基于失效機理的UUV結(jié)構(gòu)貯存壽命評價

王小康

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

無人潛航器（UUV）作為在水下無人駕駛、自動控制和執(zhí)行任務(wù)的水下航行器，具有無人、小型化、隱身性好、多功能和多用途等一系列優(yōu)點，可以代替人類進行深海探測、搜救、情報監(jiān)視、偵察等任務(wù)，在軍事和民用領(lǐng)域均具有良好的應(yīng)用前景[1-3]。

無人潛航器結(jié)構(gòu)是潛航器各種設(shè)備和設(shè)施的安裝載體，是無人潛航器執(zhí)行各種任務(wù)的前提與基礎(chǔ)。若結(jié)構(gòu)不能滿足壽命期內(nèi)承壓、水密的要求，會造成重大經(jīng)濟損失，導(dǎo)致任務(wù)延誤或失敗，甚至重大的安全事故。同時，由于無人潛航器全壽命周期中各類電子設(shè)備均可以更換，一條無人潛航器的壽命主要取決于結(jié)構(gòu)壽命，因此無人潛航器結(jié)構(gòu)的壽命評價對無人潛航器的壽命評定起著決定性的作用[4-6]。

使用方和研制單位均迫切希望盡快評估無人潛航器壽命，便于在研制階段評估無人潛航器結(jié)構(gòu)是否滿足貯存壽命要求，提高裝備可靠性和保障性，制定維修保養(yǎng)、定期更換易損件等預(yù)防性維修措施及產(chǎn)品報廢方案。本文以某型無人潛航器為例，分析貯存壽命失效機理并設(shè)計加速壽命試驗，評估無人潛航器結(jié)構(gòu)貯存壽命。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鋁合金由于強度接近高合金鋼，具有良好的耐腐蝕性和可加工焊接性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域，由于其優(yōu)良的綜合性能成為飛機蒙皮和框架、航天器主結(jié)構(gòu)、無人潛航器耐壓結(jié)構(gòu)的首選材料[7-8]。

國內(nèi)外學(xué)者針對采用鋁合金材料的裝備進行了結(jié)構(gòu)服役壽命研究和大量腐蝕疲勞試驗，在飛機和航天器鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞機理、腐蝕疲勞影響因素及疲勞壽命變化等方面做了大量工作。早在20世紀20年代即開始大量鋁合金大氣環(huán)境腐蝕試驗，美國Alcoa Laboratories在1928年進行了約2.5萬件鋁合金加工件和鑄造件的自然環(huán)境腐蝕試驗[9]，美國材料實驗協(xié)會B-3、B-7委員會分別進行了長達20年和30年的大氣環(huán)境鋁合金材料腐蝕試驗和研究，獲得了大量鋁合金材料大氣環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)。法國鋁制造商Pechiney公司1941年在6個典型歐洲環(huán)境地區(qū)開展了30年鋁及鋁合金的自然環(huán)境腐蝕試驗。我國針對飛機結(jié)構(gòu)采用的9種典型鋁合金材料在7個自然環(huán)境腐蝕掛片試驗。文獻[10]對飛機結(jié)構(gòu)常用的LY12-CZ鋁合金在我國海南萬寧開展自然暴露試驗，文獻[10]-[11]研究了飛機鋁合金結(jié)構(gòu)在服役環(huán)境下的壽命變化規(guī)律。

海洋裝備方面，文獻[12]-[13]采用腐蝕時變模型對鋼質(zhì)海船、鋁合金三體船進行了壽命評估。孫玉武[14]等對潛艇耐壓殼體的低周疲勞問題進行了分析和研究，并應(yīng)用貝葉斯方法對潛艇耐壓殼體疲勞熱點的剩余疲勞壽命進行估算，給出了一種在信息量不足的情況下進行統(tǒng)計推斷的新途徑，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)方法的缺陷。張富剛[15]等考慮裂紋尺寸變異性，運用裂紋擴展隨機模型，估算了潛艇耐壓殼體在不同循環(huán)次數(shù)下疲勞熱點的疲勞壽命，同時使用建立極限狀態(tài)方程的一階二次矩法估算疲勞壽命，對兩者進行了比較和分析。黃小平[16]等給出了對壓應(yīng)力進行修正的應(yīng)力強度因子計算式，考慮焊趾處應(yīng)力集中以及焊接殘余應(yīng)力等影響，在此基礎(chǔ)上提出了一套受壓彎應(yīng)力焊接結(jié)構(gòu)焊趾裂紋疲勞壽命計算方法。對初始表面裂紋形狀和大小對疲勞壽命的影響進行了系列計算。計算結(jié)果表明，本方法預(yù)估出的疲勞壽命與實驗結(jié)果在數(shù)量級上是吻合的，但在推向?qū)嵱弥斑€需要做更多的實驗驗證。文獻[17]探討了譜載荷作用下潛艇用鋼的疲勞擴展特性及焊縫的初始裂紋尺寸，在此基礎(chǔ)上提出了考慮壓應(yīng)力、焊縫應(yīng)力集中、焊接殘余應(yīng)力等影響因素的潛艇結(jié)構(gòu)疲勞壽命計算方法[7]。

姚鋆凡[18]以極限下潛深度 600 m的潛艇為研究對象，鑒于對潛艇歷史下潛數(shù)據(jù)的收集較為困難，通過擬合Alvin載人潛水器的下潛數(shù)據(jù)，建立潛艇下潛深度分布的概率模型，獲得其疲勞載荷譜，并將有限元分析結(jié)果與理論計算結(jié)果對比。對比結(jié)果表明：耐壓殼體疲勞載荷譜方法下的數(shù)值模擬壽命比極限載荷方法下的數(shù)值模擬壽命更加精準。在此基礎(chǔ)上，對耐壓殼體的疲勞可靠性進行研究，提出疲勞與穩(wěn)定性共失效模式下的可靠性研究方法。

綜上所述，航空航天和水面艦船針對鋁合金等材料進行了大量自然環(huán)境下腐蝕壽命研究，但由于無人潛航器貯存環(huán)境不同于上述自然和海洋環(huán)境，無人潛航器鋁合金貯存環(huán)境下的壽命評估研究和試驗較少。目前關(guān)于無人潛航器外殼殼體的壽命評估均采用模型仿真等方法，通過疲勞壽命確定殼體的壽命。但在實際工程研究中，無人潛航器殼體失效通常是因為腐蝕引起的。因此，本文主要根據(jù)殼體失效模式及“腐蝕”的失效機理進行無人潛航器殼體貯存壽命研究。

2 無人潛航器耐壓結(jié)構(gòu)失效機理分析

無人潛航器耐壓結(jié)構(gòu)貯存期間失效機理主要為腐蝕原因，由于殼體一般為進行“三防”涂覆工藝的金屬結(jié)構(gòu)，如鋁合金、不銹鋼、鈦合金等，絕大多數(shù)金屬腐蝕是由電化學(xué)反應(yīng)引起的，化學(xué)反應(yīng)式為

影響海洋大氣腐蝕的因素主要包括：鹽霧、溫度、濕度等。

鹽霧是海洋大氣環(huán)境中最主要的腐蝕因素，在金屬表面產(chǎn)生吸濕潮解作用，使金屬表面液膜的電導(dǎo)增大。另外，氯離子本身具有很強的侵蝕性，因而加速金屬腐蝕。

受海風及溫度的影響，海洋大氣相對濕度較高?？諝庀鄬穸扔螅諝庵械乃Y(jié)愈多，愈易在金屬表面凝結(jié)形成較厚的液膜，溶解更多的氧和其他腐蝕性物質(zhì)，從而加速金屬腐蝕。潮濕環(huán)境會使非金屬材料和涂層系統(tǒng)體積膨脹、組織疏松、強度降低，甚至起泡、破裂和老化，同時引起金屬材料的氧化、腐蝕[19]。

無人潛航器貯存在海岸附近，在大氣中一定水含量條件下，鹽霧（NaCl）這一強電介質(zhì)，可以加快金屬的電化腐蝕。因此，可以考慮采用NaCl溶液加速電化腐蝕過程，設(shè)計加速壽命試驗。

3 貯存壽命評價方法

無人潛航器在實際工程研究中，會在工程研制機階段進行一定年限的貯存或使用，但實際貯存或使用年限一般遠短于壽命要求年限。因此，需要補充試驗貯存數(shù)據(jù)，為縮短時間，通常采用加速試驗的方式進行。

耐壓結(jié)構(gòu)貯存主要為庫房存貯環(huán)境，一般采用充氮密封包裝，根據(jù)GJB78A要求庫房存儲環(huán)境溫度為 5～20 ℃、相對濕度 55%～65%，故其貯存環(huán)境較為溫和，環(huán)境應(yīng)力主要為溫度和濕度應(yīng)力，該環(huán)境條件對產(chǎn)品的影響主要是腐蝕效應(yīng)。

3.1 加速試驗方法

加速試驗?zāi)M一般從4個方面考慮：1）腐蝕過程電化學(xué)特性和機理一致；2）腐蝕二次過程及組滯特性一致；3）試樣表面循環(huán)過程特點一致；4）腐蝕動力學(xué)規(guī)律一致[20-22]。

通過海洋大氣腐蝕環(huán)境因素分析，采用 NaCl溶液浸潤試驗樣機構(gòu)成的循環(huán)加速試驗環(huán)境譜，可以模擬溫度以及海洋環(huán)境中氯離子的影響。試驗方法如下：

1）編制貯存環(huán)境譜，選定加速試驗環(huán)境譜。

2）將每年貯存環(huán)境的作用折算為 40 ℃、相對濕度90%的標準潮濕空氣作用時間t1，即潮濕空氣環(huán)境的壽命相對于標準潮濕空氣的折算系數(shù)與對應(yīng)溫濕度譜的乘積之和。

工程上通常是測定不同溫度、濕度下典型金屬材料腐蝕電流來建立不同組合對應(yīng)的當量折算系數(shù)，對應(yīng)折算系數(shù)α1，如表1所示。

表1 潮濕空氣相對于標準潮濕空氣的折算系數(shù)Table 1 Conversion coefficient of humid air relative to standard humid air

國內(nèi)某研究所在統(tǒng)計沿海某試驗站近10年環(huán)境數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，編制了典型沿海／海洋環(huán)境區(qū)的雨、霧、濕度累積譜（低于20 ℃的雨、霧、濕度作用時間均按20 ℃考慮）及大氣環(huán)境譜，見表2[16]。

表2 沿海某試驗站雨、霧和溫度積累譜Table 2 Rain，fog and temperature accumulation spectrum of a coastal test station

3）將每年（或每小時）加速試驗環(huán)境譜的作用折算為溫度40 ℃、相對濕度90%的標準潮濕空氣作用時間 t2。加速試驗環(huán)境譜折算時應(yīng)考慮溫度、濕度、鹽濃度和酸濃度等因素，根據(jù)不同濃度鹽溶液試驗條件，通過表3讀取或計算折算系數(shù)（當濃度不能直接對應(yīng)時，通過插值法進行計算），則NaCl溶液濃度作用1 h相當于標準潮濕空氣下的作用時間t2為1/折算系數(shù)。

不同濃度的鹽、酸溶液與水介質(zhì)下的腐蝕電流對應(yīng)當量折算系數(shù)見表3。

表3 不同濃度NaCl濃度與水介質(zhì)的折算系數(shù)Table 3 Conversion coefficients of different concentrations of NaCl and water medium

4）t1/t2為當量加速關(guān)系β，即加速試驗環(huán)境譜作用β a（或h），相當于實際環(huán)境中使用1 a。

3.2 試驗后功能性能檢測

由于無人潛航器耐壓結(jié)構(gòu)最關(guān)注在規(guī)定潛航深度下的密封性是否完好，因此在等效貯存時間達到壽命要求年限后，對耐壓結(jié)構(gòu)進行規(guī)定水壓條件的水密試驗檢測。若符合要求，則可判決其貯存壽命達到要求。

4 某無人潛航器耐壓結(jié)構(gòu)貯存壽命評估應(yīng)用

4.1 受試品情況及數(shù)據(jù)

受試品的存儲庫房環(huán)境溫度為 5～20 ℃、相對濕度 55%～65%，貯存期間產(chǎn)品處于非通電工作狀態(tài)。

受試品耐壓結(jié)構(gòu)材料為鋁合金5A06。

已在工房自然環(huán)境擱置約9 a，要求貯存壽命≥20 a。

4.2 試驗方法

采集相同材料相似耐壓結(jié)構(gòu)工房自然擱置數(shù)據(jù)，并選取擱置后的典型材料耐壓結(jié)構(gòu)補充進行高鹽高濕加速貯存試驗：

1）采集的相同材料相似耐壓結(jié)構(gòu)工房自然擱置時間約8.67 a，按環(huán)境因子折合系數(shù)（根據(jù)工房自然擱置環(huán)境條件與貯存條件，根據(jù)3.1節(jié)表1的折算系數(shù)進行計算，得到折算系數(shù)為1.77）折算為貯存環(huán)境時間，為8.67×1.77=15.3 a；

2）采用工房自然擱置后的典型耐壓結(jié)構(gòu)樣件，在溫度為40 ℃、5%濃度的NaCl溶液中進行浸泡，補充加速貯存試驗。

4.3 加速貯存試驗方案設(shè)計

1）貯存環(huán)境條件為溫度 5～20 ℃、相對濕度55%～65%。

2）將每年的貯存環(huán)境譜的作用折算為40 ℃、相對濕度90%的標準潮濕空氣作用時間t1：

3）由于加速腐蝕環(huán)境譜周期浸潤試驗的溫度是40 ℃，因此加速腐蝕環(huán)境譜與標準潮濕空氣的當量折算中，只考慮環(huán)境對水介質(zhì)的折算。NaCl溶液濃度（5%）相對標準潮濕空氣的折算系數(shù)。

即NaCl溶液濃度（5%）作用1 h相當于標準潮濕空氣下的作用時間為

4）由以上海洋大氣環(huán)境譜和加速腐蝕環(huán)境譜的當量折算、當量加速關(guān)系為

即對于鋁合金耐壓結(jié)構(gòu)，在溫度為40 ℃、5%濃度NaCl溶液中浸潤152.96等效為貯存1 a。

5）補充加速貯存試驗時間：

4.4 試驗評估結(jié)論

結(jié)合采信的耐壓結(jié)構(gòu)工房自然環(huán)境擱置時間和高鹽高濕加速貯存補充試驗時間，等效貯存時間為15.3+5=20.3 a，大于20 a，且水密檢查符合要求，可認為耐壓結(jié)構(gòu)貯存壽命滿足不低于20 a的要求。

5 結(jié)束語

本文分析了無人潛航器的貯存環(huán)境特點和失效機理，建立了無人潛航器耐壓結(jié)構(gòu)腐蝕加速因子計算方法、加速試驗方法和貯存壽命評價方法，同時結(jié)合某型無人潛航器案例分析，具體介紹了該產(chǎn)品耐壓結(jié)構(gòu)的組成壽命評價過程。

針對無人潛航器試驗樣本少、成本高的問題，創(chuàng)新性地提出了無人潛航器結(jié)構(gòu)腐蝕與貯存壽命加速試驗方法，同時納入產(chǎn)品實際工程中已有的使用和貯存數(shù)據(jù)，充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，大大減少了結(jié)構(gòu)壽命試驗時間和研制經(jīng)費，也便于試驗組織和實施。相較于其他水下平臺利用仿真計算低周疲勞失效的方法評價耐壓結(jié)構(gòu)壽命，考慮因素更合理，更切合實際貯存情況。通過無人潛航器貯存壽命評價項目的實踐表明，該貯存壽命評價方法準確度和可信度更高、工程實踐效果優(yōu)良。