某型UUV耐壓殼體可靠性分析

李強兵，趙嘉媛

（1.中國船舶重工集團 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443002；2.湖北三峽職業技術學院 機電工程學院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

隨著海洋戰略地位的日益凸顯，無人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）得到了深入而廣泛的應用，它能夠完成水下地質勘探、海洋科學考察、資源勘探、目標探測等，在民用、軍用等領域都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，其可靠性水平關系到UUV 自身的安全、任務成功率及可靠性。

本文應用可靠性設計理論中的應力-強度干涉模型，結合概率與數理統計理論、機械設計強度理論，運用傳統設計理論計算了密封殼體相關的設計參數，以及該設計參數下耐壓殼體的可靠度計算。

1 應力-強度干涉模型

應力-強度干涉模型在機械工程領域，特別是可靠性分析、可靠性設計中得到廣泛的運用，應力-強度干涉模型已成為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］。

應力-強度干涉模型認為零部件的應力與其允許的強度產生干涉，系統就有失效的可能。為簡化問題模型及實際情況，假設水下航行器密封殼體應力s 和強度σ 都是隨機變量，且服從正常分布，則應力s 和強度σ 的概率密度函數為：

式中，μs、μσ與σs、σσ分別為應力s、強度σ 的均值與標準差。

則零部件可靠度為：

2 耐壓殼體強度可靠度計算方法

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不銹鋼1Cr18Ni9Ti，設計要求耐壓值μp=4±0.3 MPa，殼體直徑534 mm，圓柱筒體殼體長度1 000 mm。

1）計算圓柱段殼體厚度t1，在設計外壓下材料最大應力屈服條件下，

式中：pj為計算壓力，取2 倍安全系數，則pj=4.0×2=8.0 MPa；R 為耐壓殼體半徑，取R＝267 mm；σs0為屈服強度，根據材料手冊取σs0=205 MPa。計算得t1≥PjR/σs0≥8×267÷205=10.42，根據設計及加工實際情況取t1=12 mm。

2）計算兩端球形殼體厚度t2，在設計外壓下材料最大應力屈服條件下，

式中：Pj為計算壓力，取1.5 倍安全系數，取Pj=4.0×2.0=8.0 MPa；R 為球形耐壓殼體半徑，取R＝267 mm；σs0為屈服強度，取σs0=205 MPa；計算得t2≥PjR/（2σs0）≥8×267÷（205×2）=5.2，根據設計及加工實際情況取t2=7mm。

3）殼體穩定性計算。

a.球形殼體穩定性計算。根據卡門-錢學森公式推導出球殼失穩破壞壓力為：Pcr=0.365 2E（t2/R）2。式中：R 為球殼半徑；t2為球形殼體厚度；E 為材料的彈性模量，根據材料手冊取200 GPa；Pcr為球形殼體的失穩破壞壓力，計算得Pcr=50.2＞＞P=4.0，可知實際使用壓力小于球形殼體失穩破壞壓力，因此球形殼體在壓力條件下不會出現失穩現象，設計滿足作業要求。

4）耐壓殼體可靠度計算。

a.根據設計耐壓壓力，取設計壓力P 的均值μp=4 MPa，設計壓力P 標準差取壓力波動數值的1/3［3］，σp=0.3÷3=0.1 MPa。

b.耐壓殼體圓柱段厚度的均值μt1=12 mm，圓柱段厚度的標準差取不銹鋼圓鋼偏差數值的1/3［3］，則σt1=1.2÷3=0.4 mm；耐壓球形殼體厚度的均值μt2=7 mm，圓柱段厚度的標準差取不銹鋼圓鋼偏差數值的1/3［3］，則σt2=0.7÷3=0.233 mm。

c.耐壓殼體圓柱段半徑的均值μR1=267 mm，圓柱段半徑的標準差取不銹鋼圓鋼偏差數值的1/3［3］，則σR1=1.2÷3=0.4 mm；耐壓球形殼體半徑的均值μR2=267 mm，圓柱段半徑的標準差取不銹鋼圓鋼偏差數值的1/3［3］，則σR2=0.7÷3=0.233 mm。

d.選取材料屈服極限作為強度工作極限，則μσ=205MPa，σσ=0.07×205=14.35 MPa。

耐壓殼體圓柱段應力的標準差

耐壓殼體球形段應力的標準差

g.計算耐壓殼體可靠度。由β1=3.01，β2=3.34，查正態函數表得耐壓殼體圓柱段可靠度R1=0.998 694，耐壓殼體球形段可靠度R2=0.999 581，而耐壓殼體為串聯模型，故耐壓殼體可靠度R=R1×R2×R2=0.997 857。

3 結 論

本文以某型UUV 耐壓殼體為例，通過傳統設計分析，結合應力-強度干涉模型說明了耐壓殼體可靠性分析方法的應用。從計算結果可以看出，該UUV 耐壓殼體的可靠度為0.997 857，滿足可靠性分配要求。經過某型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分析措施的有效性，有力保障了UUV 的安全。

［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］ 劉惟信.機械可靠性設計［M］.北京：清華大學出版社，1996.