艦載裝備值班壽命加速試驗(yàn)方法研究

陳津虎 胡彥平 周芳

艦載裝備值班壽命加速試驗(yàn)方法研究

陳津虎 胡彥平 周芳

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京，100076）

本文分析了艦載值班環(huán)境應(yīng)力影響，系統(tǒng)梳理了我國艦載裝備戰(zhàn)斗值班期間的環(huán)境應(yīng)力條件，總結(jié)提出了艦載值班壽命剖面，初步建立了系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品艦載值班壽命加速驗(yàn)證試驗(yàn)方法，為海軍新研型號(hào)產(chǎn)品戰(zhàn)斗值班壽命指標(biāo)的評(píng)定和驗(yàn)證提供了參考方法。

艦載值班；壽命試驗(yàn)；加速試驗(yàn)

0 引言

艦載裝備是各類水面艦艇的重要組成部分之一，是形成水面艦艇作戰(zhàn)和防御能力的核心力量，艦載武器性能的好壞直接影響艦艇的作戰(zhàn)效能和執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的能力。我國海軍新研型號(hào)首次提出了艦上戰(zhàn)斗值班壽命的要求，一般為一年至數(shù)年。為驗(yàn)證如此長的戰(zhàn)斗值班任務(wù)時(shí)間，采用傳統(tǒng)試驗(yàn)方法要花費(fèi)很長時(shí)間，消耗大量資源，這將嚴(yán)重影響裝備的研制定型周期，因此，為加快型號(hào)研制速度，在較短時(shí)間內(nèi)驗(yàn)證裝備艦載值班壽命和可靠性；在設(shè)計(jì)驗(yàn)證初期暴露產(chǎn)品的貯存薄弱環(huán)節(jié)，并采取相應(yīng)的糾正措施，提高產(chǎn)品戰(zhàn)斗值班可靠性等需求下，開展海軍裝備艦載值班壽命加速驗(yàn)證試驗(yàn)方法研究，制定了艦載值班壽命加速驗(yàn)證試驗(yàn)方法。

1 艦載值班環(huán)境影響分析

艦載值班環(huán)境是指裝備在艦載發(fā)射裝置內(nèi)戰(zhàn)斗執(zhí)勤狀態(tài)下所處的環(huán)境，我國艦載裝備安放位置方式多種多樣，有艦面安裝方式，甲板內(nèi)安裝等。與庫房貯存環(huán)境相比，艦載戰(zhàn)斗值班環(huán)境更加惡劣、復(fù)雜，主要包括高溫、高濕、高鹽、日照、霉菌、油霧、振動(dòng)、沖擊、強(qiáng)電磁輻射等各種惡劣環(huán)境條件，對(duì)艦載武器的壽命和可靠性提出了非?？量痰囊骩1]。艦載值班過程中受到的環(huán)境應(yīng)力條件具有多樣性，復(fù)合性以及長期性。戰(zhàn)斗值班時(shí)，海洋環(huán)境中的高溫、高濕、高鹽、溫度交變、太陽輻射、霉菌、油霧等綜合作用會(huì)加速發(fā)射箱中（太陽輻射、油霧等對(duì)發(fā)射箱內(nèi)產(chǎn)品基本無影響，影響的是太陽輻射導(dǎo)致的高溫）材料的腐蝕和老化，降低貯運(yùn)發(fā)射箱的性能，從而進(jìn)一步影響箱內(nèi)裝備的壽命；在艦艇駐泊、巡航、訓(xùn)練過程中的艦載運(yùn)輸、機(jī)動(dòng)、艦炮射擊和不同海情下，會(huì)產(chǎn)生長時(shí)間的低頻振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊和顛震等機(jī)械應(yīng)力，在長期振動(dòng)、沖擊應(yīng)力作用下，箱彈結(jié)構(gòu)、彈內(nèi)產(chǎn)品都可能會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷；受海面氣溫及太陽輻射的影響，發(fā)射箱內(nèi)的溫度有時(shí)會(huì)比岸上庫房貯存時(shí)要高，并且存在短時(shí)的高溫悶熱期，在長期戰(zhàn)斗值班過程中，加速材料、器件的老化，從而影響裝備壽命。因此，艦載裝備在戰(zhàn)斗值班期間，承受的是綜合應(yīng)力，為考核和驗(yàn)證艦載值班貯存性能，需要開展綜合應(yīng)力下的壽命試驗(yàn)，為保證試驗(yàn)考核的充分性，結(jié)合目前國內(nèi)各試驗(yàn)室的綜合應(yīng)力試驗(yàn)?zāi)芰?，?yīng)盡可能考慮溫度、濕度、鹽霧、太陽輻射、振動(dòng)、沖擊等綜合應(yīng)力條件。

2 艦載值班環(huán)境載荷譜制定

在長期艦載戰(zhàn)斗值班過程中，艦面裝備要承受嚴(yán)酷的溫度、濕度、日照、振動(dòng)、鹽霧等應(yīng)力，目前還沒有明確的長期戰(zhàn)斗值班環(huán)境條件，研制總要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中也只給出了在設(shè)備承受風(fēng)險(xiǎn)率下的極值條件，而各載荷作用時(shí)間均沒有規(guī)定敏感應(yīng)力形式的類別。這就導(dǎo)致設(shè)計(jì)壽命試驗(yàn)時(shí)無基礎(chǔ)條件作為依據(jù)，若使用極端環(huán)境，則存在過應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要制定戰(zhàn)斗值班壽命期環(huán)境載荷譜。

2.1 氣候環(huán)境載荷譜

制定環(huán)境載荷譜首先要基于實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，但由于目前我國基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不足，并沒有充足的實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)參考，故本文基于國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)資料內(nèi)容研究制定艦載戰(zhàn)斗值班氣候環(huán)境載荷譜?！禛JB1060.2-1991艦船環(huán)境條件要求—?dú)夂颦h(huán)境》中規(guī)定了艦船露天部位設(shè)備高溫、低溫、高溫高濕、太陽輻射、淋雨等環(huán)境條件載荷譜，給出了設(shè)備工作風(fēng)險(xiǎn)率和承受風(fēng)險(xiǎn)率下的環(huán)境條件量級(jí)[2]。英國國防標(biāo)準(zhǔn)DEF STAN00-35《國防環(huán)境裝備手冊(cè)》給出了代表全球海洋氣候條件的三種氣候類型分別為海上高溫M1、海上中溫M2、海上寒冷M3[3]。文獻(xiàn)[4]介紹了代表我國南海、東海和北海的三個(gè)試驗(yàn)站的氣候環(huán)境條件；文獻(xiàn)[5]介紹了西沙群島海域長期的溫度、濕度信息。

同時(shí)，根據(jù)某次巡航任務(wù)，對(duì)艦載傾斜式發(fā)射箱內(nèi)部空氣及彈上溫度進(jìn)行了測(cè)試，本次任務(wù)在黃海、東海范圍內(nèi)連續(xù)航行30d，獲得紀(jì)錄曲線[6]。通過溫度紀(jì)錄和相似產(chǎn)品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析結(jié)果表明發(fā)射箱（筒）有效防護(hù)了海上的高濕度，在艦面安裝的傾斜式發(fā)射箱內(nèi)部裝備主要承受溫度交變應(yīng)力。根據(jù)以上分析，某型裝備在南海海域主要承受恒定高溫應(yīng)力，在東海海域溫度應(yīng)力主要以交變形式作用，在北海及更高緯度海域，則應(yīng)考慮低溫應(yīng)力。結(jié)合實(shí)際艦艇任務(wù)剖面，最終制定的艦載值班氣候環(huán)境載荷譜見圖1。

2.2 力學(xué)環(huán)境載荷譜

對(duì)于艦載武器系統(tǒng)，在戰(zhàn)斗值班過程中要承受振動(dòng)和沖擊應(yīng)力，這主要由艦艇的等速和機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)、艦炮射擊和海情引起的。船的振動(dòng)主要包括主機(jī)正常推進(jìn)的振動(dòng)影響、波浪碰擊、甲板上浪等重復(fù)性低強(qiáng)度的顛震沖擊影響；艦炮射擊包括自身武器射擊、敵方武器命中等情況的瞬時(shí)沖擊影響；在不同海情下，艦船受到的振動(dòng)應(yīng)力量級(jí)也不同。

圖1 典型艦載戰(zhàn)斗值班氣候環(huán)境載荷譜

此外，由于艦艇長時(shí)間航行，低頻振動(dòng)對(duì)武器系統(tǒng)的影響也很大，應(yīng)引起注意；根據(jù)國外反艦武器艦上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在振動(dòng)激勵(lì)過程中，從發(fā)射架支腳經(jīng)發(fā)射架傳遞到發(fā)射箱結(jié)構(gòu)，最終傳遞到導(dǎo)彈裝備各組成部分的過程中振動(dòng)幅度會(huì)被不斷放大。對(duì)于含有減振器的產(chǎn)品而言，大多數(shù)減振器一階諧振頻率在200Hz以內(nèi)，這在艦艇運(yùn)輸過程中會(huì)產(chǎn)生一階共振峰，在長期艦載運(yùn)輸過程中會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的疲勞累積損傷。

本文結(jié)合軍用標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)艦載裝備戰(zhàn)斗值班振動(dòng)條件進(jìn)行研究。比較分析GJB150A.16和GJB899A中的艦船運(yùn)輸?shù)脑囼?yàn)條件。同時(shí)收集了多次艦艇在執(zhí)行任務(wù)階段、不同海況下的艦上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析包絡(luò)，制定得到不同海況下的艦載機(jī)動(dòng)運(yùn)輸條件[7-8]。通過分析和工程實(shí)踐，在艦艇巡航狀態(tài)下，產(chǎn)品的振動(dòng)響應(yīng)量級(jí)比GJB150A.16和GJB899A中的艦船運(yùn)輸量級(jí)要小，在艦艇高速航行、機(jī)動(dòng)、倒車情況下振動(dòng)作用較明顯；在艦炮連續(xù)射擊情況下，會(huì)對(duì)產(chǎn)品形成局部的瞬態(tài)沖擊，該沖擊響應(yīng)隨位置和結(jié)構(gòu)傳遞影響而不同，但響應(yīng)量級(jí)比巡航狀態(tài)下要大，不可忽略；在巡航狀態(tài)下，高海情的振動(dòng)環(huán)境會(huì)更加嚴(yán)酷，應(yīng)充分重視；對(duì)于大型產(chǎn)品而言，其不同位置響應(yīng)差別較大，應(yīng)考慮基于不同位置制定多種試驗(yàn)條件。工程實(shí)踐表明，對(duì)于箱（筒）彈系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)耦合的作用，不同的設(shè)計(jì)均會(huì)對(duì)內(nèi)部產(chǎn)品產(chǎn)生振動(dòng)放大，在進(jìn)行箱（筒）彈系統(tǒng)壽命試驗(yàn)時(shí)，建議對(duì)GJB150A.16和GJB899A中的艦船振動(dòng)條件慎重應(yīng)用，應(yīng)優(yōu)先基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)制定振動(dòng)條件[9-10]。

3 艦載值班壽命加速驗(yàn)證試驗(yàn)研究

為了真實(shí)考核和驗(yàn)證艦載裝備戰(zhàn)斗值班壽命，本文設(shè)計(jì)并開展了基于箱（筒）彈級(jí)別的戰(zhàn)斗值班加速試驗(yàn)，以箱（筒）彈整體為研究對(duì)象，以電氣系統(tǒng)為主要考核對(duì)象，戰(zhàn)斗部、發(fā)動(dòng)機(jī)等火工品采用工藝件代替，模擬結(jié)構(gòu)和質(zhì)量特性。這是因?yàn)橐匀到y(tǒng)形式進(jìn)行戰(zhàn)斗值班加速試驗(yàn)，單機(jī)之間的聯(lián)結(jié)和匹配更加符合實(shí)際情況，試驗(yàn)不僅能夠考核系統(tǒng)各單機(jī)的性能，也能覆蓋單機(jī)聯(lián)結(jié)成系統(tǒng)后的綜合性能。在發(fā)射箱內(nèi)存放時(shí)，存在箱（筒）、彈結(jié)構(gòu)耦合的情況，在振動(dòng)和沖擊作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及組件存在一定程度的響應(yīng)放大情況，只有用箱（筒）彈形式，才能真實(shí)模擬這種邊界條件。

3.1 艦載值班敏感應(yīng)力分析

在艦載值班中，環(huán)境條件較惡劣，主要有高溫、低溫、潮濕、鹽霧、太陽輻射、振動(dòng)和沖擊等環(huán)境應(yīng)力，溫度、濕度應(yīng)力長期存在于發(fā)射箱四周環(huán)境中，由于發(fā)射箱可以有效防止鹽霧、濕度的影響，內(nèi)部裝備主要承受溫度應(yīng)力，同時(shí)太陽輻射的影響直接作用于發(fā)射箱表面，其光老化效應(yīng)由發(fā)射箱承受，太陽輻射引起發(fā)射箱內(nèi)進(jìn)一步的溫升，會(huì)對(duì)裝備產(chǎn)生影響。此外艦船上會(huì)受到長期艦上運(yùn)輸?shù)挠绊?，因此振?dòng)應(yīng)力不能忽略。綜合以上分析，本文的研究對(duì)象在艦載戰(zhàn)斗值班環(huán)境中的敏感應(yīng)力需要考慮溫度、振動(dòng)的綜合應(yīng)力環(huán)境。

圖3 GJB899A和GJB150A艦載振動(dòng)條件對(duì)比

3.2 高溫應(yīng)力加速模型

在我國南海及赤道海域氣候主要特性是長期高溫高濕，在發(fā)射箱內(nèi)部主要承受高溫作用。高溫會(huì)加速化學(xué)反應(yīng)速度，加速材料、器件性能的老化，在長期高溫作用下，電子元器件會(huì)出現(xiàn)性能退化，非金屬材料會(huì)發(fā)生化學(xué)老化，進(jìn)而影響產(chǎn)品的性能或壽命，對(duì)于電子元器件、橡膠減振器、密封圈等非金屬材料，一般采用Arrhenius模型作為溫度加速模型，其加速因子表征如下

式中為激活能，為波爾茲曼常數(shù)，0和分別為實(shí)際溫度和加速溫度。對(duì)于膠粘劑、復(fù)合材料、油脂類非金屬產(chǎn)品，可采用范德霍夫方程近似計(jì)算加速因子，如式（2）所示

式中0和分別為實(shí)際溫度和加速溫度，為反應(yīng)速度溫度系數(shù)，取值可參考范特霍夫經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：溫度每升高10℃，化學(xué)反應(yīng)速率增加2～4倍，即r+10/r=2～4。保守估計(jì)，取=2，表征溫度每升高10℃，壽命減少一半。

電氣系統(tǒng)所含的材料、器件，種類和數(shù)量繁多，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同類產(chǎn)品失效模式與機(jī)理不同，不同組成部分在相同條件下的加速因子并不相同。對(duì)于電氣系統(tǒng)而言，在分析得到各組成部分的加速因子后，選取最薄弱環(huán)節(jié)的加速因子作為電氣系統(tǒng)高溫加速試驗(yàn)的加速因子。

3.3 振動(dòng)應(yīng)力加速模型

振動(dòng)應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品的影響主要是導(dǎo)致耗損型故障。材料在循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)過若干次循環(huán)之后會(huì)發(fā)生斷裂。在不工作狀態(tài)下，振動(dòng)造成的系統(tǒng)損耗型故障模式主要體現(xiàn)為元器件引腳、導(dǎo)線斷裂；粘層、鍵合點(diǎn)脫開；焊盤松脫；機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞；機(jī)械磨損增加；部件連接斷開等。對(duì)于隨機(jī)振動(dòng)，MIL-STD-810G與GJB150A中的振動(dòng)疲勞等價(jià)折算公式的表達(dá)式是

式中，和分別是加速前和加速后的振動(dòng)功率譜密度，和分別是加速前和加速后的振動(dòng)時(shí)間，為加速模型參數(shù)，可以參考GJB150A.16的參考值，也可根據(jù)材料特性和工程經(jīng)驗(yàn)綜合給出。

由于溫度、振動(dòng)應(yīng)力存在一定的耦合關(guān)系，這種關(guān)系較為復(fù)雜，且耦合關(guān)系的理論模型尚不完善，故本文為便于工程試驗(yàn)開展，略去溫度、振動(dòng)應(yīng)力之間的耦合作用，針對(duì)溫度、振動(dòng)應(yīng)力分別進(jìn)行加速。

3.4 艦載值班加速試驗(yàn)剖面制定

艦載值班加速試驗(yàn)既要考慮長期高溫、高濕老化的影響，也要考慮值班過程中可能出現(xiàn)的低溫應(yīng)力，因太陽輻射和晝夜更替帶來的溫度循環(huán)應(yīng)力，以及值班過程中艦艇巡航、機(jī)動(dòng)、演習(xí)、作戰(zhàn)過程中的艦載振動(dòng)應(yīng)力，同時(shí)還要考慮產(chǎn)品的通電工作應(yīng)力。最終制定等效一個(gè)連續(xù)艦載戰(zhàn)斗值班周期的溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊和電應(yīng)力的綜合應(yīng)力加速試驗(yàn)方法。

對(duì)于長期在南?；驘釒ШＳ蛑蛋嗟难b備而言，在發(fā)射箱（筒）內(nèi)主要承受近似恒定的高溫應(yīng)力，高溫試驗(yàn)應(yīng)力不應(yīng)超過產(chǎn)品的最高承受溫度，依據(jù)高溫加速因子，根據(jù)圖1制定的溫濕度載荷譜，進(jìn)行高溫加速折算，得到等效于熱帶海域戰(zhàn)斗值班時(shí)間的高溫加速試驗(yàn)時(shí)間。低溫不加速，考慮一年中可能經(jīng)受的低溫貯存環(huán)境，進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性模擬考核。對(duì)于長期在中緯度海域值班的裝備而言，在發(fā)射箱（筒）內(nèi)有可能承受溫度交變應(yīng)力，每天晝夜變化算作1個(gè)日循環(huán)，對(duì)這種日循環(huán)進(jìn)行溫度循環(huán)應(yīng)力考核，若循環(huán)次數(shù)較多可采用加速的方法。

對(duì)于艦上值班時(shí)的振動(dòng)應(yīng)力，主要經(jīng)歷艦上運(yùn)輸隨機(jī)環(huán)境應(yīng)力，根據(jù)任務(wù)剖面規(guī)定的艦載運(yùn)輸時(shí)間，將其分配到加速試驗(yàn)剖面的各溫度段中，若試驗(yàn)時(shí)間過長則采取加速振動(dòng)應(yīng)力方式以縮短試驗(yàn)時(shí)間，在試驗(yàn)條件中應(yīng)適當(dāng)考慮由船艙主發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳等產(chǎn)生的周期性正弦振動(dòng)。

根據(jù)上述原則及加速試驗(yàn)方法，制定得到典型艦載值班加速試驗(yàn)剖面如圖4所示。

3.5 艦載值班壽命加速驗(yàn)證試驗(yàn)工程實(shí)踐

本文研究制定了基于加速試驗(yàn)的艦載值班壽命驗(yàn)證試驗(yàn)方法。針對(duì)海軍新研型號(hào)產(chǎn)品，采用本方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。首次實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品艦載值班壽命的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，積累了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在研制階段對(duì)產(chǎn)品壽命信息進(jìn)行了摸底。同時(shí)，在試驗(yàn)過程中均激發(fā)出了產(chǎn)品故障，相關(guān)故障模式在研制各階段尚未出現(xiàn)過，經(jīng)分析均為與壽命有關(guān)的失效機(jī)理。試驗(yàn)暴露了產(chǎn)品的貯存薄弱環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了依據(jù)，通過對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的改進(jìn)，相關(guān)部件通過了驗(yàn)證試驗(yàn)，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品壽命和可靠性的提高。

圖4 典型艦載值班加速試驗(yàn)剖面

圖5 艦載值班加速試驗(yàn)系統(tǒng)

4 結(jié)論與建議

戰(zhàn)斗值班壽命是艦載裝備重要的指標(biāo)之一，直接影響武器裝備的戰(zhàn)備完好性。本文分析了艦載戰(zhàn)斗值班環(huán)境應(yīng)力影響，制定了我國艦載裝備值班期的氣候和力學(xué)環(huán)境載荷譜，制定了艦載值班壽命加速試驗(yàn)剖面，建立了系統(tǒng)級(jí)戰(zhàn)斗值班壽命加速驗(yàn)證試驗(yàn)方法。為在研制早期對(duì)海軍新研型號(hào)產(chǎn)品戰(zhàn)斗值班壽命指標(biāo)的評(píng)定和驗(yàn)證提供了參考方法。本文的研究工作只是進(jìn)行了初步探索，建議今后在以下方面進(jìn)一步開展深入研究：1）開展艦載值班環(huán)境條件測(cè)量工作，對(duì)演習(xí)、實(shí)戰(zhàn)中的艦艇機(jī)動(dòng)、連續(xù)炮射、導(dǎo)彈發(fā)射等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的振動(dòng)、沖擊、局部高溫等環(huán)境進(jìn)一步關(guān)注。艦載值班環(huán)境是相當(dāng)復(fù)雜、惡劣的環(huán)境，我國還缺少遠(yuǎn)洋環(huán)境下的環(huán)境條件測(cè)量數(shù)據(jù)，通過開展艦上值班環(huán)境條件測(cè)量工作，建立完善的環(huán)境條件數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)室試驗(yàn)的輸入基礎(chǔ)。2）開展固體發(fā)動(dòng)機(jī)艦載值班壽命驗(yàn)證試驗(yàn)方法研究，在艦載值班期間，固體發(fā)動(dòng)機(jī)長期承受溫度，低頻振動(dòng)應(yīng)力，能否滿足長期戰(zhàn)斗值班要求還需要進(jìn)一步開展研究工作。

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Research on Accelerated Life Test Method of Shipboard Equipment on Duty

CHEN Jin-hu HU Yan-ping ZHOU Fang

（Beijing Institute of Structure and Environment Engineering , Beijing 100076, China）

This paper analyzes the influence of environmental stress on Shipboard equipment on duty, systematically summarizes the environmental stress conditions during the combat duty of Shipboard equipment in China, and puts forward the life profile of Shipboard duty. The accelerated verification test method of shipboard duty life of system level products is preliminarily established, which provides a reference method for the evaluation and verification of the product combat duty life index for the new navy missile.

Shipboard duty; life test; accelerated test

V416.5

A

1006-3919(2021)02-0059-05

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.02.009

2020-09-23；

2020-12-05

陳津虎（1986－），男，高級(jí)工程師，研究方向：環(huán)境、可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究；（100076）北京9200信箱72分箱.