舰载装备值班寿命加速试验方法研究

陈津虎 胡彦平 周芳

舰载装备值班寿命加速试验方法研究

陈津虎 胡彦平 周芳

（北京强度环境研究所，北京，100076）

本文分析了舰载值班环境应力影响，系统梳理了我国舰载装备战斗值班期间的环境应力条件，总结提出了舰载值班寿命剖面，初步建立了系统级产品舰载值班寿命加速验证试验方法，为海军新研型号产品战斗值班寿命指标的评定和验证提供了参考方法。

舰载值班；寿命试验；加速试验

0 引言

舰载装备是各类水面舰艇的重要组成部分之一，是形成水面舰艇作战和防御能力的核心力量，舰载武器性能的好坏直接影响舰艇的作战效能和执行作战任务的能力。我国海军新研型号首次提出了舰上战斗值班寿命的要求，一般为一年至数年。为验证如此长的战斗值班任务时间，采用传统试验方法要花费很长时间，消耗大量资源，这将严重影响装备的研制定型周期，因此，为加快型号研制速度，在较短时间内验证装备舰载值班寿命和可靠性；在设计验证初期暴露产品的贮存薄弱环节，并采取相应的纠正措施，提高产品战斗值班可靠性等需求下，开展海军装备舰载值班寿命加速验证试验方法研究，制定了舰载值班寿命加速验证试验方法。

1 舰载值班环境影响分析

舰载值班环境是指装备在舰载发射装置内战斗执勤状态下所处的环境，我国舰载装备安放位置方式多种多样，有舰面安装方式，甲板内安装等。与库房贮存环境相比，舰载战斗值班环境更加恶劣、复杂，主要包括高温、高湿、高盐、日照、霉菌、油雾、振动、冲击、强电磁辐射等各种恶劣环境条件，对舰载武器的寿命和可靠性提出了非常苛刻的要求[1]。舰载值班过程中受到的环境应力条件具有多样性，复合性以及长期性。战斗值班时，海洋环境中的高温、高湿、高盐、温度交变、太阳辐射、霉菌、油雾等综合作用会加速发射箱中（太阳辐射、油雾等对发射箱内产品基本无影响，影响的是太阳辐射导致的高温）材料的腐蚀和老化，降低贮运发射箱的性能，从而进一步影响箱内装备的寿命；在舰艇驻泊、巡航、训练过程中的舰载运输、机动、舰炮射击和不同海情下，会产生长时间的低频振动、随机振动、冲击和颠震等机械应力，在长期振动、冲击应力作用下，箱弹结构、弹内产品都可能会产生疲劳损伤；受海面气温及太阳辐射的影响，发射箱内的温度有时会比岸上库房贮存时要高，并且存在短时的高温闷热期，在长期战斗值班过程中，加速材料、器件的老化，从而影响装备寿命。因此，舰载装备在战斗值班期间，承受的是综合应力，为考核和验证舰载值班贮存性能，需要开展综合应力下的寿命试验，为保证试验考核的充分性，结合目前国内各试验室的综合应力试验能力，应尽可能考虑温度、湿度、盐雾、太阳辐射、振动、冲击等综合应力条件。

2 舰载值班环境载荷谱制定

在长期舰载战斗值班过程中，舰面装备要承受严酷的温度、湿度、日照、振动、盐雾等应力，目前还没有明确的长期战斗值班环境条件，研制总要求和相关标准中也只给出了在设备承受风险率下的极值条件，而各载荷作用时间均没有规定敏感应力形式的类别。这就导致设计寿命试验时无基础条件作为依据，若使用极端环境，则存在过应力的风险，因此需要制定战斗值班寿命期环境载荷谱。

2.1 气候环境载荷谱

制定环境载荷谱首先要基于实测环境数据，但由于目前我国基础数据的不足，并没有充足的实测环境数据参考，故本文基于国内外标准资料内容研究制定舰载战斗值班气候环境载荷谱。《GJB1060.2-1991舰船环境条件要求—气候环境》中规定了舰船露天部位设备高温、低温、高温高湿、太阳辐射、淋雨等环境条件载荷谱，给出了设备工作风险率和承受风险率下的环境条件量级[2]。英国国防标准DEF STAN00-35《国防环境装备手册》给出了代表全球海洋气候条件的三种气候类型分别为海上高温M1、海上中温M2、海上寒冷M3[3]。文献[4]介绍了代表我国南海、东海和北海的三个试验站的气候环境条件；文献[5]介绍了西沙群岛海域长期的温度、湿度信息。

同时，根据某次巡航任务，对舰载倾斜式发射箱内部空气及弹上温度进行了测试，本次任务在黄海、东海范围内连续航行30d，获得纪录曲线[6]。通过温度纪录和相似产品实测数据，分析结果表明发射箱（筒）有效防护了海上的高湿度，在舰面安装的倾斜式发射箱内部装备主要承受温度交变应力。根据以上分析，某型装备在南海海域主要承受恒定高温应力，在东海海域温度应力主要以交变形式作用，在北海及更高纬度海域，则应考虑低温应力。结合实际舰艇任务剖面，最终制定的舰载值班气候环境载荷谱见图1。

2.2 力学环境载荷谱

对于舰载武器系统，在战斗值班过程中要承受振动和冲击应力，这主要由舰艇的等速和机动运动、舰炮射击和海情引起的。船的振动主要包括主机正常推进的振动影响、波浪碰击、甲板上浪等重复性低强度的颠震冲击影响；舰炮射击包括自身武器射击、敌方武器命中等情况的瞬时冲击影响；在不同海情下，舰船受到的振动应力量级也不同。

图1 典型舰载战斗值班气候环境载荷谱

此外，由于舰艇长时间航行，低频振动对武器系统的影响也很大，应引起注意；根据国外反舰武器舰上实测数据的分析结果发现，在振动激励过程中，从发射架支脚经发射架传递到发射箱结构，最终传递到导弹装备各组成部分的过程中振动幅度会被不断放大。对于含有减振器的产品而言，大多数减振器一阶谐振频率在200Hz以内，这在舰艇运输过程中会产生一阶共振峰，在长期舰载运输过程中会导致结构产品的疲劳累积损伤。

本文结合军用标准和实测数据对舰载装备战斗值班振动条件进行研究。比较分析GJB150A.16和GJB899A中的舰船运输的试验条件。同时收集了多次舰艇在执行任务阶段、不同海况下的舰上实测数据进行分析包络，制定得到不同海况下的舰载机动运输条件[7-8]。通过分析和工程实践，在舰艇巡航状态下，产品的振动响应量级比GJB150A.16和GJB899A中的舰船运输量级要小，在舰艇高速航行、机动、倒车情况下振动作用较明显；在舰炮连续射击情况下，会对产品形成局部的瞬态冲击，该冲击响应随位置和结构传递影响而不同，但响应量级比巡航状态下要大，不可忽略；在巡航状态下，高海情的振动环境会更加严酷，应充分重视；对于大型产品而言，其不同位置响应差别较大，应考虑基于不同位置制定多种试验条件。工程实践表明，对于箱（筒）弹系统，由于结构耦合的作用，不同的设计均会对内部产品产生振动放大，在进行箱（筒）弹系统寿命试验时，建议对GJB150A.16和GJB899A中的舰船振动条件慎重应用，应优先基于实测数据制定振动条件[9-10]。

3 舰载值班寿命加速验证试验研究

为了真实考核和验证舰载装备战斗值班寿命，本文设计并开展了基于箱（筒）弹级别的战斗值班加速试验，以箱（筒）弹整体为研究对象，以电气系统为主要考核对象，战斗部、发动机等火工品采用工艺件代替，模拟结构和质量特性。这是因为以全系统形式进行战斗值班加速试验，单机之间的联结和匹配更加符合实际情况，试验不仅能够考核系统各单机的性能，也能覆盖单机联结成系统后的综合性能。在发射箱内存放时，存在箱（筒）、弹结构耦合的情况，在振动和冲击作用下，内部结构及组件存在一定程度的响应放大情况，只有用箱（筒）弹形式，才能真实模拟这种边界条件。

3.1 舰载值班敏感应力分析

在舰载值班中，环境条件较恶劣，主要有高温、低温、潮湿、盐雾、太阳辐射、振动和冲击等环境应力，温度、湿度应力长期存在于发射箱四周环境中，由于发射箱可以有效防止盐雾、湿度的影响，内部装备主要承受温度应力，同时太阳辐射的影响直接作用于发射箱表面，其光老化效应由发射箱承受，太阳辐射引起发射箱内进一步的温升，会对装备产生影响。此外舰船上会受到长期舰上运输的影响，因此振动应力不能忽略。综合以上分析，本文的研究对象在舰载战斗值班环境中的敏感应力需要考虑温度、振动的综合应力环境。

图3 GJB899A和GJB150A舰载振动条件对比

3.2 高温应力加速模型

在我国南海及赤道海域气候主要特性是长期高温高湿，在发射箱内部主要承受高温作用。高温会加速化学反应速度，加速材料、器件性能的老化，在长期高温作用下，电子元器件会出现性能退化，非金属材料会发生化学老化，进而影响产品的性能或寿命，对于电子元器件、橡胶减振器、密封圈等非金属材料，一般采用Arrhenius模型作为温度加速模型，其加速因子表征如下

式中为激活能，为波尔兹曼常数，0和分别为实际温度和加速温度。对于胶粘剂、复合材料、油脂类非金属产品，可采用范德霍夫方程近似计算加速因子，如式（2）所示

式中0和分别为实际温度和加速温度，为反应速度温度系数，取值可参考范特霍夫经验规则：温度每升高10℃，化学反应速率增加2～4倍，即r+10/r=2～4。保守估计，取=2，表征温度每升高10℃，寿命减少一半。

电气系统所含的材料、器件，种类和数量繁多，系统组成结构复杂，不同类产品失效模式与机理不同，不同组成部分在相同条件下的加速因子并不相同。对于电气系统而言，在分析得到各组成部分的加速因子后，选取最薄弱环节的加速因子作为电气系统高温加速试验的加速因子。

3.3 振动应力加速模型

振动应力对产品的影响主要是导致耗损型故障。材料在循环应力作用下，经过若干次循环之后会发生断裂。在不工作状态下，振动造成的系统损耗型故障模式主要体现为元器件引脚、导线断裂；粘层、键合点脱开；焊盘松脱；机械结构损坏；机械磨损增加；部件连接断开等。对于随机振动，MIL-STD-810G与GJB150A中的振动疲劳等价折算公式的表达式是

式中，和分别是加速前和加速后的振动功率谱密度，和分别是加速前和加速后的振动时间，为加速模型参数，可以参考GJB150A.16的参考值，也可根据材料特性和工程经验综合给出。

由于温度、振动应力存在一定的耦合关系，这种关系较为复杂，且耦合关系的理论模型尚不完善，故本文为便于工程试验开展，略去温度、振动应力之间的耦合作用，针对温度、振动应力分别进行加速。

3.4 舰载值班加速试验剖面制定

舰载值班加速试验既要考虑长期高温、高湿老化的影响，也要考虑值班过程中可能出现的低温应力，因太阳辐射和昼夜更替带来的温度循环应力，以及值班过程中舰艇巡航、机动、演习、作战过程中的舰载振动应力，同时还要考虑产品的通电工作应力。最终制定等效一个连续舰载战斗值班周期的温度、湿度、振动、冲击和电应力的综合应力加速试验方法。

对于长期在南海或热带海域值班的装备而言，在发射箱（筒）内主要承受近似恒定的高温应力，高温试验应力不应超过产品的最高承受温度，依据高温加速因子，根据图1制定的温湿度载荷谱，进行高温加速折算，得到等效于热带海域战斗值班时间的高温加速试验时间。低温不加速，考虑一年中可能经受的低温贮存环境，进行环境适应性模拟考核。对于长期在中纬度海域值班的装备而言，在发射箱（筒）内有可能承受温度交变应力，每天昼夜变化算作1个日循环，对这种日循环进行温度循环应力考核，若循环次数较多可采用加速的方法。

对于舰上值班时的振动应力，主要经历舰上运输随机环境应力，根据任务剖面规定的舰载运输时间，将其分配到加速试验剖面的各温度段中，若试验时间过长则采取加速振动应力方式以缩短试验时间，在试验条件中应适当考虑由船舱主发动机、螺旋桨等产生的周期性正弦振动。

根据上述原则及加速试验方法，制定得到典型舰载值班加速试验剖面如图4所示。

3.5 舰载值班寿命加速验证试验工程实践

本文研究制定了基于加速试验的舰载值班寿命验证试验方法。针对海军新研型号产品，采用本方法进行试验验证，试验系统如图5所示。首次实现了系统级产品舰载值班寿命的实验室验证，积累了试验数据，在研制阶段对产品寿命信息进行了摸底。同时，在试验过程中均激发出了产品故障，相关故障模式在研制各阶段尚未出现过，经分析均为与寿命有关的失效机理。试验暴露了产品的贮存薄弱环节，为产品设计改进提供了依据，通过对薄弱环节的改进，相关部件通过了验证试验，切实实现了产品寿命和可靠性的提高。

图4 典型舰载值班加速试验剖面

图5 舰载值班加速试验系统

4 结论与建议

战斗值班寿命是舰载装备重要的指标之一，直接影响武器装备的战备完好性。本文分析了舰载战斗值班环境应力影响，制定了我国舰载装备值班期的气候和力学环境载荷谱，制定了舰载值班寿命加速试验剖面，建立了系统级战斗值班寿命加速验证试验方法。为在研制早期对海军新研型号产品战斗值班寿命指标的评定和验证提供了参考方法。本文的研究工作只是进行了初步探索，建议今后在以下方面进一步开展深入研究：1）开展舰载值班环境条件测量工作，对演习、实战中的舰艇机动、连续炮射、导弹发射等环节产生的振动、冲击、局部高温等环境进一步关注。舰载值班环境是相当复杂、恶劣的环境，我国还缺少远洋环境下的环境条件测量数据，通过开展舰上值班环境条件测量工作，建立完善的环境条件数据作为试验室试验的输入基础。2）开展固体发动机舰载值班寿命验证试验方法研究，在舰载值班期间，固体发动机长期承受温度，低频振动应力，能否满足长期战斗值班要求还需要进一步开展研究工作。

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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

陈津虎（1986－），男，高级工程师，研究方向：环境、可靠性试验设计与研究；（100076）北京9200信箱72分箱.