装备典型舰载平台振动环境严酷度分析

蔡健平，张萌，赵婉

（中国航天标准化研究所，北京 100071）

在满足我军实战化要求和建设海洋强国的背景下，当前各种舰载武器装备正在从过去经常近海待命和库房贮存的状态转变为长期在海上待机、值班和备战的状态，由于海风、海浪以及发动机等导致的舰船平台诱发力学（如振动、冲击、摇摆）环境对武器装备产生作用，从而对武器装备振动环境敏感的薄弱环节的有很大的影响[1—3]。例如仿真结果表明[2—3]：由于舰载诱发的力学环境长期作用下导致的累积损伤，使固体发动机粘接面在海上战备1年的寿命比仓库贮存至少降低8.62%，而导弹的舰载贮存寿命只相当于库房寿命的15%。另外试验和分析也表明[4—5]：振动或者热导致的疲劳对发动机药柱和推进剂会造成累积损伤，影响其寿命；另外振动环境也会影响电子产品其可靠性，从而影响装备的使用[7]。为了评价舰载装备例如发动机的贮存寿命，需要通过实验模拟舰载振动环境的作用[7]，或者以实际的振动环境为依据设计振动耐久性试验[8]。这就需要正确识别舰载环境条件，文中实测了装备舰载典型测点的振动环境，并对其环境严酷度进行了评估，从而为相关武器装备贮存试验和寿命评估提供依据。

1 实验和研究方法

1.1 典型舰载平台选取

考虑到实测和搜集数据的可行性以及便利性，要求选择常年在南海航行的补给船代表装备实测舰载平台。该舰共有4层甲板，包括主甲板、二甲板、艇甲板及驾驶和罗径甲板，发动机主机频率为750～720 r/min。该舰正常工作航速较为稳定，并主要在1～4级的海况下航行，因此该舰提供了一种长期的、典型的舰载平台环境，而非极端的力学环境。

1.2 舰载平台振动环境数据采集设备

采用定制的INV3062T2数据采集系统（如图1所示），配合ICP加速度传感器进行振动环境测量。数据采集分析系统具有下列技术指标：频率范围为0.5～8 kHz；量程为50g；安装谐振频率＞25 kHz；分辨率为0.002 m/s2。

图1 INV3062T2数据采集系统Fig.1 INV3062T2 data collecting system

1.3 舰载平台振动环境采集和分析方法

选取装备服役的典型部位如舱室进行振动环境采集，采用ICP加速度传感器同时采集船运动方向、船侧向和竖直方向的加速度数据，采集频率为12.8 kHz。考虑到时间和成本，经过初测后，选取振动环境较为恶劣的点进行测量，以便于进行严酷度评价。这些点每次测量持续10 min或10 min以上，共进行5次测量。获得振动数据后，先剔除异常值，再参照相关振动分析的方法和标准进行下列分析[9—11]。

1）振动数据的时域分析。对振动数据进行时域分析时，将测得的加速度数据按照时间进行绘制，就得到时域曲线，由于舰载振动环境基本上接近稳态，因此不需要进行特殊处理，直接观察时域曲线，就可以对数据的特性进行判断。

2）振动数据的频域分析。振动数据的频域分析采用快速傅立叶变换（FFT）进行分析。FFT的基本思想就是，将1个长序列依次分解为2个短序列来进行离散傅里叶变换（DFT）。这里采样频率为12.8 KHz，分析频率为6400 Hz，FFT点数取1024点，谱线条数512，采用Hanning窗，采用线性平均分析，分析主要通过DASP专业分析软件完成。

3）概率分析[12—13]。分析不同加速度值出现的概率密度和概率。对在某范围内的加速度，其概率密度为：

式中：P|d1-d2|为d1到d2范围内加速度出现的概率密度；k|d1-d2|为d1到d2范围内加速度出现的个数；K为总的加速度个数。

同理，小于某加速度的概率为：

式中：P|-∞-d|为小于d的加速度出现的概率密度；k|-∞-d|为小于d的加速度出现的个数；K为总的加速度个数。

进行概率分析时，读取所有的时域数据，在Matlab环境按照（1），（2）进行计算。

4）随机振动的加速度频谱密度（ASD）。其定义为：

式中：αr.m.s·Δf是Δf频率范围内加速度均方根值。

1.4 舰载环境严酷度评价方法

参照针对电子产品和机械产品的严酷度分级方法[14—15]，主要以GB/T 14091《机械产品环境参数分类及其严酷度分级》进行振动环境评级分类。对于随机振动可分成两类：I类——有显著的低频量，频率范围为10～2000 Hz；II类——有较平坦分布的振动能量，频率范围为20～2000 Hz。

随机振动的典型加速度频谱分类见表1。

表1 随机振动的典型频谱分类Table 1 Classification of typical frequency spectra of stochastic vibrations

2 结果和讨论

2.1 船向振动采集和分析结果

典型的船向上的振动时域曲线如图2所示，从45 ms的振动时域曲线可见，船向上的振动曲线是光滑过渡的，没有尖刺或者较大的突变，因此测得的时域曲线是可信的随机振动曲线。

经过FFT分析得到的船向振动频域曲线如图3所示，对该图中的频率峰进行进一步分析，得到表2。从图3和表2可见，船向振动的加速度主峰大约在50Hz左右，加速度峰值约为0.412 72 m/s2，而在562.5 Hz和1112.5 Hz下各出现一个频率峰，其加速度分别为0.152 34 m/s2和0.100 8 m/s2。

50 Hz的加速度主峰与交流电频率一致，但在非舰载条件下，测量系统本身未见这个量级的加速度信号，可排除该处信号完全由测量系统的电源干扰引起，可能与测点附近使用的交流电的工作装置如电机有关。562.5 Hz和1112.5 Hz的频率与船上的旋转装置如油水分离器、转轴等相关。

船向振动加速度概率统计结果如图4所示，从图4中可见，船向振动加速度接近正态分布，其数学期望或者均值为：

图2 船向振动时域曲线Fig.2 Time domain vibration curves in the ship direction

图3 船向振动频域曲线Fig.3 Frequency domain vibration curve in the ship direction

表2 船向振动频域分布Table 2 Frequency domain distribution in the ship direction

式中：xi为第i个加速度值；p（xi）为xi出现的概率。正态分布的方差为：

从公式（4），（5）计算得到船向振动加速度数学期望为 0.045 56 m/s2，方差为 0.267 57（m/s2）2。因此船向振动加速度是一个正态随机变量N（μ，σ2），其概率密度函数为：

为确定某x值的概率。可通过下列公式标准化为N（0，1）的标准正态分布后，查正态分布表即可：

图4 船向振动加速度概率统计Fig.4 Statistics of vibration acceleration in the ship direction

船向振动加速度谱密度如图5所示，船向振动加速度谱密度峰值情况见表3。可以看出，船向振动加速度谱密度峰值主要集中在50 Hz和562.5 Hz。其中50 Hz的振动加速度谱密度为4.53×10-3（m/s2）2/Hz，562.5 Hz的振动加速度谱密度为1.64×10-3（m/s2）2/Hz。

图5 船向振动加速度谱密度Fig.5 Spectral density of vibration acceleration in the ship direction

2.2 横向振动

采用2.1同样的分析方法对横向上的振动进行频域和加速度谱密度分析，得到的结果见表4、表5。从表4和表5可见，横向振动的加速度主峰在562.5 Hz，加速度峰值约为0.812 m/s2，而在横向主峰50 Hz处的加速度峰值较小，小于0.1 m/s2，1112.5 Hz频率处的加速度很小。这和船向振动的峰值也有不同，因此可以看出，在振动在船向和横向上有一定的择优性。另外在487.5 Hz到587.5 Hz区间还有其他小的频率峰出现，和船向的频率峰相比，这些频率峰的量值与船向的频率峰大致相当。

表3 船向振动加速度谱密度峰值情况Table 3 Acceleration spectral density peaks of vibration in the ship direction

表4 横向振动频域分布Table 4 Frequency domain distribution in the transverse direction

表5 横向振动加速度谱密度峰值情况Table 5 Acceleration spectral density peaks of vibration in the transverse direction

根据方程（4），（5）得到横向振动加速度，其概率密度函数为：

表5中，562.5Hz的振动加速度谱密度为17.59×10-3（m/s2）2/Hz，大约是船向数值的10倍。

2.3 垂直方向振动

采用2.1同样的分析方法对横向上的振动进行频域和加速度谱密度分析，得到的结果见表6、表7。从表6和表7可见，垂直振动的加速度主峰在562.5 Hz，其加速度峰值约为1.560 24 m/s2，而在625，550，275，125，50 Hz下各有小的频率峰，同横向和船向的相比，562.5 Hz主峰的加速度量值最大。垂直振动加速度谱密度峰值主要集中在562.5 Hz，其振动加速度谱密度为97.37×10-3（m/s2）2/Hz，这个数值是横向、船向数值中最大的。

表6 垂直方向振动频域分布Table 6 Frequency domain distribution in the vertical direction

表7 垂直振动加速度谱密度峰值情况Table 7 Acceleration spectral density peaks of vibration in the vertical direction

根据方程（4），（5）得到垂直振动加速度概率密度函数为：

2.4 振动环境严酷度评价

舱室振动环境的船向、横向和垂直向的加速度谱密度、频率分布均有较大差别，在垂直方向上主峰的加速度量值和加速度谱密度均大于船向、横向上的相关数值。在舱室振动环境的船向、横向和垂直向上小于200 Hz下，其加速度谱密度均小于1（m/s2）2/Hz，而 200 Hz以上的加速度谱密度均小于 0.3（m/s2）2·Hz。因此舱室在三个方向上典型振动环境属于I型。由于垂直方向上加速度量值和加速度谱密度较大，所以考虑舰载平台振动环境时，应把垂直方向作为考虑的重点。

3 结论

1）文中采用INV3062T2数据采集分析系统，配合ICP加速度传感器对舰载平台舱室的振动环境进行了测量。

2）舱室内测得的振动曲线是光滑过渡的，没有尖刺或者较大的突变，是可信的随机振动曲线。各方向上的振动加速度是一个正态随机变量，并得到了各个方向上振动加速度的概率密度函数。

3）船向振动的加速度主峰大约在50 Hz左右，加速度峰值约为0.412 72 m/s2，而在562.5 Hz和1112.5 Hz下各出现1个频率峰；横向振动的加速度主峰在562.5 Hz，加速度峰值约为0.812 m/s2；垂直振动的加速度主峰在562.5 Hz，其加速度峰值约为1.560 24 m/s2，而在625，550，275，125，50 Hz下各有小的频率峰。在垂直方向上的主峰的加速度量值和加速度谱密度均大于船向、横向上的相关数值。

4）舱室在三个方向上典型振动环境属于I型。由于垂直方向上加速度量值和加速度谱密度较大，所以考虑舰载平台振动环境时，应把垂直方向作为考虑的重点。

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