CN109190279A - 一种温度振动加速耦合效应模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度振动加速耦合效应模型的构建方法，包括如下步骤：开始；获取舰载导弹服役载荷，建立环境载荷谱；根据舰载导弹失效信息获取其薄弱环节；根据舰载导弹设计信息获取其有限元仿真模型；利用服役载荷开展有限元仿真，获取薄弱环节的温度和振动环境；利用薄弱环节开展温度、振动、及温度‑振动试验获取应变响应数据；完成数据分析，建立温度‑振动耦合模型；结束。由此，本发明的温度振动加速耦合效应模型的构建方法借助仿真手段指导试验设计，通过试验获取温度‑振动载荷作用下产品的应变响应数据，开展数据分析，建立产品的温度振动加速耦合效应模型。

Description

一种温度振动加速耦合效应模型的构建方法

技术领域

本发明涉及舰载导弹的加速贮存试验技术领域，尤其涉及一种温度振动加速耦合效应模型的构建方法。

背景技术

舰载导弹属于“长期贮存，一次使用”的产品，在寿命期内经历运输、装卸、贮存、测试、维修、战备值班、发射等多个任务事件，受到振动、冲击、高温、低温、高湿、盐雾、霉菌、太阳辐射等外部环境因素的影响，经受物理、化学、生物作用，由此引起产品外部损伤和内部应力的变化，造成材料腐蚀、老化、霉变，导致产品电气性能、机械性能、密封性能和物化性能退化甚至失效，以及可靠性、战备完好性和系统效能的降低。

而随着高新技术的应用，舰载导弹装备的功能越来越强大，系统精度也大幅度提高，随之带来装备的复杂性也明显提高，对环境的敏感性越来越强。海军导弹装备服役期间的故障信息表明，舰载导弹装备的故障主要出现在贮存、运输和战备值班等任务阶段。这些任务阶段的导弹装备基本处于非工作状态，属于广义贮存的范畴。贮存可靠性已成为导弹等武器装备重要的技术指标，是武器装备作战效能的重要体现。

加速贮存试验采用加速贮存应力进行产品试验，缩短了试验时间，提高了试验效率，降低了试验成本，使舰载导弹贮存可靠性评估成为可能。在对导弹及其弹上产品进行加速试验时，需要选择一个或多个作为加速应力，但目前加速模型多为单一应力加速模型，且对各种综合环境的耦合效应的认知还不够深入，多处于定性的模糊认识阶段。而为了更准确的评价导弹及其弹上产品的环境适应性和可靠性，应尽量模拟其所处的综合环境(主要环境因素)，此时即便只选择一个加速应力，其他应力模拟实际环境，仍可能由于不同环境的耦合作用，使得加速因子与单一加速应力时不同，而不能满足加速试验验证产品寿命和可靠性的要求，因此急需开展主要贮存环境因素温度、振动间的加速耦合效应分析，建立耦合模型。

发明内容

为了克服现有技术中加速贮存试验前温度振动耦合定性分析不足的缺陷，本发明所采用的技术方案是提供一种温度振动加速耦合效应模型的构建方法，所述构建方法包括如下步骤：

S 1：开始；

S 2：获取舰载导弹服役载荷，建立环境载荷谱；

S 3：根据舰载导弹失效信息获取其薄弱环节；

S 4：根据舰载导弹设计信息获取其有限元仿真模型；

S 5：利用服役载荷开展有限元仿真，获取薄弱环节的温度和振动环境；

S 6：利用薄弱环节开展温度、振动、及温度-振动试验获取应变响应数据；

S 7：完成数据分析，建立温度-振动耦合模型；

S 8：结束。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，步骤S 2的具体操作过程为：针对舰载导弹，通过实测方式获得温度环境剖面和振动载荷谱编制的基础数据，结合装备的典型剖面，针对温度、振动不同的数据对象，进行数据处理和编谱，建立舰载导弹的温度环境剖面和振动载荷谱。

进一步地，步骤S 3的具体操作过程为：对舰载导弹服役故障数据进行统计分析，确定导弹的故障多发产品，以该产品为导弹的薄弱环节。

进一步地，步骤S 4的具体操作过程为：

首先，根据导弹的设计信息，分别对产品的结构件、元器件和互连部分建立三维实体模型，并在满足应力分析的前提情况下，对所述三维实体模型的组成部件进行简化，形成简化CAD模型；

然后，根据简化后的CAD模型，在CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)模拟软件中根据不同的结构材质、元器件种类、互连形式与散热方式信息，赋以三维数字模型各项材料属性、热学性能参数及流场分布情况；在不影响热学分析精度的前提下，细化流场分析网络，建立舰载导弹的温度有限元仿真模型；

最后，根据简化后的CAD模型，在FEA(Finite Element Analysis，有限元分析)软件中根据不同的结构材质、元器件种类及互连形式信息，赋以三维数字模型各项材料属性和力学性能参数；在不影响振动力学分析精度的前提下，细化网格，依照实际安装的固支状态，设置约束条件，建立舰载导弹的振动有限元仿真模型。

进一步地，步骤S 5的具体操作过程为：

一方面，依据步骤S 2获得的温度环境剖面，将温度载荷施加于步骤S 4获得的舰载导弹的温度有限元仿真模型，依照产品实际使用环境，设置温度边界条件，获取薄弱环节所处位置的温度响应数据；

另一方面，依据步骤S 2获得的振动载荷谱，将振动载荷施加于步骤S 4获得的舰载导弹的振动有限元仿真模型，根据求解设置对模态分析和随机振动分析进行求解计算，获取薄弱环节所处位置的振动响应数据。

进一步地，步骤S 6的具体操作过程为：根据步骤S 5的薄弱环节所处位置的温度响应数据和振动响应数据，设计薄弱环境的温度、振动、及温度-振动试验数据，测量关键点的应变。

进一步地，步骤S 7的具体操作过程为：

一方面，利用温度试验所测的应变数据，开展温度-应变分析，获取温度与应变函数关系，采用下式表示：

ε＝f(T)+a

开展温度试验，温度-应变采用下式表示：

ε＝a₁×T+a₂

其中ε为应变，T为温度，a1、a2为待定系数；

另一方面，利用振动试验所测的应变数据，开展振动-应变分析，获取针对与应变函数关系，采用下式表示：

ε＝g(V)+b

开展振动试验，振动-应变采用下式表示：

ε＝b₁×exp(b₂×V)+b₃

其中ε为应变，V为振动，b1、b2、b3为待定系数；

最后，以温度-应变、振动-应变分析为基础，结合温度-振动试验所测的应变数据，建立温度-振动与应变间的关系模型，采用下式表示：

ε＝h(f(T),g(V))+c

应变响应与温度、振动环境载荷的耦合关系的表达形式如下所示：

其中ε为应变，T为温度，V为振动，c1、c2、c3为待定系数。

由此，本发明借助仿真手段指导试验设计，通过试验获取温度-振动载荷作用下产品的应变响应数据，开展数据分析，建立产品的温度振动加速耦合效应模型。

附图说明

图1为本发明的温度振动加速耦合效应模型的构建方法的步骤流程图；

图2为本发明的温度试验中所测的温度-应变数据曲线图；

图3为本发明的振动试验中所测的振动-应变数据曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

请参照图1所示，其为本发明的温度振动加速耦合效应模型的构建方法的步骤流程图。所述温度振动加速耦合效应模型的构建方法包括如下步骤：

S 1：开始；

S 2：获取舰载导弹服役载荷，建立环境载荷谱；即，

针对舰载导弹，通过实测方式获得温度环境剖面和振动载荷谱编制的基础数据，结合装备的典型剖面，针对温度、振动不同的数据对象，采用相应的数据处理方法和编谱理论，建立舰载导弹的温度环境剖面和振动载荷谱；

在没有实测数据时，可以通过规范、标准和其它有关资料，或者调研和统计分析获取环境数据，编制舰载导弹环境载荷谱；

S 3：根据舰载导弹失效信息获取其薄弱环节；即，

对舰载导弹服役故障数据进行统计分析，确定导弹的故障多发产品，该产品即为导弹的薄弱环节；

S 4：根据舰载导弹设计信息获取其有限元仿真模型；即，

首先，根据导弹的设计信息，分别对产品的结构件、元器件和互连部分建立三维实体模型，并在满足应力分析的前提情况下，可对模型的组成部件进行适当简化，形成简化CAD模型；

然后，根据简化后的CAD模型，在CFD软件中根据不同的结构材质、元器件种类、互连形式与散热方式等信息，赋以三维数字模型各项材料属性，热学性能参数，流场分布情况等；在不影响热学分析精度的前提下，尽可能细化流场分析网络，建立舰载导弹的温度有限元仿真模型；

最后，根据简化后的CAD模型，在FEA软件中根据不同的结构材质、元器件种类、互连形式等信息，赋以三维数字模型各项材料属性，力学性能参数；在不影响振动力学分析精度的前提下，尽可能细化网格，依照产品实际安装的固支状态，设置约束条件，建立舰载导弹的振动有限元仿真模型；

S 5：利用服役载荷开展有限元仿真，获取薄弱环节的温度和振动环境；即，

一方面，依据S 2获得的温度环境剖面，将温度载荷施加于S 4获得的舰载导弹的温度有限元仿真模型，依照产品实际使用环境，设置温度边界条件，获取薄弱环节所处位置的温度响应数据；

另一方面，依据S 2获得的振动载荷谱，将振动载荷施加于S 4获得的舰载导弹的振动有限元仿真模型，根据求解设置对模态分析和随机振动分析进行求解计算，获取薄弱环节所处位置的振动响应数据；

S 6：利用薄弱环节开展温度、振动、及温度-振动试验获取应变响应数据；即，

根据S 5的薄弱环节所处位置的温度响应数据和振动响应数据，设计薄弱环境的温度、振动、及温度-振动试验数据，测量关键点的应变；

S 7：完成数据分析，建立温度-振动耦合模型；即，

一方面，利用温度试验所测的应变数据，开展温度-应变分析，获取温度与应变函数关系，采用下式表示：

ε＝f(T)+a

开展温度试验，所测的温度-应变数据如表1所示：

位置	24℃	40℃	60℃	80℃
					1	2.8	49.3	107.8	166.3
2	5.1	43.1	85.1	127.1
					3	1.8	50.1	89.6	129.1
4	5.1	46.8	76.7	106.6
					5	2.5	23.9	53.1	82.3
6	4.6	38.3	72.6	106.9
					7	2.1	67.2	182.6	298.0

表1

根据表1中的数据绘制出曲线如图2所示，可以看出，温度-应变大致满足线性关系，可近似采用下式表示：

ε＝a₁×T+a₂

其中ε为应变，T为温度，a1、a2为待定系数。

另一方面，利用振动试验所测的应变数据，开展振动-应变分析，获取针对与应变函数关系，采用下式表示：

ε＝g(V)+b

开展振动试验，所测的振动-应变数据如表2所示：

位置	0.001	0.0015	0.002	0.003
					1	2.8	49.3	107.8	166.3
2	5.1	43.1	85.1	127.1
					3	1.8	50.1	89.6	129.1
4	5.1	46.8	76.7	106.6
					5	2.5	23.9	53.1	82.3
6	4.6	38.3	72.6	106.9
					7	2.1	67.2	182.6	298.0

表2

根据表2中的数据绘制出曲线如图3所示，可以看出，振动-应变大致满足指数变化关系，可近似采用下式表示：

ε＝b₁×exp(b₂×V)+b₃

其中ε为应变，V为振动，b1、b2、b3为待定系数。

最后，以温度-应变、振动-应变分析为基础，结合温度-振动试验所测的应变数据，建立温度-振动与应变间的关系模型，采用下式表示：

ε＝h(f(T),g(V))+c

温度-振动-应变的试验数据如表3所示：

表3

应变响应与温度、振动环境载荷的耦合关系的表达形式如下所示：

其中ε为应变，T为温度，V为振动，c1、c2、c3为待定系数。

应用该模型对温度振动环境下的雷达接收机和处理机电路板应变响应数据进行回归统计分析，获得温度振动耦合模型参数点估计值与相关系数如表4所示：

位置-方向	参数c1	参数c1	参数c1	相关性
					1	2.894915	-4.56096	-65.2817	0.998
2	2.142992	-5.54581	-43.4393	0.998
					3	2.213138	-7.16723	-44.588	0.99
4	1.776691	-5.36194	-31.1221	0.982
					5	1.433409	-6.01433	-32.1311	0.999
6	1.776326	-6.50832	-34.2088	0.995
					7	5.37019	-3.10106	-137.2865	0.995

表4

由表4中所列数据可见，各点的应变响应与该模型的相关性均在0.98以上，这表明该模型能够在一定程度上客观的表达温度振动环境载荷效应的耦合关系。

S 8：结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种温度振动加速耦合效应模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：开始；

S2：获取舰载导弹服役载荷，建立环境载荷谱；

S3：根据舰载导弹失效信息获取其薄弱环节；

S4：根据舰载导弹设计信息获取其有限元仿真模型；

S5：利用服役载荷开展有限元仿真，获取薄弱环节的温度和振动环境；

S6：利用薄弱环节开展温度、振动、及温度-振动试验获取应变响应数据；

S7：完成数据分析，建立温度-振动耦合模型；

S8：结束。

2.根据权利要求1所述的温度振动加速耦合效应模型的构建方法，其特征在于，步骤S2的具体操作过程为：针对舰载导弹，通过实测方式获得温度环境剖面和振动载荷谱编制的基础数据，结合装备的典型剖面，针对温度、振动不同的数据对象，进行数据处理和编谱，建立舰载导弹的温度环境剖面和振动载荷谱。

3.根据权利要求1所述的温度振动加速耦合效应模型的构建方法，其特征在于，步骤S3的具体操作过程为：对舰载导弹服役故障数据进行统计分析，确定导弹的故障多发产品，以该产品为导弹的薄弱环节。

4.根据权利要求1所述的温度振动加速耦合效应模型的构建方法，其特征在于，步骤S4的具体操作过程为：

首先，根据导弹的设计信息，分别对产品的结构件、元器件和互连部分建立三维实体模型，并在满足应力分析的前提情况下，对所述三维实体模型的组成部件进行简化，形成简化CAD模型；

然后，根据简化后的CAD模型，在CFD模拟软件中根据不同的结构材质、元器件种类、互连形式与散热方式信息，赋以三维数字模型各项材料属性、热学性能参数及流场分布情况；在不影响热学分析精度的前提下，细化流场分析网络，建立舰载导弹的温度有限元仿真模型；

最后，根据简化后的CAD模型，在FEA软件中根据不同的结构材质、元器件种类及互连形式信息，赋以三维数字模型各项材料属性和力学性能参数；在不影响振动力学分析精度的前提下，细化网格，依照实际安装的固支状态，设置约束条件，建立舰载导弹的振动有限元仿真模型。

5.根据权利要求1所述的温度振动加速耦合效应模型的构建方法，其特征在于，步骤S5的具体操作过程为：

一方面，依据步骤S2获得的温度环境剖面，将温度载荷施加于步骤S4获得的舰载导弹的温度有限元仿真模型，依照产品实际使用环境，设置温度边界条件，获取薄弱环节所处位置的温度响应数据；

另一方面，依据步骤S2获得的振动载荷谱，将振动载荷施加于步骤S4获得的舰载导弹的振动有限元仿真模型，根据求解设置对模态分析和随机振动分析进行求解计算，获取薄弱环节所处位置的振动响应数据。

6.根据权利要求1所述的温度振动加速耦合效应模型的构建方法，其特征在于，步骤S6的具体操作过程为：根据步骤S5的薄弱环节所处位置的温度响应数据和振动响应数据，设计薄弱环境的温度、振动、及温度-振动试验数据，测量关键点的应变。

7.根据权利要求1所述的温度振动加速耦合效应模型的构建方法，其特征在于，步骤S7的具体操作过程为：

一方面，利用温度试验所测的应变数据，开展温度-应变分析，获取温度与应变函数关系，采用下式表示：

ε＝f(T)+a

开展温度试验，温度-应变采用下式表示：

ε＝a₁×T+a₂

其中ε为应变，T为温度，a1、a2为待定系数；

另一方面，利用振动试验所测的应变数据，开展振动-应变分析，获取针对与应变函数关系，采用下式表示：

ε＝g(V)+b

开展振动试验，振动-应变采用下式表示：

ε＝b₁×exp(b₂×V)+b₃

其中ε为应变，V为振动，b1、b2、b3为待定系数；

最后，以温度-应变、振动-应变分析为基础，结合温度-振动试验所测的应变数据，建立温度-振动与应变间的关系模型，采用下式表示：

ε＝h(f(T),g(V))+c

应变响应与温度、振动环境载荷的耦合关系的表达形式如下所示：

其中ε为应变，T为温度，V为振动，c1、c2、c3为待定系数。