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潜艇舷间舾装的精度分配

黄文华 周海波 杨飞 高长华 唐波

黄文华, 周海波, 杨飞, 等. 潜艇舷间舾装的精度分配[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(2): 84–89 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01866
引用本文: 黄文华, 周海波, 杨飞, 等. 潜艇舷间舾装的精度分配[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(2): 84–89 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01866
HUANG W H, ZHOU HB, YANG F, et al. Precision allocation of submarine outfitting between pressure and non-pressure hulls[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(2): 84–89 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01866
Citation: HUANG W H, ZHOU HB, YANG F, et al. Precision allocation of submarine outfitting between pressure and non-pressure hulls[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(2): 84–89 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01866

潜艇舷间舾装的精度分配

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01866
详细信息
    作者简介:

    黄文华,男,1972年生,研究员。研究方向:舰船总体研究与设计,工程管理

    周海波,男,1987年生,硕士,高级工程师。研究方向:舰船总体研究与设计。E-mail: zhouhaibo198712@163.com

    杨 飞,男,1978年生,研究员。研究方向:舰船总体研究与设计

    通讯作者:

    周海波

  • 中图分类号: U671.91

Precision allocation of submarine outfitting between pressure and non-pressure hulls

图(4) / 表 (1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-28
  • 修回日期:  2020-03-21
  • 网络出版日期:  2020-11-18
  • 刊出日期:  2021-04-01

潜艇舷间舾装的精度分配

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01866
    作者简介:

    黄文华,男,1972年生,研究员。研究方向:舰船总体研究与设计,工程管理

    周海波,男,1987年生,硕士,高级工程师。研究方向:舰船总体研究与设计。E-mail: zhouhaibo198712@163.com

    杨 飞,男,1978年生,研究员。研究方向:舰船总体研究与设计

    通讯作者: 周海波
  • 中图分类号: U671.91

摘要:   目的  潜艇建造是一个多工序耦合的工艺过程,随着模块化建造模式的发展,广义的“舾装”包含了材料成型、结构建造、设备管系制造安装及涂装等全流程,在设计阶段开展潜艇舾装的精度分配顶层规划,可有效影响潜艇建造工艺过程,确保潜艇总体性能。  方法  针对潜艇舷间舾装,首先提出精度分配的流程,然后对基于尺寸链的精度分配方法的内涵及其适用范围进行探讨,最后对舷间的关键项目及其精度控制对象进行识别,依据尺寸链原理方法对舾装全流程的未知精度项进行分配。  结果  得到了可满足建造精度需求的舷间舾装关键项目中未知精度项的分配值。  结论  通过研究,形成了包含材料、结构、设备、安装等广义舾装过程的精度分配流程及方法,并可用于指导潜艇舾装的各工艺环节和工艺设计。

English Abstract

黄文华, 周海波, 杨飞, 等. 潜艇舷间舾装的精度分配[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(2): 84–89 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01866
引用本文: 黄文华, 周海波, 杨飞, 等. 潜艇舷间舾装的精度分配[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(2): 84–89 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01866
HUANG W H, ZHOU HB, YANG F, et al. Precision allocation of submarine outfitting between pressure and non-pressure hulls[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(2): 84–89 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01866
Citation: HUANG W H, ZHOU HB, YANG F, et al. Precision allocation of submarine outfitting between pressure and non-pressure hulls[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(2): 84–89 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01866
    • 潜艇内安装的系统设备众多,其布置空间紧凑、安装调整量较小。而且,潜艇建造过程复杂,包括钢板成型、船体分段成型、船体合拢、设备和系统管路及电缆舾装等繁多的加工工序,且相关工序间耦合性强,上一道工序的建造精度对下一道工序质量目标的实现会造成直接影响,不可避免地会带来误差累积。因此,为使建造阶段顺利实施,避免出现无法预料的重大干涉、接口不对应等问题,在设计阶段应开展精度分配的顶层规划及设计,减少建造中可能出现的返工与调整现象,以达到控制建造周期、费用及确保潜艇总体性能的目的。

      尺寸链是机械制造行业用于制定零部件尺寸互换性原则的基本依据[1]。 运用尺寸链原理,可以清晰地阐明建造环节各变量精度间的关系,有效分配各变量尺寸和形位公差,是实施建造精度分配及其控制的基础[2]。近年来,研究人员针对船舶建造中间环节的各工序精度控制开展了研究,运用尺寸链原理在精度控制的理论计算、数据积累等方面都获得了一些成果。例如:苏振东和刘玉君等[3-4]分析研究了船体结构焊接及装配过程中的尺寸链精度分配方法; 张金国等[5]研究了船舶动力装置在安装过程中的精度分配问题,并根据历史数据,验证了尺寸链方法的合理性; 冷文军和汪家政等[6-7]对潜艇围壳内装置及大型船舶舵系的安装精度控制问题进行了研究。但是,现有研究均限于建造的局部工艺过程,而随着技术的发展,潜艇逐渐开始采用“壳、舾、涂”一体化、以中间产品为导向的模块化建造模式。相比传统的“先结构建造、后设备管路安装”模式,现行模式变化较大,建造过程中壳、舾、涂不再是一个独立的工艺过程,其间不断耦合和反复。广义的潜艇建造中“舾装”也包含材料成型、结构建造、设备管系制造安装、涂装等的全工艺流程。局部工艺过程的精度控制,通常并不能确保最终的总体精度。因此,潜艇建造过程的精度规划和控制,不能仅局限于船体结构、设备管系安装等独立过程的精度,还需对建造的全舾装工艺流程精确控制。

      本文拟以潜艇舷间舾装为例,提出精度分配的流程和方法,对舷间关键项目及其精度控制对象进行识别,并对材料、结构、设备、安装等舾装全流程中的精度项进行清理和工艺流程分析,运用尺寸链的原理方法,分配未知精度项。然后在此基础上,形成包含材料、结构、设备、安装等广义舾装过程的精度分配流程及方法,为潜艇舾装的各工艺环节及工艺设计提供指导。

    • 潜艇是一种由多专业、多系统组合的大型复杂技术装备,其全舾装流程的精度分配是一个涉及材料、结构、设备、现场安装等各专业的系统工程。潜艇舷间部位结构特殊(一般包含了双层壳体结构),不同结构间的设计参数及制造标准差异较大,且舷间空间狭小,还存在大量的通海系统管路和其他设备,是潜艇舾装过程中需要重点关注的精度控制部位。舷间舾装精度分配主要涉及了识别和清理精度分配的关键项目(例如,建造工艺环节多、牵涉面广、建造调整量少、对总体性能影响较大等的项目)、关键项目精度分配计算、精度指标总体协调校核(安装调整能力校核及迭代)、关键项目全舾装流程内所有精度分配指标的发布等,最终形成建造精度指标。在设计阶段,舷间舾装精度分配的总体工作流程如图1所示。由图可见,精度分配工作不仅是总体设计单位、总装制造单位的责任,还涉及到了全工程单位范围。

      图  1  潜艇舷间舾装精度分配的总体工作流程

      Figure 1.  Overall work process of precision allocation for submarine outfitting between pressure and non-pressure hulls

      精度控制的关键是分析舾装工艺过程的耦合关系及识别精度的控制对象(包括调整量少、精度环节多、精度不易保证等的对象),建立这些控制对象与各工艺过程精度变量耦合的尺寸链方程。尺寸链方程中各组成环与分析对象的舾装工艺环节及接口是一一对应的,组成环映射到精度指标上,对应于舾装中间环节各项建造变量的精度指标,而尺寸链方程的封闭环则对应于精度控制对象的调整能力。尺寸链方程是舾装工艺流程的显示表达,实际上是舾装工艺流程的偏差数学模型,其包含了舾装工艺过程中的各种偏差和调整环节[8]。在封闭环偏差确定的前提下,通过尺寸链关系合理分配组成环偏差,即精度分配。在识别了精度分配的关键项目后,得到潜艇舷间舾装的精度分配技术流程如图2所示。

      图  2  潜艇舷间舾装精度分配技术流程

      Figure 2.  Technical process of precision allocation for submarine outfitting between pressure and non-pressure hulls

      图2可见,精度分配是自上而下与自下而上相结合的迭代设计过程,已知精度指标的正向求解可以得到调整能力或约束要求,未知指标精度分配的反向求解可以给出偏差控制要求。鉴于工程因素的关系,组成环中通常并非只有一个精度量未知,需要参照母型、参考标准规范、结合建造能力以及试验试制情况等自上而下和自下而上反复迭代,以寻求得到更合理的可行解。

    • 根据上述分析,在识别了关键舾装项目中的精度控制对象后,通过分析全舾装工艺流程,可以明确各工艺过程中的精度变量(包括材料属性变量、结构建造变量、设备属性变量、现场安装变量等),并建立由工艺过程精度变量表达的精度控制对象方程,即尺寸链方程:

      $$Y = f({X_1},{X_2},...,{X_n})$$ (1)

      式中:$Y$为封闭环,即舾装项目的精度控制对象;${X_n}$为组成环,即各工艺过程的精度变量,下标$n$为组成环数。

      尺寸链计算方法主要包括极值法[9]、概率法等[10]。极值法考虑的是舾装工艺过程中最不利的情况,所有组成环的偏差同时达到精度的上偏差或下偏差,即每个工艺过程的精度变量均为偏差的最大值或最小值,导致封闭环达到精度偏差的最大值,即

      $${\delta _Y} = \sum\limits_{i = 0}^n {{r_i}{\delta _i}} $$ (2)

      式中:${\delta _Y}$为封闭环标准差;${\delta _i}$为组成环标准差;${r_i}$为传递系数,${r_i} = \partial f/\partial {X_i}$,其中$f$为式(1)中的尺寸链方程函数。

      然而,概率法考虑的是各组成环属于随机数据,精度同时出现上偏差或下偏差的概率极小,绝大多数精度分布模型均可采用正态分布描述,即使对于某些组成环呈现非正态分布时,也可以应用相对分布系数及分布不对称系数来折合修正并转化为正态分布[11]

      当组成环呈正态分布时,封闭环标准差与组成环标准差的关系可表示为

      $${\delta _Y} = \sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{r_i}{\delta _i}} \right)}^2}} } $$ (3)

      当组成环分布不明确时,引入可靠性系数$C$

      $$C = 1.8 - 0.8\frac{{\sqrt {\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {r_i^2\delta _i^2} } }}{{\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^n {\left| {{r_i}} \right|{\delta _i}} }}$$ (4)

      此时,封闭环标准差与组成环标准差的关系可写为

      $${\delta _Y} = C\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {{{({r_i}{\delta _i})}^2}} } $$ (5)

      其中,封闭环的上偏差$\delta _Y^ + $和下偏差$\delta _Y^ - $分别表示为:

      $$\delta _Y^ + = \sum\limits_{i = 1}^n {{r_i}{e_i} + \frac{1}{2}} C\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {r_i^2\delta _i^2} } $$ (6)
      $$\delta _Y^ - = \sum\limits_{i = 1}^n {{r_i}{e_i} - \frac{1}{2}} C\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {r_i^2\delta _i^2} } $$ (7)

      式中,${e_i} = 0.5\left( {\delta _i^ - + \delta _i^ + } \right)$,为组成环的中间偏差,其中$\delta _i^ + $为组成环的上偏差,$\delta _i^ - $为组成环的下偏差。

      根据数学原理,极值法是从最不利的情况考虑,精度分配结果较为严苛,会增加总体设计负担、工艺难度和精度控制成本,故仅适用于组成环数量较少、建造工艺流程简单、组成环间逻辑关系耦合强的潜艇舾装项目。而概率法是去除极值法求出的封闭环接近正态分布两端的尺寸,取概率较大的中间部分尺寸,故适用于建造环节多、组成环相互间关联性较弱的舾装项目精度分配计算,具有一定的概率学依据,也是工程中应用较多的尺寸链方法[5]

    • 双层圆柱壳是潜艇常用的结构形式,包含耐压壳、耐压壳肋骨、轻外壳、轻外壳肋骨等,如图3所示。为尽量减小排水量,潜艇舷间的空间较为紧凑,其中主要布置了大量的通海管系,同时为充分利用双层壳间的空间,通常其间还布置有高压空气瓶及其基座结构。由于双层壳间空间十分有限,而空气瓶属于舷间部位相对较大的设备,安装难度大、安装调整余量小,若不在设计阶段对相关精度严格规划和控制,极易导致现场高压空气瓶安装的干涉问题,会对建造周期、费用以及船体结构、高压空气系统性能产生一定的影响,所以这是舷间舾装中最主要的关键工艺项目。

      图  3  潜艇舷间空气瓶安装示意图

      Figure 3.  Diagram of air bottle installation between pressure and non-pressure hulls

      潜艇双层圆柱壳结构间安装高压空气瓶的整个舾装工艺流程如下:

      1) 耐压壳及肋骨分段结构成型;

      2) 在耐压壳肋骨上焊接空气瓶基座结构;

      3) 空气瓶基座表面加工、矫正,安装空气瓶并紧固;

      4) 轻外壳及其肋骨分段结构成型;

      5) 轻外壳及其肋骨分段结构与耐压壳肋骨焊接,确保空气瓶位于舷间内。

      根据上述舾装工艺流程分析,舷间结构建造与空气瓶安装是一个相互耦合、反复的过程,是典型的潜艇“壳、舾、涂”一体化的建造部位。其中,基座与耐压壳肋骨的焊接先于空气瓶安装,空气瓶与耐压壳肋骨的间距可通过基座结构尺寸得到保证;而轻外壳及其肋骨分段与耐压壳肋骨的焊接后于空气瓶安装,空气瓶与轻外壳肋骨的间距难以保证,二者容易发生相互干涉,导致轻外壳及其肋骨分段无法安装焊接。此外,如果空气瓶与轻外壳肋骨的间距过小,当潜艇处于高压吹除工况、轻外壳及其肋骨出现变形时,高压空气瓶将受到结构挤压,带来高压空气瓶及船体结构的安全隐患。因此,舷间空气瓶安装工艺环节作为识别出的舾装精度分配的关键项目,重点精度控制对象是空气瓶与轻外壳肋骨的间距。

      以空气瓶与轻外壳肋骨的间距$h$为封闭环,整个舾装工艺过程中精度变量涉及了结构材料、结构建造、空气瓶制造及空气瓶安装等各环节。如图4所示,由内至外对空气瓶与轻外壳肋骨间距$h$相关的组成环进行清理,得到的精度变量包括:耐压壳半径${R_1}$,耐压壳板厚${t_1}$,耐压壳肋骨组合型材的腹板高度${H_1}$,耐压壳肋骨组合型材的面板板厚${t_2}$,空气瓶基座中心与耐压壳肋骨高度${L_1}$,空气瓶安装时其中心与基座中心的定位${L_2}$,空气瓶外径${R_2}$,轻外壳半径${R_3}$,轻外壳板厚${t_3}$,轻外壳肋骨高度${H_2}$。其中,变量${L_2}$的基准值为0,故未在图4中标识。按照舷间空气瓶的布置位置关系,采用各工艺过程的精度变量表达出精度控制对象的数学方程,即封闭环尺寸链方程为

      图  4  潜艇舷间空气瓶安装工艺环节组成环示意图

      Figure 4.  Diagram of technical process composition loop in air bottle installation process between pressure and non-pressure hulls

      $$h = {R_3} - {t_3} - {H_2} - {R_1} - {t_1} - {H_1} - {t_2} - {L_1} - {L_2} - {R_2}$$ (8)

      式(8)所示尺寸链方程较为简单,为直线尺寸链,即各组成环的传递系数${r_i}$均为1或−1。但组成环的数量较多,包括了成品板材的厚度、标准型材的高度、圆柱壳加工成型、组合型材加工成型、结构件下料及焊接、设备制造、设备安装等,基本涵盖了潜艇舾装环节中成品材料采购、设备制造、结构加工、设备安装等对精度有较大影响的所有环节。根据有关标准规范及以往的建造、生产经验,逐项清理封闭环和各组成环的基准值及其上、下偏差,如表1所示。

      表 1  封闭环和组成环的基准值及上、下偏差

      Table 1.  Benchmark values and upper-lower deviations of closed loop and composition loop

      参数基准值/mm偏差/mm偏差依据
      上偏差下偏差
      $h$10020−20根据以往的建造经验,确保
      不影响总体性能的偏差值
      ${R_3}$4 00010−10GJB 3542-1999[12]
      ${t_3}$5+0.5−0.5参照钢厂供货条件
      ${H_2}$1001.2−1.2GB/T 9945-2001[13]
      ${R_1}$3 0007.75−7.75GJB 3542-1999[12]
      ${t_1}$251−0.5参照钢厂供货条件
      ${H_1}$2502−5GJB 3542-1999[10]
      ${t_2}$201−0.5参照钢厂供货条件
      ${L_1}$3005−5GJB 3542-1999[10]
      ${L_2}$0待分配待分配未知
      ${R_2}$200待分配待分配未知

      表1结果可知,即使不考虑未知的2个组成环偏差,根据已有的各组成环偏差,按照式(2)采用极值法计算,可得到封闭环的上、下偏差分别为30.45和−28.45 mm,这两个值已远超封闭环可接受的偏差值。若按照极值法分配精度,则必须在舷间设计时增加空气瓶与轻外壳的理论间距,提高其偏差调整能力,或者建造时对各组成环偏差提出更严苛、远超过标准和现有偏差调整能力的要求。因此,这将给潜艇总体设计和建造带来极大的负担,造成精度浪费。鉴于空气瓶舾装工艺过程的组成环数量多、相互间的关联性较弱,本文采用组成环分布不明确的概率法对精度进行了分配计算。

      对于本文精度分配对象,尚有2项组成环变量的偏差未知,而根据封闭环偏差对组成环偏差进行精度分配是一个非唯一解的过程。精度分配时,可采用等精度法这种简单的方法,即认为未知组成环的偏差相等而对其进行平均分配,但此方法仅适用于未知组成环的基准尺寸相差不大、工艺难度基本相似的情况[4]。为确保分配的合理性,本文根据图2所示技术流程,经与设备生产单位、总装制造单位进行多轮沟通,并借鉴机械制造等领域的相关标准,在假定的空气瓶中心安装定位、空气瓶半径偏差值的前提下,根据式(4)~式(7)对封闭环的偏差反复迭代计算,确保达到±20 mm。根据迭代结果,当组成环${L_2}$的上、下偏差分别为1.5和0 mm,而${R_2}$的上、下偏差分别为0.5和0 mm时,封闭环的偏差可以满足±20 mm精度要求,且分配的2项组成环精度偏差满足相关单位的工艺需求。基于以上工作,制定了舷间空气瓶舾装全过程中所有组成环变量的理论设计基准值及建造偏差值,包含成品材料采购、设备制造、结构加工、设备安装等各环节,可用于指导整个舷间空气瓶舾装工艺过程。

      此外,由于概率法是基于各组成环同时发生最大偏差概率极小的考虑,所以还需在舾装的中间环节加强精度管理控制,及时预警并反馈到上一道工序,避免出现组成环偏差极值的现象。

    • 本文针对潜艇舷间舾装精度分配问题,讨论了关键工艺项目及其精度控制对象的识别,提出了基于尺寸链原理方法的精度分配迭代设计流程,并对舷间空气瓶舾装开展了工艺流程分析、工艺过程精度变量清理以及未知精度项的分配,得到了可满足总体精度要求且工艺上可行的精度分配值,形成了包含材料、结构、设备、安装等全舾装过程的精度分配流程及方法,可推广应用于潜艇各关键部位舾装的精度控制。此外,精度分配结果作为总体设计单位的设计输出,也可作为总装制造单位生产订货、工艺设计及现场验收的依据,以此确保潜艇的建造精度。

参考文献 (13)

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