面向可靠性的某型水下機(jī)器人耐壓殼體設(shè)計(jì)

□ 趙嘉媛

湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 湖北宜昌 443002

我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，隨著海洋資源的日益開發(fā)、海洋權(quán)益日漸重要。由于海洋水下環(huán)境惡劣，人類及水面船只的潛水深度有限，水下機(jī)器人（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）已成為開發(fā)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(yīng)用，它能夠完成水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、海洋資源勘探、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)收集、水下救援等，在民用和軍用等領(lǐng)域受到越來(lái)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(shè)備的裝載平臺(tái)，為UUV提供所需浮力以及為各功能設(shè)備提供一個(gè)耐水壓的密封空間。因此，耐壓殼體的可靠性設(shè)計(jì)水平直接關(guān)系到UUV的安全與任務(wù)完成的成功率。

目前UUV耐壓殼體的設(shè)計(jì)大多采用傳統(tǒng)安全系數(shù)法設(shè)計(jì)，很少?gòu)目煽啃越嵌冗M(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與計(jì)算。本文應(yīng)用可靠性設(shè)計(jì)理論中的應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型，在UUV耐壓殼體的強(qiáng)度計(jì)算中考慮工作應(yīng)力和材料強(qiáng)度的離散性，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度理論，基于可靠性設(shè)計(jì)方法計(jì)算了耐壓密封相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)，可有效減輕殼體厚度以減輕質(zhì)量，增加UUV浮力，成為高可靠的耐壓殼體。

1 應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型

應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型是目前系統(tǒng)或零件的概率法設(shè)計(jì)和可靠度計(jì)算的重要模型之一［1］。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型結(jié)合實(shí)際情況，耐壓殼體應(yīng)力s和強(qiáng)度δ均為隨機(jī)變量，且服從正態(tài)分布，則根據(jù)正態(tài)分布函數(shù)，應(yīng)力s和強(qiáng)度δ的概率密度函數(shù)可由式（1）、式（2）表示：

式中：μs、σs為應(yīng)力 s 的均值與標(biāo)準(zhǔn)差；μδ、σδ為強(qiáng)度 δ的均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

令y=δ-s，根據(jù)正態(tài)分布特性，y也是正態(tài)分布，其均值 μy=μδ-μs、標(biāo)準(zhǔn)差 σy=，變量y的概率密度函數(shù)為：

則零部件可靠度R為：

式中：P為概率函數(shù)。

由式（5）可知，在知道應(yīng)力分布參數(shù)、強(qiáng)度分布參數(shù)后即可計(jì)算出可靠度，它是應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型中可靠性設(shè)計(jì)的基本公式。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的對(duì)稱性，可將式（5）轉(zhuǎn)換成：，β 稱為可靠性系數(shù)， 則 R=f（β）,即在 μs、μδ、σs、σδ均確定后即可計(jì)算出可靠性系數(shù) β，而β與R的對(duì)應(yīng)關(guān)系可查相關(guān)正態(tài)函數(shù)表［2］。

2 耐壓殼體強(qiáng)度可靠度計(jì)算方法

2.1 耐壓殼體應(yīng)力均值計(jì)算

根據(jù)壓力容器的應(yīng)力計(jì)算公式，計(jì)算耐壓殼體厚度x，它與材料屈服強(qiáng)度的關(guān)系為：

式中：p為設(shè)計(jì)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(qiáng)度。

根據(jù)式（7），應(yīng)用基本函數(shù)法可得耐壓殼體圓柱段應(yīng)力均值:

式中：μp為實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)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(shè)計(jì)所需耐壓殼體壁厚值。

2.2 耐壓殼體應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算

根據(jù)式（7），應(yīng)用基本函數(shù)法可得耐壓殼體圓柱段應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差：

式中：σp為實(shí)際使用過(guò)程中的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差，取壓力偏差的1/3；σR為耐壓殼體半徑的標(biāo)準(zhǔn)差；σx為耐壓殼體厚度的標(biāo)準(zhǔn)差，取殼體制造材料鋼板壁厚標(biāo)準(zhǔn)差：鋼板偏差數(shù)值的1/3［3］， 設(shè)計(jì)時(shí)為簡(jiǎn)化， 取 σR=σx=0.2/3=0.067 mm。

2.3 耐壓殼體強(qiáng)度均值及標(biāo)準(zhǔn)差

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

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

某型UUV耐壓殼體根據(jù)項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)要求，耐壓殼體兩端為球形、中間為圓柱筒體結(jié)構(gòu)。根據(jù)使用環(huán)境及耐腐蝕要求，殼體設(shè)計(jì)材料選型為高強(qiáng)重比的鋁合金材料（5A06），設(shè)計(jì)要求耐壓值：μp=4.0±0.3 MPa，殼體直徑534 mm，圓柱筒體殼體長(zhǎng)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(guān)參數(shù)代入式（10）,計(jì)算得 μx=9.9 mm，即耐壓殼體壁厚為9.9 mm時(shí)可滿足設(shè)計(jì)任務(wù)中可靠度0.999 99的要求。

4 結(jié)論

本文以某型UUV耐壓殼體為例，應(yīng)用可靠性應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型，說(shuō)明了耐壓殼體可靠性設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)該型UUV多次試驗(yàn)，其耐壓殼體未發(fā)生一次故障，證明了所介紹的可靠性設(shè)計(jì)方法的有效性，有力保障了UUV的可靠性、安全性。

［1］ 張洪才.應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型的可靠度計(jì)算方法的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2001（6）：45－47.

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

［3］ 農(nóng)琪,謝業(yè)東.壓力容器橢圓形封頭的可靠性設(shè)計(jì)［J］.裝備制造技術(shù)，2010（9）：53－60.

［4］ 劉惟信.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì) ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1996.