面向可靠性的某型水下機器人耐壓殼體設計

□ 趙嘉媛

湖北三峽職業技術學院 機電工程學院 湖北宜昌 443002

我國是一個海洋大國，隨著海洋資源的日益開發、海洋權益日漸重要。由于海洋水下環境惡劣，人類及水面船只的潛水深度有限，水下機器人（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）已成為開發海洋的重要工具，由于其自主性、使用靈活性得到了廣泛的應用，它能夠完成水下目標探測與識別、海洋資源勘探、海洋環境數據收集、水下救援等，在民用和軍用等領域受到越來越多的重視。耐壓殼體是UUV最重要的組成部分之一，它是UUV各功能設備的裝載平臺，為UUV提供所需浮力以及為各功能設備提供一個耐水壓的密封空間。因此，耐壓殼體的可靠性設計水平直接關系到UUV的安全與任務完成的成功率。

目前UUV耐壓殼體的設計大多采用傳統安全系數法設計，很少從可靠性角度進行詳細設計與計算。本文應用可靠性設計理論中的應力－強度干涉模型，在UUV耐壓殼體的強度計算中考慮工作應力和材料強度的離散性，結合機械設計強度理論，基于可靠性設計方法計算了耐壓密封相關的設計參數，可有效減輕殼體厚度以減輕質量，增加UUV浮力，成為高可靠的耐壓殼體。

1 應力-強度干涉模型

應力－強度干涉模型是目前系統或零件的概率法設計和可靠度計算的重要模型之一［1］。為簡化計算模型結合實際情況，耐壓殼體應力s和強度δ均為隨機變量，且服從正態分布，則根據正態分布函數，應力s和強度δ的概率密度函數可由式（1）、式（2）表示：

式中：μs、σs為應力 s 的均值與標準差；μδ、σδ為強度 δ的均值與標準差。

令y=δ-s，根據正態分布特性，y也是正態分布，其均值 μy=μδ-μs、標準差 σy=，變量y的概率密度函數為：

則零部件可靠度R為：

式中：P為概率函數。

由式（5）可知，在知道應力分布參數、強度分布參數后即可計算出可靠度，它是應力－強度干涉模型中可靠性設計的基本公式。根據標準正態分布的對稱性，可將式（5）轉換成：，β 稱為可靠性系數， 則 R=f（β）,即在 μs、μδ、σs、σδ均確定后即可計算出可靠性系數 β，而β與R的對應關系可查相關正態函數表［2］。

2 耐壓殼體強度可靠度計算方法

2.1 耐壓殼體應力均值計算

根據壓力容器的應力計算公式，計算耐壓殼體厚度x，它與材料屈服強度的關系為：

式中：p為設計耐壓值；R=267 mm為圓柱殼體半徑；σδ0=160 MPa為鋁合金材料5A06的屈服強度。

根據式（7），應用基本函數法可得耐壓殼體圓柱段應力均值:

式中：μp為實際使用過程中應力均值，μp=3.0 MPa；μR為耐壓殼體半徑均值，μR=267 mm；μx為耐壓殼體厚度x的均值，即設計所需耐壓殼體壁厚值。

2.2 耐壓殼體應力的標準差計算

根據式（7），應用基本函數法可得耐壓殼體圓柱段應力標準差：

式中：σp為實際使用過程中的應力標準差，取壓力偏差的1/3；σR為耐壓殼體半徑的標準差；σx為耐壓殼體厚度的標準差，取殼體制造材料鋼板壁厚標準差：鋼板偏差數值的1/3［3］， 設計時為簡化， 取 σR=σx=0.2/3=0.067 mm。

2.3 耐壓殼體強度均值及標準差

強度均值取所選材料的屈服極限，則 μδ=σδ0，由文獻［4］得：σδ=0.07σδ0。

3 設計實例

某型UUV耐壓殼體根據項目總體設計要求，耐壓殼體兩端為球形、中間為圓柱筒體結構。根據使用環境及耐腐蝕要求，殼體設計材料選型為高強重比的鋁合金材料（5A06），設計要求耐壓值：μp=4.0±0.3 MPa，殼體直徑534 mm，圓柱筒體殼體長度800 mm，圓柱段可靠度分配值 0.999 99，即失效率 F=10－6。

已知:p=4.0 MPa，μp=4.0 MPa，σp=0.1 MPa；R=267 mm,μR=267 mm，σR=0.2/3=0.067 mm；σδ0=160 MPa，μδ=σδ0=160 MPa， σδ=0.07σδ0=11.2 MPa，σx=σR=0.067 mm。

由式（6）可知：

將相關參數代入式（10）,計算得 μx=9.9 mm，即耐壓殼體壁厚為9.9 mm時可滿足設計任務中可靠度0.999 99的要求。

4 結論

本文以某型UUV耐壓殼體為例，應用可靠性應力－強度干涉模型，說明了耐壓殼體可靠性設計方法的應用。經過該型UUV多次試驗，其耐壓殼體未發生一次故障，證明了所介紹的可靠性設計方法的有效性，有力保障了UUV的可靠性、安全性。

［1］ 張洪才.應力－強度干涉模型的可靠度計算方法的研究［J］.機械設計，2001（6）：45－47.

［2］ 陳鐘毓.在用鋼制壓力容器筒體強度可靠性分析［J］.化學工程與裝備，2008（7）：58－61.

［3］ 農琪,謝業東.壓力容器橢圓形封頭的可靠性設計［J］.裝備制造技術，2010（9）：53－60.

［4］ 劉惟信.機械可靠性設計 ［M］.北京：清華大學出版社，1996.