某型UUV耐压壳体可靠性分析

李强兵，赵嘉媛

（1.中国船舶重工集团 第七一〇研究所，湖北 宜昌 443002；2.湖北三峡职业技术学院 机电工程学院，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

随着海洋战略地位的日益凸显，无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）得到了深入而广泛的应用，它能够完成水下地质勘探、海洋科学考察、资源勘探、目标探测等，在民用、军用等领域都受到越来越多的重视。耐压壳体是UUV 最重要的组成部分之一，其可靠性水平关系到UUV 自身的安全、任务成功率及可靠性。

本文应用可靠性设计理论中的应力-强度干涉模型，结合概率与数理统计理论、机械设计强度理论，运用传统设计理论计算了密封壳体相关的设计参数，以及该设计参数下耐压壳体的可靠度计算。

1 应力-强度干涉模型

应力-强度干涉模型在机械工程领域，特别是可靠性分析、可靠性设计中得到广泛的运用，应力-强度干涉模型已成为系统或零件的概率法设计和可靠度计算的重要模型之一［1］。

应力-强度干涉模型认为零部件的应力与其允许的强度产生干涉，系统就有失效的可能。为简化问题模型及实际情况，假设水下航行器密封壳体应力s 和强度σ 都是随机变量，且服从正常分布，则应力s 和强度σ 的概率密度函数为：

式中，μs、μσ与σs、σσ分别为应力s、强度σ 的均值与标准差。

则零部件可靠度为：

2 耐压壳体强度可靠度计算方法

某型UUV 耐压壳体根据项目总体设计要求，耐压壳体两端为球形，中间为圆柱筒体结构，根据使用环境及耐腐蚀要求，壳体设计材料选型为不锈钢1Cr18Ni9Ti，设计要求耐压值μp=4±0.3 MPa，壳体直径534 mm，圆柱筒体壳体长度1 000 mm。

1）计算圆柱段壳体厚度t1，在设计外压下材料最大应力屈服条件下，

式中：pj为计算压力，取2 倍安全系数，则pj=4.0×2=8.0 MPa；R 为耐压壳体半径，取R＝267 mm；σs0为屈服强度，根据材料手册取σs0=205 MPa。计算得t1≥PjR/σs0≥8×267÷205=10.42，根据设计及加工实际情况取t1=12 mm。

2）计算两端球形壳体厚度t2，在设计外压下材料最大应力屈服条件下，

式中：Pj为计算压力，取1.5 倍安全系数，取Pj=4.0×2.0=8.0 MPa；R 为球形耐压壳体半径，取R＝267 mm；σs0为屈服强度，取σs0=205 MPa；计算得t2≥PjR/（2σs0）≥8×267÷（205×2）=5.2，根据设计及加工实际情况取t2=7mm。

3）壳体稳定性计算。

a.球形壳体稳定性计算。根据卡门-钱学森公式推导出球壳失稳破坏压力为：Pcr=0.365 2E（t2/R）2。式中：R 为球壳半径；t2为球形壳体厚度；E 为材料的弹性模量，根据材料手册取200 GPa；Pcr为球形壳体的失稳破坏压力，计算得Pcr=50.2＞＞P=4.0，可知实际使用压力小于球形壳体失稳破坏压力，因此球形壳体在压力条件下不会出现失稳现象，设计满足作业要求。

4）耐压壳体可靠度计算。

a.根据设计耐压压力，取设计压力P 的均值μp=4 MPa，设计压力P 标准差取压力波动数值的1/3［3］，σp=0.3÷3=0.1 MPa。

b.耐压壳体圆柱段厚度的均值μt1=12 mm，圆柱段厚度的标准差取不锈钢圆钢偏差数值的1/3［3］，则σt1=1.2÷3=0.4 mm；耐压球形壳体厚度的均值μt2=7 mm，圆柱段厚度的标准差取不锈钢圆钢偏差数值的1/3［3］，则σt2=0.7÷3=0.233 mm。

c.耐压壳体圆柱段半径的均值μR1=267 mm，圆柱段半径的标准差取不锈钢圆钢偏差数值的1/3［3］，则σR1=1.2÷3=0.4 mm；耐压球形壳体半径的均值μR2=267 mm，圆柱段半径的标准差取不锈钢圆钢偏差数值的1/3［3］，则σR2=0.7÷3=0.233 mm。

d.选取材料屈服极限作为强度工作极限，则μσ=205MPa，σσ=0.07×205=14.35 MPa。

耐压壳体圆柱段应力的标准差

耐压壳体球形段应力的标准差

g.计算耐压壳体可靠度。由β1=3.01，β2=3.34，查正态函数表得耐压壳体圆柱段可靠度R1=0.998 694，耐压壳体球形段可靠度R2=0.999 581，而耐压壳体为串联模型，故耐压壳体可靠度R=R1×R2×R2=0.997 857。

3 结 论

本文以某型UUV 耐压壳体为例，通过传统设计分析，结合应力-强度干涉模型说明了耐压壳体可靠性分析方法的应用。从计算结果可以看出，该UUV 耐压壳体的可靠度为0.997 857，满足可靠性分配要求。经过某型UUV多次试验，其耐压壳体未发生一次故障，证明了所介绍的可靠性分析措施的有效性，有力保障了UUV 的安全。

［1］ 张洪才.应力-强度干涉模型的可靠度计算方法的研究［J］.机械设计，2001（6）：45-47.

［2］ 陈钟毓.在用钢制压力容器筒体强度可靠性分析［J］.化学工程与装备，2008（7）：58-61.

［3］ 刘惟信.机械可靠性设计［M］.北京：清华大学出版社，1996.