基于ADAMS優(yōu)化設(shè)計的某潛艇用流水孔啟閉裝置

李維嘉，江濤，蔡斌，王波

1 華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢430074

2 中國人民解放軍92267 部隊，山東 青島266032

0 引 言

潛艇的上浮與下潛是通過艇內(nèi)壓載水艙的注、排水實現(xiàn)的。當潛艇下潛時，外界的海水經(jīng)由流水孔進入潛艇非水密結(jié)構(gòu)內(nèi)部，同時潛艇非水密結(jié)構(gòu)內(nèi)部和主壓載水艙內(nèi)的空氣經(jīng)流水孔排出艇外；上浮時，非水密結(jié)構(gòu)內(nèi)的海水由流水孔排出艇外。帶有打開/關(guān)閉流水孔蓋板的啟閉機構(gòu)，是潛艇上至關(guān)重要的設(shè)備，其性能好壞對潛艇的快速性、隱身性等作戰(zhàn)性能的影響非常大［1］。

不帶蓋板啟閉機構(gòu)的流水孔，對潛艇的水下航行阻力影響明顯。流體力學計算和實驗結(jié)果表明，當潛艇處于水下航行狀態(tài)時，艇體上一個流水孔的阻力是同樣尺寸平板的4～5 倍。同時流水孔也影響潛艇的隱身性能，當潛艇處于水下狀態(tài)時，上層建筑等自由浸水空間內(nèi)部的海水與外面的海水是自由連通的，航行時海水通過流水孔不斷流進和流出會產(chǎn)生水流波動，甚至產(chǎn)生漩渦。這種漩渦可能會與潛艇液艙或者潛艇內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)發(fā)生共振現(xiàn)象，不僅產(chǎn)生阻力、增加潛艇推進能量的損耗，而且還會發(fā)出噪聲、降低潛艇的聲隱身性能。在特別嚴重的情況下，共振將導致潛艇結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂。

本文研究的對象是一種可以通過潛艇的潛浮深度變化自主控制流水孔蓋板打開/關(guān)閉的啟閉機構(gòu)。當潛艇上浮至距水面20 m 時，啟閉機構(gòu)準備開啟流水孔蓋板，距水面10 m 時，完全開啟流水孔蓋板；下潛時反之。該機構(gòu)的優(yōu)點在于不利用其他能源，只利用海水壓力的變化來使流水孔達到自動啟閉的功能。本文將在分析潛艇流水孔啟閉機構(gòu)運動學原理的基礎(chǔ)上，得出傳力比函數(shù)，確定優(yōu)化目標。基于虛擬樣機技術(shù)［2］，運用ADAMS軟件建立流水孔啟閉機構(gòu)的動力學模型，并進行運動學和動力學分析。在動力學分析的基礎(chǔ)上，運用局部靈敏度理論找出敏感點，并定義敏感度高的連桿為設(shè)計變量，運用軟件的優(yōu)化設(shè)計功能對連桿機構(gòu)進行優(yōu)化，確保機構(gòu)受力平穩(wěn)，蓋板開啟過程平緩。在仿真優(yōu)化過程中，考慮到制造精度、實艇上裝配誤差等因素的影響，添加相應(yīng)的約束條件，進行再次優(yōu)化，并將兩次優(yōu)化結(jié)果與原設(shè)計方案進行對比，以證明優(yōu)化結(jié)果明顯優(yōu)于原始方案。

1 機構(gòu)運動原理和優(yōu)化目標的確立

1.1 裝置結(jié)構(gòu)原理

圖1 為流水孔啟閉裝置結(jié)構(gòu)原理圖，可將該裝置看成是一套連桿運動副機構(gòu)，柱塞式海水液壓缸為原動件，蓋板為驅(qū)動件。當潛艇處于水面時，海水液壓缸的柱塞在缸內(nèi)壓縮彈簧的作用下伸出，并帶動連桿機構(gòu)使流水孔蓋板打開。當潛艇下潛時，柱塞在海水壓力的作用下，通過克服缸內(nèi)彈簧的作用力和密封材料的摩擦力，逐步縮回到缸內(nèi)，同時帶動連桿機構(gòu)運動，使蓋板逐步關(guān)閉流水孔；當潛艇繼續(xù)下潛至要求深度時，柱塞全部縮回到缸內(nèi)，流水孔被蓋板完全關(guān)閉，此時，流水孔對潛艇的水下運動性能幾乎沒有影響。當潛艇上浮到一定深度時，隨著海水壓力的減小，柱塞在缸內(nèi)彈簧力的作用下伸出，通過連桿機構(gòu)逐步帶動流水孔蓋板打開，直至完全開啟蓋板，為非水密結(jié)構(gòu)內(nèi)海水的排出做好準備。從上文的描述可以看出，流水孔蓋板何時完全開啟或關(guān)閉，取決于缸內(nèi)彈簧力的大小和潛艇的下潛深度。缸內(nèi)彈簧力設(shè)定得愈小，潛艇就可以在較小的下潛深度下完全關(guān)閉流水孔蓋板，提高潛艇的機動范圍。但是，如果缸內(nèi)彈簧力設(shè)定得過小，當潛艇上浮到一定深度時，可能無法按要求順利打開流水孔蓋板，這將影響到潛艇的安全。因此，通過流水孔啟閉裝置運動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，在可靠、安全的原則下減小柱塞海水液壓缸彈簧力的設(shè)定值非常重要。

圖1 潛艇流水孔啟閉裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of on-and-off device in a submarine

1.2 機構(gòu)運動學分析

為確定其優(yōu)化目標，先分析機構(gòu)的運動學原理，確定輸入輸出關(guān)系。本裝置可簡化為如圖2所示的雙四連桿機構(gòu)［3］。各連桿的定義如下：l1為柱塞缸的有效工作連桿，隨著缸內(nèi)彈簧力與海水壓力之間的平衡關(guān)系，連桿的長度會發(fā)生改變；l6為流水孔蓋板上兩個鉸接點間的等效連桿；l2和l5為2 個過渡連桿，2 個過渡連桿通過繞固定點轉(zhuǎn)動的三角板鉸接連接起來；l3為固定點至與l2鉸接點之間的等效連桿；l4為固定點至與l5鉸接點之間的等效連桿（為彌補施工過程中出現(xiàn)的安裝誤差，l4的長度可進行微調(diào)）；l0和l7可分別看作虛置的2 臺機架；L 為兩安裝基座間的水平距離。為敘述方便，下面將連桿代號也視為連桿長度。連桿之間夾角的定義如圖2 所示，其中θ6為流水孔啟閉裝置的啟閉角。

圖2 裝置簡化結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Simplified structure of the device

雙四連桿機構(gòu)的第1 部分由l0，l1，l2和l3組成，輸入為角θ1，輸出為角θ3；第2 部分由l4，l5，l6和l7組成，輸入為角θ4，輸出為角θ6；兩部分通過三角板連接起來，角θ3與角θ4之間的角度差為常量。因此，流水孔啟閉裝置的輸入為角θ1，輸出為角θ6。第1 部分的連桿長度與轉(zhuǎn)動角度之間有如下方程組：

令a=-l0+l1cos θ1，b=l1sin θ1，將 式（1）與式（2）平方后相加得

l3的輸出角θ3與l4的輸入角θ4之間存在固定角度差：

當機構(gòu)各尺寸參數(shù)已確定時，α 為常數(shù)。

同理，可得第2 部分的連桿長度與轉(zhuǎn)動角度之間的方程組：

令c=-l7+l4cos θ4，d=l4sin θ4，將式（6）與式（7）平方后相加得

式（4）、式（5）和式（9）給出了機構(gòu)輸出角與輸入角以及各連桿長度之間的關(guān)系，它們?yōu)閱㈤]機構(gòu)的運動傳遞函數(shù)。

根據(jù)上述推導過程，在不考慮密封摩擦力、鉸鏈摩擦力影響的情況下，可以找出機構(gòu)的傳力比，即海水液壓缸輸出力F 與使流水孔蓋板關(guān)閉的力矩M 之間的關(guān)系：

該機構(gòu)的傳力比為

傳力比的量綱為mm，是一個變量。它的值不僅與連桿的設(shè)定值有關(guān)，而且與工作過程中各個連桿的夾角有關(guān)。

為了盡可能減小輸出力F，傳力比應(yīng)盡可能大；為了使啟閉裝置工作平穩(wěn)，傳力比在工作過程中的波動愈小愈好。

上述為理想優(yōu)化目標。用ADAMS 軟件進行機構(gòu)優(yōu)化時，只能設(shè)定具體的參量，例如力、速度等為優(yōu)化目標進行優(yōu)化計算。因此，本機構(gòu)的優(yōu)化對象就需要轉(zhuǎn)換成一個參量。在不考慮摩擦損耗的條件下，由功率平衡得

式中：v 為海水液壓缸柱塞的運動速度；w 為流水孔蓋板的翻轉(zhuǎn)速度。由于開啟角度的變化范圍為30°，M 值的變化不大，因而等式右邊的變化就很小。若設(shè)置v和F其中一個為恒量，優(yōu)化另一個變量的值，使其在整個過程中盡量平穩(wěn)而且盡可能小，則可以滿足傳力比大且力的波動小的設(shè)計要求。

2 基于ADAMS 的建模及優(yōu)化

2.1 ADAMS 建模

根據(jù)潛艇流水孔啟閉裝置結(jié)構(gòu)圖，運用CAD軟件繪制連桿機構(gòu)的運動示意簡圖，并標出各點的位置坐標，如圖3 所示。其中：AB 為流水孔蓋板簡化而來；BC，CDE，EF 為中間傳遞運動的連桿，D點固定在一個支座上；FG 是驅(qū)動缸，為原動件。

按照上述坐標，在ADAMS/View 模塊下創(chuàng)建7個點Point_A～Point_G 并添加相應(yīng)的約束副，其中Point_A～Point_F 為轉(zhuǎn)動副，Point_G 為移動副，最后，將Point_A，Point_D 與大地（ground）連接，并在G 點創(chuàng)建運動驅(qū)動，建立流水孔啟閉裝置運動機構(gòu)的虛擬樣機模型［4］，如圖4 所示。

2.2 優(yōu)化變量的選取

圖3 ADAMS 建模圖坐標示意圖Fig.3 Coordinates of the model using ADAMS

圖4 ADAMS 模型Fig.4 ADAMS models

優(yōu)化分析是ADAMS/View 提供的一種高級參數(shù)化計算、分析工具。在設(shè)定的變化范圍內(nèi)，通過分析程序自動調(diào)整設(shè)計變量，求取最佳設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計方法有2 種：第1 種是同時考慮各個設(shè)計變量，進行仿真分析，得出優(yōu)化結(jié)果，該方法在設(shè)計變量較少時適用；第2 種是先分別對每個設(shè)計變量進行優(yōu)化靈敏度分析，選取靈敏度最高，即對設(shè)計影響最大的幾個變量進行調(diào)整，得出優(yōu)化結(jié)果，該方法在設(shè)計變量較多時適用。本機構(gòu)除去A 點與D 點為固定點外，其余5 個點的x，y 坐標一共10個變量，數(shù)量較多，故采用第2 種優(yōu)化方法［5］。

借助ADAMS 軟件內(nèi)置的優(yōu)化分析功能，對上述點進行靈敏度分析，得出對整個機構(gòu)運動性能影響最大的為C 點與E 點，如表1 所示。

故根據(jù)局部靈敏度理論［6］，只對C，E 兩點的橫坐標以及縱坐標設(shè)計4 個變量進行優(yōu)化即可。

2.3 優(yōu)化計算

根據(jù)運動學分析結(jié)果，建立一個Measure，測量AB 旋轉(zhuǎn)過的角度，即輸出角θ6。為便于比較，設(shè)定柱塞缸，即連桿FG 以恒定速度運動，模擬潛艇在水下勻速上浮過程中開啟蓋板。取G 點移動副受力JOINT_7_MEA_1 為測量變量，設(shè)定其最大值盡可能小為優(yōu)化目標，設(shè)置約束條件CON?STRAINT_1 為輸出角α ≥30°（蓋板開啟角度不小于30°），編寫功能函數(shù)（30-MEA_ANGLE_1），變量選擇為DV_1～DV_4，采用序列二次（向前差分）規(guī)劃法［7］進行優(yōu)化計算。

表1 靈敏度分析結(jié)果Tab.1 Sensitivity analysis results

其變量優(yōu)化結(jié)果如下：

DV_1＝404.64；

DV_2＝241.75；

DV_3＝808.36；

DV_4＝358.07。

對應(yīng)的桿長及其曲柄角度變化如表2 所示。

優(yōu)化前與優(yōu)化后G 點受力曲線如圖5 所示。

圖5 優(yōu)化前后G 點受力曲線對比圖Fig.5 Comparison of stresses at point G before and after optimization

由于在開啟過程中，輸出角θ6逐漸變小，故力矩M 隨之變化。由式（10）可知，液壓缸輸出力F 也隨之變化。

從仿真分析的結(jié)果可以看出：

1）優(yōu)化前機構(gòu)受力很不均勻，接近完全開啟狀態(tài)時，受力猛然增大，證明實際中連桿機構(gòu)所受應(yīng)力變化大，不利于機構(gòu)的長期運行；而優(yōu)化后，機構(gòu)受力較為均勻。

2）優(yōu)化前機構(gòu)受力變化大，證明蓋板開啟角速度不均勻，角加速度變化大，不利于正常的排水、進水過程；而優(yōu)化后則不存在此問題。

3）優(yōu)化前啟動力較小，容易開啟，但在接近完全開啟狀態(tài)時受力大，則下潛時蓋板關(guān)閉所需啟動力大，機構(gòu)平穩(wěn)性較差；而優(yōu)化后，始態(tài)與終態(tài)的力的大小基本相符且均較小，因此平穩(wěn)性相對較好。

顯然，優(yōu)化之后機構(gòu)的整體性能得以上升，優(yōu)化成功。

3 添加約束條件的再優(yōu)化及對比

3.1 機構(gòu)可靠性分析

根據(jù)機構(gòu)使用要求及相關(guān)軍用標準，其運動精度可靠性不得低于0.95［8］；因此，有必要對優(yōu)化后連桿機構(gòu)設(shè)計方案進行可靠性分析。在實際應(yīng)用中，尺寸誤差、裝配誤差、間隙、摩擦系數(shù)及載荷等因素均會影響連桿機構(gòu)的運動精度可靠性。由于摩擦系數(shù)及載荷為性能可靠性的主要影響因素［9］，對運動精度可靠性的影響微乎其微，故只考慮尺寸誤差、裝配誤差和間隙這3 個因素對可靠性的影響。

根據(jù)材料加工精度、安裝工藝規(guī)程，以及鉸鏈固有間隙大小，該機構(gòu)各個影響因素的初始誤差水平及變化范圍見表3。

表3 各影響因素初始誤差水平及變化Tab.3 Initial error levels and variation of influencing factors

假設(shè)其呈正態(tài)分布，按照3σ原則［10］和“有效長度理論”［11］，在確定各個因素變化范圍的前提下，計算出其均值和標準差，并在此基礎(chǔ)上對各個因素的取值進行蒙特卡羅（Monte Carlo）抽樣［12］，計算出可靠性指標。各桿件的可靠性數(shù)值如表4所示。

表4 優(yōu)化后各連桿可靠性數(shù)值表Tab.4 Reliability values of optimized connecting rods

從表4 可以看出，主要是桿5 的可靠性過低，造成機構(gòu)不符合要求。再次引用“有效長度理論”計算各桿在可靠性為0.95 時的桿長，如表5 所示。

表5 規(guī)定可靠性下各連桿長度最小值Tab.5 Minimum lengths of connecting rods at an expected reliability value of 0.95

3.2 添加約束條件后的再次優(yōu)化

根據(jù)上述分析，為保證機構(gòu)具有規(guī)定的可靠性，在再次進行優(yōu)化設(shè)計時添加4 個約束條件，分別為：

1）CONSTRAINT_1，編寫功能函數(shù)使桿5 長度大于90 mm；

2）CONSTRAINT_2，編寫功能函數(shù)使桿4 長度大于300 mm；

3）CONSTRAINT_3，編寫功能函數(shù)使桿3 長度大于95 mm；

4）CONSTRAINT_4，編寫功能函數(shù)使桿2 長度大于180 mm。

然后，將兩次優(yōu)化的結(jié)果與原始方案中的主要尺寸參數(shù)進行對比（表6）；三種方案的G 點受力圖對比見圖6。

表6 兩次優(yōu)化方案與原始方案主要參數(shù)對比Tab.6 Comparison of main parameters among two optimized schemes and the original

圖6 兩次優(yōu)化后的G 點受力結(jié)果與原始方案對比圖Fig.6 Comparison of stresses at point G among optimized schemes and the original

從曲線對比圖中可以看出，兩次優(yōu)化后的機構(gòu)受力曲線平滑，證明蓋板開啟角速度波動不大、運行平穩(wěn)，整個機構(gòu)在正常運行情況下不存在沖擊以及較大的應(yīng)力變化，優(yōu)化模型均大大優(yōu)于原始模型。

對比兩次優(yōu)化結(jié)果，初次優(yōu)化其受力曲線是最平滑的，且啟動力最小，結(jié)果最優(yōu)，但考慮到安裝誤差等因素，方案實際可靠性低，方案失敗。而添加約束條件后的再次優(yōu)化，與不添加約束的初次優(yōu)化結(jié)果相比啟動力較大，平均力也較大，力的曲線平滑度雖不如初次優(yōu)化結(jié)果，但與原始模型相比明顯優(yōu)秀。

通過兩次優(yōu)化的結(jié)果可以看出：最優(yōu)是理想化的，當偏向于優(yōu)化一個目標時，其另一方面的要求就會變得苛刻；只顧及其中一個條件，另一個條件可能就不滿足要求。在優(yōu)化過程中，約束條件越少，計算機計算次數(shù)越多，軟件尋求最優(yōu)結(jié)果的方向就越廣泛；反之，約束條件越多，計算次數(shù)越少，尋求最優(yōu)結(jié)果的方向也就越狹窄。

因此，在優(yōu)化設(shè)計中，如何兼顧需要考慮問題的各個方面，尤其是優(yōu)先并重點考慮的方面，從而有針對性地設(shè)置約束條件，得到一個綜合性能更優(yōu)的結(jié)果，是值得繼續(xù)深入研究的課題。

4 結(jié) 論

本文運用虛擬樣機技術(shù)，借助ADAMS 軟件對潛艇流水孔啟閉機構(gòu)進行了運動學分析以及仿真優(yōu)化，使其自動啟閉性能得到了提高。主要結(jié)論如下：

1）通過優(yōu)化，啟動裝置工作時對驅(qū)動力的要求明顯降低。

2）針對該裝置在實艇裝配時可能出現(xiàn)的安裝誤差，通過添加約束條件，進行了再次優(yōu)化設(shè)計，進一步提高了設(shè)備的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

本文的研究方法及結(jié)果，可為此類裝置的優(yōu)化設(shè)計及改進奠定基礎(chǔ)。

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