轉運平臺的集成優化設計

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(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015)

艦船補給系統中，傳統的物資運送裝置，特別是艙口部位組成部件多，各部件間結構相互獨立且功能單一，存在重量大、效率低、占用空間大及故障率高等缺點。

近年來，隨著新型艦船對靈活性、機動性和功能性越來越高的追求和要求，結構復雜、體積龐大、功能單一的設備設施將會被逐步淘汰，而運用系統工程思想及現代技術創新將分散的設施、功能和信息等進行整合以實現系統整體性能最優的集成優化設計理念[1-2]越來越得到重視。目前工程上進行結構優化設計時，一般針對具有獨立功能的具體部件[3-8]，但是對于功能獨立卻集中布置的多個部件進行優化設計研究卻很少。本文針對物資運送裝置艙口部位存在的問題，擬運用集成優化的設計理念，對原多個功能獨立的分散部件進行整合重構，使其既保留原有功能，又具備更優的技術性能，從而得到一個集成度高、實用性強、占用空間小且操作靈活方便的裝置，并結合有限元分析軟件及試驗方法對其性能進行驗證。

1 現狀分析及優化改進思路

傳統的物資運送裝置一般由升降裝置、運送機構、艙口蓋、艙口開啟機構、排水系統、密封及鎖緊裝置等組成，除了運送機構和升降裝置，其他部件都集中在艙口部位，長期以來一直存在以下問題：艙口直接與外界環境接觸，易受季節溫差影響造成艙口變形引起鎖緊故障或密封失效等問題；開啟機構和鎖緊裝置都是機械傳動裝置，結構復雜、重量重且占用了庫內有限的貯存空間；艙口蓋結構笨重，艦載機通過時需要多人配合共同將其移走；惡劣海況下通過貯存架進行物資轉運，存在滑脫現象等。

因此，考慮根據集成化設計理念，拋棄笨重的艙口蓋，用布局靈活、體積小巧液壓鎖緊裝置取代體積龐大的機械鎖緊裝置和開啟機構，將艙口部位各結構獨立部件整合集成在升降裝置的轉運平臺上。轉運平臺既是貯存架及彈藥物資的運送載體，同時平臺升至與甲板面平齊后又是彈藥庫的艙口蓋，并借助艙口配合來實現平臺的鎖緊和承載、物資轉運及固定、艙口密封及排水等功能；還要滿足減少設備重量，節省有限的庫存空間，具備甲板的抗核爆沖擊等要求。因此，集成化高、占用空間小以及良好的抗沖擊性、靈活性、安全性、可靠性等是轉運平臺的重要設計指標。

2 集成優化設計

轉運平臺采用中空結構，由鋼板和型鋼焊接后加工成型，以減輕其質量。平臺頂部布置有導銷及系留孔，用于貯存架和轉運小車的定位和固定；平臺底部沿長度方向對稱布置多組止鎖塊，實現平臺的鎖緊和固定；沿平臺底部外沿整周焊接密封環，安裝密封圈后與艙口配合實現平臺與艙口的水密要求；平臺外圍與密封環間隙底部開有多個排水孔，用于雨水排放。見圖1。

圖1 平臺組成示意

2.1 平臺臺面布置

按庫內各貯存架的固定位置在平臺頂部對應布置定位銷，實現其在平臺與庫內之間轉運的精準性和可重復性，避免船體搖擺時貯存架在平臺上滑脫。同時平臺上開有系留孔，用于轉運小車在平臺上的固定。非工作狀態下，平臺上鋪設有防滑過渡板，可對通過平臺的艦載機輪胎進行有效的防護，也可避免甲板上操作人員通過時滑倒，見圖2。

圖2 平臺臺面布置示意

2.2 鎖緊裝置

平臺為近似矩形結構，四周與甲板艙口外圈留有適當間隙，升至上限位置后與甲板面基本平齊。平臺寬度尺寸較小，長寬比例很大，因此沿矩形艙口下方長度方向兩側對稱布置多組液壓鎖緊裝置，鎖緊裝置布置數量與平臺最大承載正相關。

液壓鎖緊裝置主要由液壓缸、鎖頭、鎖座等組成，在鎖緊裝置頭部和尾部各設置了進油口和回油口，通過液壓管路實現串聯，由液壓系統提供驅動動力并集中控制，通過換向閥實現鎖頭的伸出和縮回。工作狀態下，鎖頭縮回至艙口面后方，轉運平臺可進行升降運動實現物資等的轉運；非工作狀態下，平臺升至頂位與甲板面平齊后，鎖頭伸出至平臺下方與止鎖塊配合實現對平臺的鎖緊。

在轉運平臺下方止鎖塊處設置一個滾動塊，將鎖頭與止鎖塊間的滑動摩擦改為滾動摩擦，從而減小開、閉鎖的摩擦阻力，提高鎖緊裝置的啟閉性能及使用壽命。平臺鎖緊狀態見圖3。

圖3 平臺鎖緊狀態示意

2.3 密封裝置

平臺需要經常做升降操作，艙口位置晝夜溫差大且處于海洋環境，可靠密封一直是艦船水密門設計的難點[9]。

平臺與艙口的密封主要靠密封圈、密封環以及支撐座共同配合完成。密封環配合面精加工后直接焊接在艙口下方，支撐座在平臺上焊接后再精加工密封圈安裝槽，密封圈與安裝槽間采用過盈配合。密封圈采用中空型式可在較大壓縮范圍內實現彈型變形，以補償甲板變形、橡膠老化等不利影響，材料選用耐海水、耐高低溫環境的氟橡膠[10]，密封圈圓弧部分外側面均勻設置多個弧形凸臺，頂緊在甲板艙口下平面，以實現密封圈在整個彈性變形過程中均與密封面間保持多重線密封，可補償密封面表面不平整對密封效果的影響[11-12]。平臺密封結構，見圖4。

圖4 平臺密封結構示意

2.4 排水系統

為防止暴雨天氣或海浪拍擊并涌上甲板等惡劣海況下，造成甲板積水過多、排水不暢，沿平臺外圍與支撐架內圈排水槽底部開有多個排水口，排水口下部焊接有多段排水管道，出水口處安裝截止閥后通過軟管連接到艙底排水槽。排水口處安裝有濾網用于防止雜物進入排水管內，管道間采用可拆卸式管接頭連接方便后續維修清理，出水口處安裝截止閥用于緊急狀態下排水系統的臨時關閉，末端管道采用液壓軟管直通地漏可在平臺升降時自由彎曲。

3 抗核爆沖擊性能分析及校核

3.1 核爆炸沖擊分析

作為艦面系統裝備必須要適應獨特、惡劣的海上自然環境和軍事環境，滿足各種特定的作戰使用需求，使其能夠承受環境載荷和軍事打擊的雙重考驗[13-14]。

轉運平臺升至與露天甲板平齊后，可視作甲板的一部分，在鎖緊狀態下應具備與甲板同樣的抗核爆沖擊能力。在評估艦船遭受到核爆炸沖擊載荷作用時，需要量化其影響因素，其環境特性影響量值主要用沖擊波超壓峰值、動壓峰值、止壓作用時間、超壓和動壓隨時間變化規律等指標來表示[15]。見圖5。

圖5 平臺單位面積載荷隨時間t的變化曲線

假設轉運平臺與核爆炸沖擊波傳播方向垂直(此時壓力峰值最大)。當沖擊波陣面接觸平臺的時間為沖擊波對平臺加載的起始時間，平臺載荷與時間的關系見圖5。當沖擊波陣面作用到平臺時刻，載荷瞬息達到反射超壓Δpr；接著按與時間成線性規律衰減，經驅散平臺反射作用時間tn后，載荷降為滯止超壓Δpc；隨后載荷繼續隨時間進行衰減，并在tf時刻降為0。

基于上述分析可知，在核爆炸沖擊過程中，平臺受到的最大壓力為反射超壓Δpr。

3.2 轉運平臺抗核爆沖擊仿真計算

空中發生核爆炸過程中，沖擊波作用方向與平臺垂直時壓力峰值最大，因此，假設轉運平臺與核爆炸沖擊波傳播方向垂直。根據設計指標要求，平臺在鎖定狀態下需承受特定靜水壓力而不發生泄漏，該值遠小于核爆炸時平臺所受的反射超壓，因此，應對核爆炸沖擊下的平臺進行校核計算。假定鎖緊裝置工作可靠，對平臺受力進行有限元分析，仿真結果見圖6。

圖6 轉運平臺應力、應變云圖

由圖6可見，在模擬核爆狀態下，由于平臺應變較大且不均勻，特別是中間部分由于缺少支撐，產生很大的應力集中，變形較為明顯，中間4個液壓鎖支撐基座受力較大，最大達420.985 MPa，超過材料的許用極限，應對平臺結構強度薄弱處進行改進加強，使其強度滿足設計要求，且應變較為均勻。針對上述問題，在平臺中間A、B 2處各增加一組橫梁支撐，并將鎖緊裝置支撐基座的厚度增加至20 mm，重新計算，轉運平臺結構調整前后對比見圖7，仿真結果見圖8。

圖7 轉運平臺結構調整前后對比

圖8 結構調整后轉運平臺的應力、應變云圖

由圖8可知，優化調整后的平臺在模擬核爆炸狀態下，最大變形發生在平臺中部，變形量約為1.36 mm，變形較為均勻；最大應力在鎖緊裝置支撐基座處，約為253.5 MPa，小于材料屈服極限345 MPa，能夠滿足設計要求。

3.3 鎖緊裝置抗核爆沖擊仿真計算

平臺所受沖擊最終將傳遞給鎖緊裝置，因此需對鎖緊裝置的結構強度進行校核計算，鎖緊裝置的所需承擔的最大承載力可根據平臺面積與最大沖擊力求得，仿真結果見圖 9。

圖9 鎖緊裝置的應力、應變云圖

在模擬核爆炸沖擊下，鎖頭的最大應變發生在端部，變形量為0.22 mm，最大應力發生在鎖頭與支撐基座接觸處，鎖頭所承受的最大應力為811.47 MPa，小于材料屈服極限930 MPa，能夠滿足設計要求。鎖座的最大應變發生在鎖座下端內側，變形量為0.17 mm，鎖座所承受的最大應力為511.47 MPa，小于材料屈服應力650 MPa，能夠滿足設計要求。

4 試驗驗證

4.1 試驗平臺搭建

為了驗證轉運平臺、鎖緊裝置、密封結構等在核爆炸沖擊載荷下的承載能力、密封效果及仿真計算結果的可靠性，搭建模擬甲板艙口水壓試驗平臺，見圖10。

圖10 模擬甲板艙口水壓試驗平臺示意

4.2 試驗方案

艙口蓋為半封閉式中空結構，其上設置有注水口、排氣孔、壓力表等，與平臺的接口關系、安裝方式和運行狀態都和實船保持一致。鎖緊裝置對稱安裝在艙口下方，平臺升至頂位后將其鎖緊，使密封圈與艙口蓋壓緊形成密閉腔體。

進行壓力試驗時，將試壓泵與自來水管接通，打開艙口蓋排氣口，關閉排水系統截止閥，通過注水口進行注水，觀察排氣口處有水冒出后將其關閉，繼續注水加壓至核爆沖擊極限壓力值，然后關閉注水口并持續保壓10 min來模擬比核爆炸沖擊更為嚴苛的條件，從而驗證平臺及其附屬裝置在極限負荷環境下的抗沖擊性能及水密效果。

試驗結束后，首先打開艙口蓋排氣口泄壓，再打開排水系統截止閥進行排水，并將設備復位后進行外觀及狀態檢查。

4.3 試驗結果

水壓試驗保壓過程中時刻觀察艙口蓋注水口處壓力表，壓力表指針穩定在考核值且無明顯下降，并借助工業內窺鏡沿密封圈四周仔細觀察密封面結合處，無任何水滴滲出。

試驗結束后，將設備及試驗裝置恢復至初始狀態，分別進行手動、電動操作10次，各執行機構動作靈活，無卡滯、爬行等異常現象。檢查鎖緊裝置、轉運平臺及密封圈的結構外形、尺寸及配合表面，無明顯變形、損傷等情況。

重新注水加壓，并對以上各項進行復測，指標均符合要求。

5 結論

優化設計是一項基于現有技術，并不斷引進吸收新的設計理念、設計方法和設計手段進行升級改進的工程。本文通過對物資運送裝置艙口部位存在的問題和現狀進行認真分析，運用集成優化的設計理念將其功能集成、結構簡化，并結合有限元軟件對其抗核爆性能進行分析校核，及時發現并避免了最初的設計缺陷，節省了設計時間和成本。本文采用的設計理念與方法具有廣泛的適用性，特別對功能獨立而又集中布置的多個部件為追求整體性能最優而進行的優化設計具有一定的指導意義。對密封結構進行優化設計，使艙口在持續的惡劣海況、復雜海洋環境下仍能保持密封耐壓性能及使用壽命將成為下一步工作研究的重點。