周　煒，　薛　來，　趙　敏

（1. 海軍駐昆明七五〇試驗場軍事代表室， 云南 昆明， 650051； 2. 昆明船舶設(shè)備研究試驗中心， 云南， 昆明，650051）

水下航行器釋放機構(gòu)動作可靠性分析

周煒1，薛來2，趙敏2

（1. 海軍駐昆明七五〇試驗場軍事代表室， 云南 昆明， 650051； 2. 昆明船舶設(shè)備研究試驗中心， 云南， 昆明，650051）

水下航行器的釋放機構(gòu)是該裝備的重要組成部分， 釋放機構(gòu)能否正常動作， 是該裝備完成作戰(zhàn)任務(wù)的關(guān)鍵。該文以驗算點法為依據(jù)， 利用FREET機械可靠性分析軟件分析了釋放機構(gòu)關(guān)鍵組成部件的可靠性， 所得結(jié)論為水下航行器釋放機構(gòu)的設(shè)計提供參考。

水下航行器； 機械可靠性； 釋放機構(gòu)； 驗算點法

0　引言

水下航行器的艙體設(shè)計有一個釋放機構(gòu)， 其功能是在航行器發(fā)射一定時間后在水中打開艙體艙蓋， 艙體內(nèi)的組件在負浮力作用下脫離艙體完成作戰(zhàn)任務(wù)。該機構(gòu)主要組成零件包括鎖定機構(gòu)、動力產(chǎn)生裝置、連桿、轉(zhuǎn)軸及曲柄， 當釋放機構(gòu)啟動時，首先是鎖定機構(gòu)解鎖， 然后動力裝置產(chǎn)生驅(qū)動力使連桿運動， 連桿固定在轉(zhuǎn)軸一端帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動， 固定在另一端的曲柄在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動下運動， 從而將艙蓋打開， 完成釋放動作。釋放機構(gòu)是水下航行器的重要組成部分， 其能否正常動作是水下航行器完成作戰(zhàn)任務(wù)的關(guān)鍵。釋放機構(gòu)的可靠性設(shè)計通常采用安全系數(shù)法， 由于該方法有很大的盲目性和保守性［1］，導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果存在不合理之處。文章基于驗算點法建立了釋放機構(gòu)可靠性計算模型， 利用FREET軟件對現(xiàn)有釋放機構(gòu)的可靠性進行計算分析， 得出其可靠度， 通過分析結(jié)果可有效指導(dǎo)設(shè)計。

1　理論依據(jù)

1.1機械可靠性計算模型

機械產(chǎn)品進行可靠性設(shè)計分析時， 根據(jù)其設(shè)計功能建立相對應(yīng)的狀態(tài)函數(shù)g（X）， 當g（X）可看作只有廣義應(yīng)力r和廣義強度l兩個隨機變量時

機械產(chǎn)品在任意時刻是否能夠保持其規(guī)定功能， 在數(shù)學(xué)上可用狀態(tài)函數(shù)的取值是否大于0來決定， 把產(chǎn)品狀態(tài)分為可靠狀態(tài)（用g（X）＞0表示）和失效狀態(tài)（用g（X）＜0表示）， 而產(chǎn)品可靠狀態(tài)向失效狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界狀態(tài)（用g（X）=0表示）稱為極限狀態(tài)， g（X）=0稱為極限狀態(tài)方程。在解析幾何中， 極限狀態(tài)方程是坐標系中的一個多維曲面，稱為極限狀態(tài)曲面［2］。

在機械可靠性中， 常用可靠度指標β代替可靠度， 它被定義為狀態(tài)函數(shù)的均值與標準差之比， 即

當基本隨機變量均服從正態(tài)分布， 且狀態(tài)方程為基本變量的線性函數(shù)時， 可靠度為

其中， Φ（·）為標準正態(tài)分布函數(shù)。

1.2一次二階矩法

一次二階矩（first order second moment， FOSM）法在機械結(jié)構(gòu)可靠性領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用， 經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展已成為世界各國結(jié)構(gòu)安全標準、規(guī)范的基礎(chǔ)。驗算點法是FOSM法的一種， 在1974年由Hasofer和Lind提出［3］， 他們將可靠性指標β定義為標準正態(tài)空間內(nèi)坐標原點到極限狀態(tài)曲面的最短距離， 并將最短距離在極限狀態(tài)面對應(yīng)當點定義為設(shè)計驗算點（most probabile point， MPP）使得對應(yīng)于同一失效面建立失效方程的不同表達式可得唯一可靠性指標。驗算點法能夠考慮非正態(tài)隨機變量， 在計算工作量差不多的條件下， 可對可靠度指標進行精度較高的近似計算。具體算法如下。

1） 假定初始驗算點

2） 根據(jù)設(shè)計驗算點， 計算非正態(tài)隨機變量的等效正態(tài)分布參數(shù)；

3） 計算可靠度指標

4） 計算重要度系數(shù)

5） 計算新的驗算點

1.3FREET機械可靠性軟件

FREET（feasible reliability engineering tool）軟件用于對簡單與復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進行統(tǒng)計分析及可靠性和敏感性分析。該軟件的特點是在精度要求約束下有效減少仿真樣本量， 使設(shè)計人員定義的工程問題能以相對簡單快速的方法進行評估，可極大減少設(shè)計人員的計算時間。FREET可自定義狀態(tài)方程， 計算可靠度所用方法為驗算點法。

2　釋放機構(gòu)可靠性計算模型

2.1釋放機構(gòu)組成

釋放機構(gòu)主要由曲柄、轉(zhuǎn)軸、連桿及鎖定機構(gòu)構(gòu)成， 如圖1所示。

圖1　釋放機構(gòu)示意圖Fig. 1　Schematic of releasing device

曲柄負責將氣源驅(qū)動下轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)動作傳遞給艙蓋， 實現(xiàn)釋放機構(gòu)艙蓋的打開與關(guān)閉。轉(zhuǎn)軸負責在連桿驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)， 帶動艙蓋運動， 實現(xiàn)釋放機構(gòu)艙蓋的打開與關(guān)閉。連桿負責將氣源產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的動力傳遞給轉(zhuǎn)軸， 將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動。釋放機構(gòu)設(shè)計有鎖定機構(gòu)， 安裝好機構(gòu)內(nèi)待釋放組件并關(guān)閉艙蓋后， 對釋放機構(gòu)進行鎖定， 開艙前要先解鎖， 才能打開艙蓋，避免艙蓋在發(fā)射氣流（或水流）沖擊下產(chǎn)生誤動作。艙蓋關(guān)閉后， 其外形與航行器殼體外表面共形， 可減小航行阻力。

2.2狀態(tài)方程

2.2.1曲柄

對曲柄進行受力分析后， 確定曲柄的主要受力為拉伸應(yīng)力。曲柄材料采用06Cr19Ni10， 其截面如圖2所示。則曲柄的拉伸應(yīng)力為

式中： ε為拉伸應(yīng)力； F為拉力最大值； a1， b1， c， h為曲柄截面尺寸。

根據(jù)應(yīng)力-強度干涉理論， 以應(yīng)力極限狀態(tài)表示的狀態(tài)方程為

其中， r1為曲柄材料強度。

2.2.2轉(zhuǎn)軸

對轉(zhuǎn)軸進行受力分析后， 確定轉(zhuǎn)軸的主要受力為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。轉(zhuǎn)軸材料采用06Cr19Ni10， 其截面可近似正八角形（見圖3）。則轉(zhuǎn)軸所受的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力

式中： τ為轉(zhuǎn)軸承受的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力； T為扭矩； a2為八角形厚度。

圖2　曲柄截面圖Fig. 2　Section of crank

　圖3　轉(zhuǎn)軸截面圖Fig. 3　Section of shaft

根據(jù)應(yīng)力-強度干涉理論， 以應(yīng)力極限狀態(tài)表示的狀態(tài)方程為

其中， r2為轉(zhuǎn)軸材料強度。

2.2.3連桿

對連桿進行受力分析后， 確定轉(zhuǎn)軸的主要受力為剪切應(yīng)力。連桿材料采用45號碳素鋼， 其截面為矩形， 見圖4。則連桿所受的剪切應(yīng)力為

式中： s1為連桿剪切應(yīng)力； p1為連桿承受的剪切載荷； a3為連桿截面寬度； b3為連桿的截面厚度。

根據(jù)應(yīng)力-強度干涉理論， 以應(yīng)力極限狀態(tài)表示的狀態(tài)方程為

式中： r3為轉(zhuǎn)軸材料剪切強度。

2.2.4鎖定機構(gòu)

對鎖緊裝置進行受力分析后， 確定裝置的主要受力零件鎖緊軸的受力為剪切應(yīng)力。鎖緊軸材料采用06Cr19Ni10， 其截面為圓形， 如圖5所示。則鎖緊軸的剪切應(yīng)力為

式中： s2為鎖緊軸剪切應(yīng)力； p2為鎖緊軸承受的剪切載荷； d為鎖緊軸截面直徑； n為剪切面數(shù)。

圖4　連桿截面圖Fig. 4　Section of connecting rod

圖5　鎖緊軸截面圖Fig. 5　Section of clamp　axis

根據(jù)應(yīng)力-強度干涉理論， 以應(yīng)力極限狀態(tài)表示的狀態(tài)方程為

式中： r4為鎖緊軸材料剪切強度。

3　釋放機構(gòu)可靠度計算

3.1設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理

為簡化計算， 假設(shè)基本隨機變量相互獨立且服從正態(tài)分布， 這是因為正態(tài)分布能反映多數(shù)零部件的實際情況， 并且即使當強度與應(yīng)力均為非正態(tài)分布時， 若采用正態(tài)分布假設(shè)， 一般將得到偏于保守的結(jié)果［1］。

3.2各部分可靠度計算

釋放機構(gòu)中任一部分發(fā)生失效， 整個機構(gòu)均不能正常工作， 因此認為釋放機構(gòu)的可靠性模型為串聯(lián)模型， 則釋放機構(gòu)的可靠度為

計算得釋放機構(gòu)可靠度約為1.000。

表1　釋放機構(gòu)各部件的參數(shù)及可靠度計算結(jié)果Table 1　Parameters and calculated reliabilities of releasing device′s components

4　計算結(jié)果分析

經(jīng)計算釋放機構(gòu)可靠度約為1.000， 而實際上該機構(gòu)的可靠度規(guī)定值為0.99， 可以看出其設(shè)計較為保守。對釋放機構(gòu)的各組件重新進行可靠性設(shè)計， 得出了當釋放機構(gòu)各組件可靠度達到0.999 9時的設(shè)計參數(shù)， 并計算出按新的設(shè)計參數(shù)計算出的機構(gòu)減少的質(zhì)量， 如表2所示。從表2可以看出， 原本各組件尺寸設(shè)計過大， 導(dǎo)致質(zhì)量的增加以及不必要的材料浪費。

表2　釋放機構(gòu)各部件的可靠性設(shè)計結(jié)果Table 2　Designed reliabilities of releasing device′s components

5　結(jié)束語

文章在基本隨機參數(shù)的概率特性已知情況下，應(yīng)用驗算點法對現(xiàn)有釋放機構(gòu)可靠度進行計算，找出釋放機構(gòu)可靠性設(shè)計的不足， 通過上述各零件可靠度分析可知， 采用可靠性設(shè)計結(jié)果與常規(guī)設(shè)計相比， 能極大的節(jié)省材料， 降低產(chǎn)品質(zhì)量，但從計算過程可知， 要保證這一高可靠度必須使材料的強度和應(yīng)力的均值、標準差保持穩(wěn)定不變，即可靠性設(shè)計的先進性是要以材料制造工藝的穩(wěn)定性及對載荷測定的準確性為前提條件。各零件的可靠性設(shè)計中還進行了敏感分析， 以便在今后的設(shè)計中注意控制那些影響顯著的參數(shù)。文中提供的可靠性分析方法對水下航行器機械零件設(shè)計的指導(dǎo)具有通用性， 可以在未來水下航行器的可靠性設(shè)計中加以應(yīng)用。

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

［2］ 張建國， 蘇多， 劉英衛(wèi). 機械產(chǎn)品可靠性分析與優(yōu)化［M］. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2008.

［3］ Hasofer A M， Lind N C. An Exact and Invariant First Order Reliability Format［J］. Journal of Engineering Mechanics， 1974， 100（EMI）： 111-121.

［4］ Zotos J. Mathematical Modeling of the Chemical， Mechanical and Physical Properties of Engineering Alloys［M］. Massachusetts Toronto： D.C. Health and Company Lexington， 1977.

（責任編輯： 陳曦）

Mechanical Reliability Analysis of Releasing Device for Underwater Vehicle

ZHOU Wei1，XUE Lai2，ZHAO Min2
（1. Navy Representative Office Stationed in Kunming 750 Test Range， Kunming 650051， China； 2. Kunming Shipborne Equipment Research & Test Center， Kunming 650051， China）

Whether an underwater vehicle can complete its mission depends on the normal operation of its releasing device. In this paper， the mechanical reliability analysis software FREET is employed to analyze the reliability of the key components of the releasing device with the JC method. The results obtained may be a reference for further design of an underwater vehicle.

underwater vehicle； mechanical reliability； releasing device； JC method

TJ630

A

1673-1948（2015）06-0410-04

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.06.003

2015-07-26；

2015-09-13.

周煒（1979-）， 男， 工程師， 研究方向為水中兵器研制過程管理方法.