測及水聲對抗、高效毀傷等性能等特點(diǎn)發(fā)展。本文以航深500m水深，航速50節(jié)的魚雷為例設(shè)計(jì)通用化記錄儀殼體，以滿足作戰(zhàn)和裝備保障的需要。

2　殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要考慮因素

在500m深度，50節(jié)航速的水下無人航行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)加工制造過程中，需要考慮以下幾個(gè)方面：

1)記錄儀殼體材料的基本特性；

2)記錄儀殼體的幸存環(huán)境以及在環(huán)環(huán)境下的受力；

3)記錄儀殼體結(jié)構(gòu)可能遭受到的損毀形式；

4)記錄儀殼體與航行器的聯(lián)結(jié)形式。

此外，對于記錄儀的殼體而言，需要保證記錄儀在特定的環(huán)境下面仍然保證其殼體不致因外部載荷的作用而遭到破壞，包括強(qiáng)度、穩(wěn)定性和抗強(qiáng)沖擊載荷等方面。因此需要對設(shè)計(jì)好的殼體進(jìn)行校驗(yàn)[4]。

2.2記錄儀殼體的結(jié)構(gòu)形狀分析

2.2.1記錄儀殼體截面的分析

圖1　空心矩形截面

圖2　空心圓截面

對于空心矩形截面的抗彎截面系數(shù)如

(1)

對于空心圓截面的抗彎截面系數(shù)如下：

(2)

(3)

因此，在同等截面，同一材料的條件下空心圓結(jié)構(gòu)抗彎截面系數(shù)和塑性抗彎截面系數(shù)遠(yuǎn)大于矩形及其他形狀，因此空心圓截面的殼體其抗擠壓、抗沖擊性能良好。擬選定殼體形狀為圓柱形或者球形結(jié)構(gòu)。

2.2.2殼體形狀的確定

飛機(jī)“黑匣子”殼體從應(yīng)用以來，形狀有球形、圓柱形、橢球形、錐形等多種形式，但是常用的是球形和圓柱形或兩者的組合。

在強(qiáng)度分析中，球形耐壓殼應(yīng)力計(jì)算如下[2]：

(4)

式中，p為工作壓力(Mpa)；D為殼體直徑(mm)；t為殼體的厚度(mm)；

由式(4)可以得出，在直徑和厚度相同的情況下，球形殼體的應(yīng)力是圓柱形殼體的1/2，因而在選材相同的情況下，同一的深度的情況下，應(yīng)首先的考慮球形的殼體。而相較于(小于700m～800m)的記錄儀殼體，在這樣的深度，殼體結(jié)構(gòu)存在穩(wěn)定性的問題，也就是在這個(gè)深度時(shí)，殼體的結(jié)構(gòu)往往是由其穩(wěn)定性確定的。如若選擇圓柱形殼體，則記錄儀的殼體形狀為l/D0和D0/t較小的短圓柱，殼體兩端的約束或剛性構(gòu)件對圓柱殼體的支持作用明顯，殼體剛性較大，失穩(wěn)時(shí)呈現(xiàn)兩個(gè)以上的波紋。這就對記錄儀的穩(wěn)定性有了一定的保證[7～8]。

表1　球形與圓柱形優(yōu)缺點(diǎn)

相對于記錄儀較為常用的載體魚雷而言，魚雷相較于潛艇等大型水下無人航行器，其雷體內(nèi)空間較為狹小，記錄儀殼體生產(chǎn)加工制造過程中的安裝要求，同時(shí)包括外部的安裝要求和外形布置，及其與航行器的聯(lián)結(jié)形式對于雷體的影響較大，因此參照雷位指示器等雷載器件的安裝形式，擬采用無加強(qiáng)肋的圓柱形殼體,并在后面的給出校核檢驗(yàn)是否滿足殼體的性能要求。

3　記錄儀殼體材料的選擇

目前運(yùn)用于記錄儀殼體的材料主要有金屬與非金屬兩類，主要決定殼體材料的選擇方面包括腐蝕、應(yīng)力腐蝕破裂、低周疲勞、蠕變、消除應(yīng)力后材料的變脆性、脆裂、比強(qiáng)度、比剛度、可焊接性和可成型性等方面。目前常用的材料有鋼，鈦合金、鋁合金、鎂合金、玻璃鋼等，以下為較為常用的幾種材料的分析[4]。

由表2、表3可以得出玻璃鋼具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、建造與成型方便的優(yōu)點(diǎn)，但其抗拉與抗沖擊弱，并且容易老化，對于可能發(fā)生碰撞的產(chǎn)生強(qiáng)沖擊的記錄儀殼體顯然是不適宜的。玻璃也具有很高的強(qiáng)度，但是脆性太大，而且殼體上的加工困難，不宜選做殼體材料。

以下為幾種超高強(qiáng)度材料的分析。為便于分析材料的性能，圖3為根據(jù)表3繪制殼體材料性能的柱狀圖。

表2　幾種記錄儀殼體高強(qiáng)度材料的主要性能

表3　幾種記錄儀殼體材料的主要性能

由圖3可以看出鋁合金具有重度小、可塑性良好以及優(yōu)良的可鑄性等優(yōu)點(diǎn) ，但是鋁合金在應(yīng)力的條件下腐蝕敏感，而且一旦發(fā)生應(yīng)力破壞，即使是在很小能量的作用下材料也會迅速發(fā)生破壞，顯然對于深海高壓，海水腐蝕的環(huán)境下并不合適[5]。

圖3　殼體材料性能柱狀圖

鈦合金其擁有高強(qiáng)度、質(zhì)量輕、耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，同時(shí)在其材料的表面較易與氧結(jié)合生成致密的鈍態(tài)氧化膜，這就會增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)是機(jī)加工性能不太好，焊接要求比較高，經(jīng)濟(jì)成本較高[5]。

從圖3中可以看出在同等強(qiáng)度的條件下，鈦合金的重度僅為合金鋼的重度的1/2，但是由于鈦合金的彈性模量僅為鋼的1/2。而殼體的抗壓剛度計(jì)算公式為

K=EA0

(5)

式中，A0為殼截面面積。

這就使得鈦合金殼體在承受外界的沖擊力方面不如合金鋼殼體，而且鈦合金殼體在經(jīng)濟(jì)性能和設(shè)計(jì)性方面亦不如合金鋼，因此在滿足記錄儀殼體的剛度的前提下，擬采用超高強(qiáng)度合金鋼作為殼體材料。

選擇牌號為18CrMnNiMoA，材料強(qiáng)度[σb]=1180Mpa,許用應(yīng)力σb≤1180Mpa,彈性模量E=193Gpa～200Gpa,泊松比μ為0.28，許可彈性變形范圍δ為10%，密度ρ為7.8g/cm3的高強(qiáng)度合金鋼，由于防毀殼體不允許發(fā)生塑性變形，在模型中假設(shè)殼體在載荷作用下只發(fā)生線彈性范圍內(nèi)的變形[1]。

4　殼體模型的建立

以魚雷為例，在滿足材料的強(qiáng)度和殼體剛度的前提條件下，記錄儀總體重量不超過3.5kg殼體各處應(yīng)力最有意義的是殼體中間的橫向平均應(yīng)力，一般此應(yīng)力值較大，因此厚度t應(yīng)當(dāng)符合以下規(guī)定：

(6)

對于有限長薄壁圓柱殼體受徑向和軸向外壓的情況，最早圓滿解決之一問題的是密塞斯(Von Misses)，后來許多學(xué)者在他基礎(chǔ)上做一定的簡化，至今密塞斯臨界壓力公式還是經(jīng)常被推薦使用，被認(rèn)為是比較精確的計(jì)算臨界壓力公式[1]。

在英美一些資料中還經(jīng)常推薦用溫登堡(D.F.Widen burg)式中去掉了周向波數(shù)，使用較為方便，其形式為

(7)

(pcr)g≥(1.1～1.3)pj

(8)

式中，K為安全系數(shù)，取(1.1～1.3)；R為殼體的半徑；t為殼體的厚度；l為殼體的長度。

此外，由于雷載記錄儀安裝環(huán)境，一般要求記錄儀的總重量不得超過3.5kg，因此殼體的重量需要滿足以下公式：

π[(R+t)2-R2]lρ≤3.5

(9)

目前按魚雷的直徑分為大型魚雷(533mm～555mm)、中型魚雷(400mm～482mm)和小型魚雷324mm下。

為使記錄儀能夠滿足通用化，使其可以在各型號的雷體上的安裝，擬設(shè)計(jì)雷體的長度l=300mm。

從便于安裝考慮，參照雷位指示器等雷載的安裝形式結(jié)構(gòu)，由于在魚雷殼體上開孔較大會破壞魚雷的流線外形，從減震降噪的方面考慮，在滿足記錄儀殼體內(nèi)部空間的情況下，盡可能地設(shè)計(jì)較小的殼體直徑，初步設(shè)定記錄儀殼體的直徑為10cm，同時(shí)由于記錄儀還承受外部沖擊載荷的作用，盡可能地在滿足記錄儀重量要求的前提下增加殼體的厚度由式(9)求得t≤4.5mm，擬取t=3mm，則初步設(shè)計(jì)擬定的記錄儀殼體模型為l=300mm,R=100mm,t=3mm的圓柱形殼體，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)帶入強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核[5]。

5　殼體校核

5.1有限元模型建立

模型建立僅考慮防毀殼體的鋼外殼組件，內(nèi)部的電子器件及防護(hù)組件沒有加入模型中，因?yàn)檫@些器件剛度較小，對計(jì)算過程中的剛矩陣貢獻(xiàn)可忽略。利用CATIA軟件進(jìn)行1∶1完全實(shí)體建模分析，對防護(hù)殼體進(jìn)行非線性四面體型有限元離散，節(jié)點(diǎn)數(shù)為77806，塊數(shù)為40745，如圖4所示[6～7]。

圖4　殼體有限元模型

5.2分析結(jié)果

5.2.1受海水靜壓力的殼體仿真

由圖5所示的仿真結(jié)果可知，殼體受到軸向和徑向的靜水壓力時(shí)，最大應(yīng)力為152Mpa，發(fā)生在殼體頂端的邊沿處。小于材料的許可強(qiáng)度1180Mpa,最大形變0.22mm，發(fā)生在殼體頂端的中心處，而材料的許可彈性變形范圍δ為10%，即為0.3mm，這表明防護(hù)殼體的應(yīng)力和變形均在材料的線彈性范圍內(nèi),滿足殼體的耐壓要求。

5.2.2受強(qiáng)沖擊載荷的殼體仿真

根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置仿真條件為分別在垂直方向、橫向方向、對角線方向上施加沖擊載荷作用，50節(jié)航速，撞擊事件6.5ms，計(jì)算防毀殼體在方向沖擊作用下的應(yīng)力和形變響應(yīng)，判斷計(jì)算的應(yīng)力是否小于材料的許可強(qiáng)度σb，形變是否在彈性范圍內(nèi)，以檢驗(yàn)殼體是否能承受強(qiáng)沖擊考驗(yàn)[8]。

圖5　受海水靜壓力記錄儀殼體應(yīng)力云圖和形變云圖

圖6　水平方向上施加強(qiáng)沖擊時(shí)記錄儀殼體應(yīng)力云圖和形變云圖

圖7　垂直方向上施加強(qiáng)沖擊時(shí)記錄儀殼體應(yīng)力云圖和形變云圖

圖8　對角線方向上施加強(qiáng)沖擊時(shí)記錄儀殼體應(yīng)力云圖和形變云圖

由圖6～圖8所示的仿真結(jié)果可知，強(qiáng)沖擊分別在不同方向施加時(shí)，最大應(yīng)力為177Mpa，發(fā)生在橫向施加強(qiáng)沖擊時(shí)主體與底座連接出處。小于材料的許可強(qiáng)度,最大形變0.294mm，發(fā)生在方向上施加強(qiáng)沖擊時(shí)記錄器頂，而材料的許可彈性變形范圍δ為10%，即為0.3mm，這表明防護(hù)殼體的應(yīng)力和變形均在材料的線彈性范圍內(nèi),滿足殼體受強(qiáng)沖擊的要求[9～10]。

6　結(jié)語

本文從殼體形狀的選擇著手，綜合分析多方面的因素，對無人航行器記錄儀殼體的設(shè)計(jì)提出完整的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)記錄儀殼體的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化設(shè)計(jì)。

本文利用有限元分析方法，可以對所選的殼體結(jié)構(gòu)初步的應(yīng)力分析和變形量分析，從而可以根據(jù)分析結(jié)果初步的判斷防毀殼體結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)殼體的防毀要求。由于建立防毀殼體數(shù)學(xué)模型過程中結(jié)合魚雷的實(shí)際情況進(jìn)行了一定的假設(shè)，這就使得模型的情況可能與實(shí)際情況會有較大的差別，雖然對于殼體進(jìn)行了應(yīng)用計(jì)算，通過進(jìn)行產(chǎn)品的仿真來驗(yàn)證，提高結(jié)構(gòu)了設(shè)計(jì)的效率，降低設(shè)計(jì)成本，但是最終的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式還需要通過實(shí)際的試驗(yàn)來驗(yàn)證。

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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，碩士研究生，研究方向：武器系統(tǒng)運(yùn)用于保障工程。趙軍，男，副教授，研究方向：魚雷總體技術(shù)。饒喆，男，博士研究生，研究方向：兵器制導(dǎo)與控制技術(shù)。謝芝亮，男，碩士研究生，研究方向：武器系統(tǒng)運(yùn)用于保障工程。

TM344DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.035