水下無人航行器記錄儀殼體設計*

王高泉　趙　軍　饒　喆　謝芝亮

(海軍工程大學兵器工程系　武漢　430033)

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水下無人航行器記錄儀殼體設計*

王高泉趙軍饒喆謝芝亮

(海軍工程大學兵器工程系武漢430033)

水下無人航行器記錄儀殼體結構設計通過對殼體安裝環境的分析，確定殼體的結構尺寸，選取殼體材料，參照潛水器殼體以及飛機記錄儀殼體的設計方法，利用有限元分析對殼體進行仿真驗證。研究結果表明：設計確定的水下無人航行器記錄儀殼體滿足設計要求，也為今后水下無人航行器殼體的設計提供依據。

水下無人航行器;記錄儀殼體;結構設計;模型仿真

Class NumberTM344

1　引言

隨著記錄技術的不斷發展，記錄儀的機制也在不斷的完善，從早期的老式的速跡儀記錄方式，逐漸發展到以磁帶等磁性介質為記錄介質，現在又采用了以芯片為記錄介質的記錄方式，各式記錄儀殼體的結構亦是形式多樣[1],未形成標準化、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沖擊載荷作用，另一方面殼體要方便其與載體的裝配和內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，如作戰深度、結構強度、抗沖擊幸存能力、外觀、材料加工的制作工藝的復雜性，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深度和結構負載的能力為首要的考慮因素，當然鑒于水下無人航行器的本身結構限制，安裝和操作的便利性、材料等因素也需綜合考慮[3]。

隨著現代技術的發展，魚雷也向著高航速、遠航程、大作戰深度、低輻射噪聲、遠程精確導航、遠距離探測及水聲對抗、高效毀傷等性能等特點發展。本文以航深500m水深，航速50節的魚雷為例設計通用化記錄儀殼體，以滿足作戰和裝備保障的需要。

2　殼體的結構設計

2.1殼體結構設計的主要考慮因素

在500m深度，50節航速的水下無人航行器的結構設計及生產加工制造過程中，需要考慮以下幾個方面：

1)記錄儀殼體材料的基本特性；

2)記錄儀殼體的幸存環境以及在環環境下的受力；

3)記錄儀殼體結構可能遭受到的損毀形式；

4)記錄儀殼體與航行器的聯結形式。

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，包括強度、穩定性和抗強沖擊載荷等方面。因此需要對設計好的殼體進行校驗[4]。

2.2記錄儀殼體的結構形狀分析

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如

(1)

對于空心圓截面的抗彎截面系數如下：

(2)

(3)

因此，在同等截面，同一材料的條件下空心圓結構抗彎截面系數和塑性抗彎截面系數遠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構。

2.2.2殼體形狀的確定

飛機“黑匣子”殼體從應用以來，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。

在強度分析中，球形耐壓殼應力計算如下[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，殼體結構存在穩定性的問題，也就是在這個深度時，殼體的結構往往是由其穩定性確定的。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件對圓柱殼體的支持作用明顯，殼體剛性較大，失穩時呈現兩個以上的波紋。這就對記錄儀的穩定性有了一定的保證[7～8]。

表1　球形與圓柱形優缺點

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，其雷體內空間較為狹小，記錄儀殼體生產加工制造過程中的安裝要求，同時包括外部的安裝要求和外形布置，及其與航行器的聯結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，擬采用無加強肋的圓柱形殼體,并在后面的給出校核檢驗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、應力腐蝕破裂、低周疲勞、蠕變、消除應力后材料的變脆性、脆裂、比強度、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度高、質量輕、耐腐蝕、建造與成型方便的優點，但其抗拉與抗沖擊弱，并且容易老化，對于可能發生碰撞的產生強沖擊的記錄儀殼體顯然是不適宜的。玻璃也具有很高的強度，但是脆性太大，而且殼體上的加工困難，不宜選做殼體材料。

以下為幾種超高強度材料的分析。為便于分析材料的性能，圖3為根據表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、可塑性良好以及優良的可鑄性等優點 ，但是鋁合金在應力的條件下腐蝕敏感，而且一旦發生應力破壞，即使是在很小能量的作用下材料也會迅速發生破壞，顯然對于深海高壓，海水腐蝕的環境下并不合適[5]。

圖3　殼體材料性能柱狀圖

鈦合金其擁有高強度、質量輕、耐化學腐蝕等特點，同時在其材料的表面較易與氧結合生成致密的鈍態氧化膜，這就會增強其結構的強度和穩定性。其缺點是機加工性能不太好，焊接要求比較高，經濟成本較高[5]。

從圖3中可以看出在同等強度的條件下，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濟性能和設計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，擬采用超高強度合金鋼作為殼體材料。

選擇牌號為18CrMnNiMoA，材料強度[σb]=1180Mpa,許用應力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的高強度合金鋼，由于防毀殼體不允許發生塑性變形，在模型中假設殼體在載荷作用下只發生線彈性范圍內的變形[1]。

4　殼體模型的建立

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

(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)，后來許多學者在他基礎上做一定的簡化，至今密塞斯臨界壓力公式還是經常被推薦使用，被認為是比較精確的計算臨界壓力公式[1]。

在英美一些資料中還經常推薦用溫登堡(D.F.Widen burg)式中去掉了周向波數，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，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，擬設計雷體的長度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構，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部空間的情況下，盡可能地設計較小的殼體直徑，初步設定記錄儀殼體的直徑為10cm，同時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，則初步設計擬定的記錄儀殼體模型為l=300mm,R=100mm,t=3mm的圓柱形殼體，將設計數據帶入強度和穩定性校核[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，內部的電子器件及防護組件沒有加入模型中，因為這些器件剛度較小，對計算過程中的剛矩陣貢獻可忽略。利用CATIA軟件進行1∶1完全實體建模分析，對防護殼體進行非線性四面體型有限元離散，節點數為77806，塊數為40745，如圖4所示[6～7]。

圖4　殼體有限元模型

5.2分析結果

5.2.1受海水靜壓力的殼體仿真

由圖5所示的仿真結果可知，殼體受到軸向和徑向的靜水壓力時，最大應力為152Mpa，發生在殼體頂端的邊沿處。小于材料的許可強度1180Mpa,最大形變0.22mm，發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，這表明防護殼體的應力和變形均在材料的線彈性范圍內,滿足殼體的耐壓要求。

5.2.2受強沖擊載荷的殼體仿真

根據測試標準設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節航速，撞擊事件6.5ms，計算防毀殼體在方向沖擊作用下的應力和形變響應，判斷計算的應力是否小于材料的許可強度σb，形變是否在彈性范圍內，以檢驗殼體是否能承受強沖擊考驗[8]。

圖5　受海水靜壓力記錄儀殼體應力云圖和形變云圖

圖6　水平方向上施加強沖擊時記錄儀殼體應力云圖和形變云圖

圖7　垂直方向上施加強沖擊時記錄儀殼體應力云圖和形變云圖

圖8　對角線方向上施加強沖擊時記錄儀殼體應力云圖和形變云圖

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

6　結語

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計提出完整的設計方案，實現記錄儀殼體的標準化和通用化設計。

本文利用有限元分析方法，可以對所選的殼體結構初步的應力分析和變形量分析，從而可以根據分析結果初步的判斷防毀殼體結構是否滿足設計殼體的防毀要求。由于建立防毀殼體數學模型過程中結合魚雷的實際情況進行了一定的假設，這就使得模型的情況可能與實際情況會有較大的差別，雖然對于殼體進行了應用計算，通過進行產品的仿真來驗證，提高結構了設計的效率，降低設計成本，但是最終的產品的結構形式還需要通過實際的試驗來驗證。

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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：武器系統運用于保障工程。趙軍，男，副教授，研究方向：魚雷總體技術。饒喆，男，博士研究生，研究方向：兵器制導與控制技術。謝芝亮，男，碩士研究生，研究方向：武器系統運用于保障工程。

TM344DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.035