潛艇舷間舾裝的精度分配

黃文華，周海波，楊飛，高長(zhǎng)華，唐波

武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205

0 引 言

潛艇內(nèi)安裝的系統(tǒng)設(shè)備眾多，其布置空間緊湊、安裝調(diào)整量較小。而且，潛艇建造過(guò)程復(fù)雜，包括鋼板成型、船體分段成型、船體合攏、設(shè)備和系統(tǒng)管路及電纜舾裝等繁多的加工工序，且相關(guān)工序間耦合性強(qiáng)，上一道工序的建造精度對(duì)下一道工序質(zhì)量目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)會(huì)造成直接影響，不可避免地會(huì)帶來(lái)誤差累積。因此，為使建造階段順利實(shí)施，避免出現(xiàn)無(wú)法預(yù)料的重大干涉、接口不對(duì)應(yīng)等問(wèn)題，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)開(kāi)展精度分配的頂層規(guī)劃及設(shè)計(jì)，減少建造中可能出現(xiàn)的返工與調(diào)整現(xiàn)象，以達(dá)到控制建造周期、費(fèi)用及確保潛艇總體性能的目的。

尺寸鏈?zhǔn)菣C(jī)械制造行業(yè)用于制定零部件尺寸互換性原則的基本依據(jù)[1]。 運(yùn)用尺寸鏈原理，可以清晰地闡明建造環(huán)節(jié)各變量精度間的關(guān)系，有效分配各變量尺寸和形位公差，是實(shí)施建造精度分配及其控制的基礎(chǔ)[2]。近年來(lái)，研究人員針對(duì)船舶建造中間環(huán)節(jié)的各工序精度控制開(kāi)展了研究，運(yùn)用尺寸鏈原理在精度控制的理論計(jì)算、數(shù)據(jù)積累等方面都獲得了一些成果。例如：蘇振東和劉玉君等[3-4]分析研究了船體結(jié)構(gòu)焊接及裝配過(guò)程中的尺寸鏈精度分配方法； 張金國(guó)等[5]研究了船舶動(dòng)力裝置在安裝過(guò)程中的精度分配問(wèn)題，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了尺寸鏈方法的合理性；冷文軍和汪家政等[6-7]對(duì)潛艇圍殼內(nèi)裝置及大型船舶舵系的安裝精度控制問(wèn)題進(jìn)行了研究。但是，現(xiàn)有研究均限于建造的局部工藝過(guò)程，而隨著技術(shù)的發(fā)展，潛艇逐漸開(kāi)始采用“殼、舾、涂”一體化、以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向的模塊化建造模式。相比傳統(tǒng)的“先結(jié)構(gòu)建造、后設(shè)備管路安裝”模式，現(xiàn)行模式變化較大，建造過(guò)程中殼、舾、涂不再是一個(gè)獨(dú)立的工藝過(guò)程，其間不斷耦合和反復(fù)。廣義的潛艇建造中“舾裝”也包含材料成型、結(jié)構(gòu)建造、設(shè)備管系制造安裝、涂裝等的全工藝流程。局部工藝過(guò)程的精度控制，通常并不能確保最終的總體精度。因此，潛艇建造過(guò)程的精度規(guī)劃和控制，不能僅局限于船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備管系安裝等獨(dú)立過(guò)程的精度，還需對(duì)建造的全舾裝工藝流程精確控制。

本文擬以潛艇舷間舾裝為例，提出精度分配的流程和方法，對(duì)舷間關(guān)鍵項(xiàng)目及其精度控制對(duì)象進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、安裝等舾裝全流程中的精度項(xiàng)進(jìn)行清理和工藝流程分析，運(yùn)用尺寸鏈的原理方法，分配未知精度項(xiàng)。然后在此基礎(chǔ)上，形成包含材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、安裝等廣義舾裝過(guò)程的精度分配流程及方法，為潛艇舾裝的各工藝環(huán)節(jié)及工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 潛艇舷間舾裝的精度分配流程分析

潛艇是一種由多專(zhuān)業(yè)、多系統(tǒng)組合的大型復(fù)雜技術(shù)裝備，其全舾裝流程的精度分配是一個(gè)涉及材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)安裝等各專(zhuān)業(yè)的系統(tǒng)工程。潛艇舷間部位結(jié)構(gòu)特殊（一般包含了雙層殼體結(jié)構(gòu)），不同結(jié)構(gòu)間的設(shè)計(jì)參數(shù)及制造標(biāo)準(zhǔn)差異較大，且舷間空間狹小，還存在大量的通海系統(tǒng)管路和其他設(shè)備，是潛艇舾裝過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的精度控制部位。舷間舾裝精度分配主要涉及了識(shí)別和清理精度分配的關(guān)鍵項(xiàng)目（例如，建造工藝環(huán)節(jié)多、牽涉面廣、建造調(diào)整量少、對(duì)總體性能影響較大等的項(xiàng)目）、關(guān)鍵項(xiàng)目精度分配計(jì)算、精度指標(biāo)總體協(xié)調(diào)校核（安裝調(diào)整能力校核及迭代）、關(guān)鍵項(xiàng)目全舾裝流程內(nèi)所有精度分配指標(biāo)的發(fā)布等，最終形成建造精度指標(biāo)。在設(shè)計(jì)階段，舷間舾裝精度分配的總體工作流程如圖1所示。由圖可見(jiàn)，精度分配工作不僅是總體設(shè)計(jì)單位、總裝制造單位的責(zé)任，還涉及到了全工程單位范圍。

圖1 潛艇舷間舾裝精度分配的總體工作流程Fig. 1 Overall work process of precision allocation for submarine outfitting between pressure and non-pressure hulls

精度控制的關(guān)鍵是分析舾裝工藝過(guò)程的耦合關(guān)系及識(shí)別精度的控制對(duì)象（包括調(diào)整量少、精度環(huán)節(jié)多、精度不易保證等的對(duì)象），建立這些控制對(duì)象與各工藝過(guò)程精度變量耦合的尺寸鏈方程。尺寸鏈方程中各組成環(huán)與分析對(duì)象的舾裝工藝環(huán)節(jié)及接口是一一對(duì)應(yīng)的，組成環(huán)映射到精度指標(biāo)上，對(duì)應(yīng)于舾裝中間環(huán)節(jié)各項(xiàng)建造變量的精度指標(biāo)，而尺寸鏈方程的封閉環(huán)則對(duì)應(yīng)于精度控制對(duì)象的調(diào)整能力。尺寸鏈方程是舾裝工藝流程的顯示表達(dá)，實(shí)際上是舾裝工藝流程的偏差數(shù)學(xué)模型，其包含了舾裝工藝過(guò)程中的各種偏差和調(diào)整環(huán)節(jié)[8]。在封閉環(huán)偏差確定的前提下，通過(guò)尺寸鏈關(guān)系合理分配組成環(huán)偏差，即精度分配。在識(shí)別了精度分配的關(guān)鍵項(xiàng)目后，得到潛艇舷間舾裝的精度分配技術(shù)流程如圖2 所示。

圖2 潛艇舷間舾裝精度分配技術(shù)流程Fig. 2 Technical process of precision allocation for submarine outfitting between pressure and non-pressure hulls

由圖2 可見(jiàn)，精度分配是自上而下與自下而上相結(jié)合的迭代設(shè)計(jì)過(guò)程，已知精度指標(biāo)的正向求解可以得到調(diào)整能力或約束要求，未知指標(biāo)精度分配的反向求解可以給出偏差控制要求。鑒于工程因素的關(guān)系，組成環(huán)中通常并非只有一個(gè)精度量未知，需要參照母型、參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、結(jié)合建造能力以及試驗(yàn)試制情況等自上而下和自下而上反復(fù)迭代，以尋求得到更合理的可行解。

2 基于尺寸鏈的精度分配方法及其適用范圍分析

根據(jù)上述分析，在識(shí)別了關(guān)鍵舾裝項(xiàng)目中的精度控制對(duì)象后，通過(guò)分析全舾裝工藝流程，可以明確各工藝過(guò)程中的精度變量（包括材料屬性變量、結(jié)構(gòu)建造變量、設(shè)備屬性變量、現(xiàn)場(chǎng)安裝變量等），并建立由工藝過(guò)程精度變量表達(dá)的精度控制對(duì)象方程，即尺寸鏈方程：

尺寸鏈計(jì)算方法主要包括極值法[9]、概率法等[10]。極值法考慮的是舾裝工藝過(guò)程中最不利的情況，所有組成環(huán)的偏差同時(shí)達(dá)到精度的上偏差或下偏差，即每個(gè)工藝過(guò)程的精度變量均為偏差的最大值或最小值，導(dǎo)致封閉環(huán)達(dá)到精度偏差的最大值，即

式中： δY為封閉環(huán)標(biāo)準(zhǔn)差； δi為組成環(huán)標(biāo)準(zhǔn)差；ri為傳遞系數(shù)，ri=?f/?Xi， 其中f為式（1）中的尺寸鏈方程函數(shù)。

然而，概率法考慮的是各組成環(huán)屬于隨機(jī)數(shù)據(jù)，精度同時(shí)出現(xiàn)上偏差或下偏差的概率極小，絕大多數(shù)精度分布模型均可采用正態(tài)分布描述，即使對(duì)于某些組成環(huán)呈現(xiàn)非正態(tài)分布時(shí)，也可以應(yīng)用相對(duì)分布系數(shù)及分布不對(duì)稱(chēng)系數(shù)來(lái)折合修正并轉(zhuǎn)化為正態(tài)分布[11]。

當(dāng)組成環(huán)呈正態(tài)分布時(shí)，封閉環(huán)標(biāo)準(zhǔn)差與組成環(huán)標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系可表示為

此時(shí)，封閉環(huán)標(biāo)準(zhǔn)差與組成環(huán)標(biāo)準(zhǔn)差的關(guān)系可寫(xiě)為

根據(jù)數(shù)學(xué)原理，極值法是從最不利的情況考慮，精度分配結(jié)果較為嚴(yán)苛，會(huì)增加總體設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)、工藝難度和精度控制成本，故僅適用于組成環(huán)數(shù)量較少、建造工藝流程簡(jiǎn)單、組成環(huán)間邏輯關(guān)系耦合強(qiáng)的潛艇舾裝項(xiàng)目。而概率法是去除極值法求出的封閉環(huán)接近正態(tài)分布兩端的尺寸，取概率較大的中間部分尺寸，故適用于建造環(huán)節(jié)多、組成環(huán)相互間關(guān)聯(lián)性較弱的舾裝項(xiàng)目精度分配計(jì)算，具有一定的概率學(xué)依據(jù)，也是工程中應(yīng)用較多的尺寸鏈方法[5]。

3 潛艇舷間舾裝關(guān)鍵項(xiàng)目識(shí)別及精度分配

雙層圓柱殼是潛艇常用的結(jié)構(gòu)形式，包含耐壓殼、耐壓殼肋骨、輕外殼、輕外殼肋骨等，如圖3所示。為盡量減小排水量，潛艇舷間的空間較為緊湊，其中主要布置了大量的通海管系，同時(shí)為充分利用雙層殼間的空間，通常其間還布置有高壓空氣瓶及其基座結(jié)構(gòu)。由于雙層殼間空間十分有限，而空氣瓶屬于舷間部位相對(duì)較大的設(shè)備，安裝難度大、安裝調(diào)整余量小，若不在設(shè)計(jì)階段對(duì)相關(guān)精度嚴(yán)格規(guī)劃和控制，極易導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)高壓空氣瓶安裝的干涉問(wèn)題，會(huì)對(duì)建造周期、費(fèi)用以及船體結(jié)構(gòu)、高壓空氣系統(tǒng)性能產(chǎn)生一定的影響，所以這是舷間舾裝中最主要的關(guān)鍵工藝項(xiàng)目。

圖3 潛艇舷間空氣瓶安裝示意圖Fig. 3 Diagram of air bottle installation between pressure and nonpressure hulls

潛艇雙層圓柱殼結(jié)構(gòu)間安裝高壓空氣瓶的整個(gè)舾裝工藝流程如下：

1） 耐壓殼及肋骨分段結(jié)構(gòu)成型；

2） 在耐壓殼肋骨上焊接空氣瓶基座結(jié)構(gòu)；

3） 空氣瓶基座表面加工、矯正，安裝空氣瓶并緊固；

4） 輕外殼及其肋骨分段結(jié)構(gòu)成型；

5） 輕外殼及其肋骨分段結(jié)構(gòu)與耐壓殼肋骨焊接，確?？諝馄课挥谙祥g內(nèi)。

根據(jù)上述舾裝工藝流程分析，舷間結(jié)構(gòu)建造與空氣瓶安裝是一個(gè)相互耦合、反復(fù)的過(guò)程，是典型的潛艇“殼、舾、涂”一體化的建造部位。其中，基座與耐壓殼肋骨的焊接先于空氣瓶安裝，空氣瓶與耐壓殼肋骨的間距可通過(guò)基座結(jié)構(gòu)尺寸得到保證；而輕外殼及其肋骨分段與耐壓殼肋骨的焊接后于空氣瓶安裝，空氣瓶與輕外殼肋骨的間距難以保證，二者容易發(fā)生相互干涉，導(dǎo)致輕外殼及其肋骨分段無(wú)法安裝焊接。此外，如果空氣瓶與輕外殼肋骨的間距過(guò)小，當(dāng)潛艇處于高壓吹除工況、輕外殼及其肋骨出現(xiàn)變形時(shí)，高壓空氣瓶將受到結(jié)構(gòu)擠壓，帶來(lái)高壓空氣瓶及船體結(jié)構(gòu)的安全隱患。因此，舷間空氣瓶安裝工藝環(huán)節(jié)作為識(shí)別出的舾裝精度分配的關(guān)鍵項(xiàng)目，重點(diǎn)精度控制對(duì)象是空氣瓶與輕外殼肋骨的間距。

以空氣瓶與輕外殼肋骨的間距h為封閉環(huán)，整個(gè)舾裝工藝過(guò)程中精度變量涉及了結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)建造、空氣瓶制造及空氣瓶安裝等各環(huán)節(jié)。如圖4 所示，由內(nèi)至外對(duì)空氣瓶與輕外殼肋骨間距h相關(guān)的組成環(huán)進(jìn)行清理，得到的精度變量包括：耐壓殼半徑R1， 耐壓殼板厚t1，耐壓殼肋骨組合型材的腹板高度H1，耐壓殼肋骨組合型材的面板板厚t2， 空氣瓶基座中心與耐壓殼肋骨高度L1，空氣瓶安裝時(shí)其中心與基座中心的定位L2，空氣瓶外徑R2， 輕外殼半徑R3， 輕外殼板厚t3，輕外殼肋骨高度H2。其中，變量L2的基準(zhǔn)值為0，故未在圖4中標(biāo)識(shí)。按照舷間空氣瓶的布置位置關(guān)系，采用各工藝過(guò)程的精度變量表達(dá)出精度控制對(duì)象的數(shù)學(xué)方程，即封閉環(huán)尺寸鏈方程為

圖4 潛艇舷間空氣瓶安裝工藝環(huán)節(jié)組成環(huán)示意圖Fig. 4 Diagram of technical process composition loop in air bottle installation process between pressure and non-pressure hulls

式（8）所示尺寸鏈方程較為簡(jiǎn)單，為直線尺寸鏈，即各組成環(huán)的傳遞系數(shù)ri均為1 或?1。但組成環(huán)的數(shù)量較多，包括了成品板材的厚度、標(biāo)準(zhǔn)型材的高度、圓柱殼加工成型、組合型材加工成型、結(jié)構(gòu)件下料及焊接、設(shè)備制造、設(shè)備安裝等，基本涵蓋了潛艇舾裝環(huán)節(jié)中成品材料采購(gòu)、設(shè)備制造、結(jié)構(gòu)加工、設(shè)備安裝等對(duì)精度有較大影響的所有環(huán)節(jié)。根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及以往的建造、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，逐項(xiàng)清理封閉環(huán)和各組成環(huán)的基準(zhǔn)值及其上、下偏差，如表1 所示。

表1 封閉環(huán)和組成環(huán)的基準(zhǔn)值及上、下偏差Table 1 Benchmark values and upper-lower deviations of closed loop and composition loop

由表1 結(jié)果可知，即使不考慮未知的2 個(gè)組成環(huán)偏差，根據(jù)已有的各組成環(huán)偏差，按照式（2）采用極值法計(jì)算，可得到封閉環(huán)的上、下偏差分別為30.45 和?28.45 mm，這兩個(gè)值已遠(yuǎn)超封閉環(huán)可接受的偏差值。若按照極值法分配精度，則必須在舷間設(shè)計(jì)時(shí)增加空氣瓶與輕外殼的理論間距，提高其偏差調(diào)整能力，或者建造時(shí)對(duì)各組成環(huán)偏差提出更嚴(yán)苛、遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)有偏差調(diào)整能力的要求。因此，這將給潛艇總體設(shè)計(jì)和建造帶來(lái)極大的負(fù)擔(dān)，造成精度浪費(fèi)。鑒于空氣瓶舾裝工藝過(guò)程的組成環(huán)數(shù)量多、相互間的關(guān)聯(lián)性較弱，本文采用組成環(huán)分布不明確的概率法對(duì)精度進(jìn)行了分配計(jì)算。

對(duì)于本文精度分配對(duì)象，尚有2 項(xiàng)組成環(huán)變量的偏差未知，而根據(jù)封閉環(huán)偏差對(duì)組成環(huán)偏差進(jìn)行精度分配是一個(gè)非唯一解的過(guò)程。精度分配時(shí)，可采用等精度法這種簡(jiǎn)單的方法，即認(rèn)為未知組成環(huán)的偏差相等而對(duì)其進(jìn)行平均分配，但此方法僅適用于未知組成環(huán)的基準(zhǔn)尺寸相差不大、工藝難度基本相似的情況[4]。為確保分配的合理性，本文根據(jù)圖2 所示技術(shù)流程，經(jīng)與設(shè)備生產(chǎn)單位、總裝制造單位進(jìn)行多輪溝通，并借鑒機(jī)械制造等領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在假定的空氣瓶中心安裝定位、空氣瓶半徑偏差值的前提下，根據(jù)式（4）～式（7）對(duì)封閉環(huán)的偏差反復(fù)迭代計(jì)算，確保達(dá)到±20 mm。根據(jù)迭代結(jié)果，當(dāng)組成環(huán)L2的上、下偏差分別為1.5 和0 mm，而R2的上、下偏差分別為0.5和0 mm 時(shí)，封閉環(huán)的偏差可以滿足±20 mm 精度要求，且分配的2 項(xiàng)組成環(huán)精度偏差滿足相關(guān)單位的工藝需求?；谝陨瞎ぷ鳎贫讼祥g空氣瓶舾裝全過(guò)程中所有組成環(huán)變量的理論設(shè)計(jì)基準(zhǔn)值及建造偏差值，包含成品材料采購(gòu)、設(shè)備制造、結(jié)構(gòu)加工、設(shè)備安裝等各環(huán)節(jié)，可用于指導(dǎo)整個(gè)舷間空氣瓶舾裝工藝過(guò)程。

此外，由于概率法是基于各組成環(huán)同時(shí)發(fā)生最大偏差概率極小的考慮，所以還需在舾裝的中間環(huán)節(jié)加強(qiáng)精度管理控制，及時(shí)預(yù)警并反饋到上一道工序，避免出現(xiàn)組成環(huán)偏差極值的現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)潛艇舷間舾裝精度分配問(wèn)題，討論了關(guān)鍵工藝項(xiàng)目及其精度控制對(duì)象的識(shí)別，提出了基于尺寸鏈原理方法的精度分配迭代設(shè)計(jì)流程，并對(duì)舷間空氣瓶舾裝開(kāi)展了工藝流程分析、工藝過(guò)程精度變量清理以及未知精度項(xiàng)的分配，得到了可滿足總體精度要求且工藝上可行的精度分配值，形成了包含材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備、安裝等全舾裝過(guò)程的精度分配流程及方法，可推廣應(yīng)用于潛艇各關(guān)鍵部位舾裝的精度控制。此外，精度分配結(jié)果作為總體設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)輸出，也可作為總裝制造單位生產(chǎn)訂貨、工藝設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收的依據(jù)，以此確保潛艇的建造精度。