基于ADAMS优化设计的某潜艇用流水孔启闭装置

0 引言
潜艇的上浮与下潜是通过艇内压载水舱的 注、排水实现的。当潜艇下潜时，外界的海水经由 流 水 孔 进 入 潜 艇 非 水 密 结 构 内 部 ，同 时 潜 艇 非 水
密结构内部和主压载水舱内的空气经流水孔排出 艇外；上浮时，非水密结构内的海水由流水孔排出 艇 外 。 带 有 打 开 /关 闭 流 水 孔 盖 板 的 启 闭 机 构 ，是 潜 艇 上 至 关 重 要 的 设 备 ，其 性 能 好 坏 对 潜 艇 的 快 速性、隐身性等作战性能的影响非常大［1］。
LI Weijia1，JIANG Tao1，CAI Bin2，WANG Bo2 1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，
Wuhan 430074，China 2 The 92267th Unit of PLA，Qingdao 266032，China
置的启闭角。
第4期
李维嘉等：基于 ADAMS 优化设计的某潜艇用流水孔启闭装置
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θ5 l6
θ2 l5 θ4 l4
θ3
l2 l3
l1
l0
θ1
θ6
l7
Fig.2
L 图 2 装置简化结构图 Simplified structure of the device
本文研究的对象是一种可以通过潜艇的潜浮 深 度 变 化 自 主 控 制 流 水 孔 盖 板 打 开/关 闭 的 启 闭 机构。当潜艇上浮至距水面 20 m 时，启闭机构准 备开启流水孔盖板，距水面 10 m 时，完全开启流 水孔盖板；下潜时反之。该机构的优点在于不利用 其 他 能 源 ，只 利 用 海 水 压 力 的 变 化 来 使 流 水 孔 达 到自动启闭的功能。本文将在分析潜艇流水孔启 闭机构运动学原理的基础上，得出传力比函数，确 定优化目标。基于虚拟样机技术［2］，运用 ADAMS 软 件 建 立 流 水 孔 启 闭 机 构 的 动 力 学 模 型 ，并 进 行 运动学和动力学分析。在动力学分析的基础上， 运 用 局 部 灵 敏 度 理 论 找 出 敏 感 点 ，并 定 义 敏 感 度 高 的 连 杆 为 设 计 变 量 ，运 用 软 件 的 优 化 设 计 功 能 对连杆机构进行优化，确保机构受力平稳，盖板开 启 过 程 平 缓 。 在 仿 真 优 化 过 程 中 ，考 虑 到 制 造 精 度、实艇上装配误差等因素的影响，添加相应的约 束 条 件 ，进 行 再 次 优 化 ，并 将 两 次 优 化 结 果 与 原 设 计 方 案 进 行 对 比 ，以 证 明 优 化 结 果 明 显 优 于 原 始方案。
关键词：启闭装置；ADAMS；仿真优化；约束条件
中图分类号：U664.83+2
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1673-3185.2014.04.019
An Optimization Design of an on-and-off Device of Submarine Flood Holes Based on ADAMS
收稿日期：2013 - 12 - 05
网络出版时间： 2014-07-30 14:55
基金项目：湖南省重大科技项目（2010FJ1001-2）
作者简介：李维嘉，男，1966 年生，教授，博士生导师。研究方向：船舶机电仿真，水下机器人。E-mail：liweijia@
江涛（通信作者），男，1987 年生，硕士，助理工程师。研究方向：液压仿真技术。E-mail：61271031@
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中国舰船研究
第9卷
不 带 盖 板 启 闭 机 构 的 流 水 孔 ，对 潜 艇 的 水 下 航行阻力影响明显。流体力学计算和实验结果表 明，当潜艇处于水下航行状态时，艇体上一个流水 孔的阻力是同样尺寸平板的 4～5 倍。同时流水 孔 也 影 响 潜 艇 的 隐 身 性 能 ，当 潜 艇 处 于 水 下 状 态 时 ，上 层 建 筑 等 自 由 浸 水 空 间 内 部 的 海 水 与 外 面 的 海 水 是 自 由 连 通 的 ，航 行 时 海 水 通 过 流 水 孔 不 断 流 进 和 流 出 会 产 生 水 流 波 动 ，甚 至 产 生 漩 涡 。 这种漩涡可能会与潜艇液舱或者潜艇内部空间结 构发生共振现象，不仅产生阻力、增加潜艇推进能 量的损耗，而且还会发出噪声、降低潜艇的声隐身 性 能 。 在 特 别 严 重 的 情 况 下 ，共 振 将 导 致 潜 艇 结 构的疲劳断裂。
第9卷 第4期 第2401期4 年 8 月
中国舰船研究 Chinese Journal of Ship Research
Vol.9 No.4 Aug. 2014
网络出版地址： /kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.04.019An期O刊pti网mi址za：
中。以某型潜艇流水孔启闭装置为研究对象，建立运动仿真模型，利用 ADAMS 仿真软件提供的优化设计功能，
对运动机构进行优化设计，优化后，启动装置工作时对驱动力的要求明显降低。同时，针对该装置在实艇装配
时可能出现的安装误差，通过添加约束条件进行再次优化设计。再次优化的结果显示，驱动力的波动维持在较
低水平，从而进一步提高了设备的可靠性和环境适应性。
引用格式：李维嘉，江涛，蔡斌，等. 基于 ADAMS 优化设计的某潜艇用流水孔启闭装置［J］. 中国舰船研究，2014，9（4）：113-119. LI Weijia，JIANG Tao，CAI Bin，et al. An optimization design of an on-and-off device of submarine flood holes based on ADAMS［J］. Chinese Journal of Ship Research，2014，9（4）：113-119.
潜艇外壳
Hale Waihona Puke 盖板闭合状态驱动缸
潜艇外壳
驱动缸
盖板
Fig.1
开启状态 图 1 潜艇流水孔启闭装置原理图 Schematic diagram of on-and-off device in a submarine
1.2 机构运动学分析
为 确 定 其 优 化 目 标 ，先 分 析 机 构 的 运 动 学 原
理 ，确 定 输 入 输 出 关 系 。 本 装 置 可 简 化 为 如 图 2 所示的双四连杆机构［3］。各连杆的定义如下：l1 为 柱 塞 缸 的 有 效 工 作 连 杆 ，随 着 缸 内 弹 簧 力 与 海 水 压 力 之 间 的 平 衡 关 系 ，连 杆 的 长 度 会 发 生 改 变 ；l6 为流水孔盖板上两个铰接点间的等效连杆；l2 和 l5 为 2 个过渡连杆，2 个过渡连杆通过绕固定点转动 的三角板铰接连接起来；l3 为固定点至与 l2 铰接点 之间的等效连杆；l4 为固定点至与 l5 铰接点之间的 等 效 连 杆（为 弥 补 施 工 过 程 中 出 现 的 安 装 误 差 ，l4 的长度可进行微调）；l0和 l7可分别看作虚置的 2 台 机 架 ；L 为 两 安 装 基 座 间 的 水 平 距 离 。 为 叙 述 方 便 ，下 面 将 连 杆 代 号 也 视 为 连 杆 长 度 。 连 杆 之 间 夹角的定义如图 2 所示，其中 θ6 为流水孔启闭装
Abstract：To maximize the combat capability of submarines, and to enhance its speed characteristics and reduce its sailing noise, the flood hole on-and-off device has been widely used in new type submarines. In this paper, a certain type of flood holes is analyzed, where the motion simulation model is established. The optimization design is also carried out on the motion mechanism with the optimization design function pro⁃ vided by ADAMS. The result shows that the required driving force for the whole structure is reduced signifi⁃ cantly. Meanwhile, since the installation errors may appear on the device when assembled on an actual sub⁃ marine, a secondary optimization design under certain added constraints is conducted. The corresponding result reveals significant improvement in dynamic performance. In brief, the proposed method can be ap⁃ plied to the future optimization design and the institutional foundation enhancement. Key words：on-and-off device；ADAMS；simulation optimization；constraint condition
1 机构运动原理和优化目标的确立
1.1 装置结构原理
图 1 为 流 水 孔 启 闭 装 置 结 构 原 理 图 ，可 将 该 装 置 看 成 是 一 套 连 杆 运 动 副 机 构 ，柱 塞 式 海 水 液 压 缸 为 原 动 件 ，盖 板 为 驱 动 件 。 当 潜 艇 处 于 水 面 时 ，海 水 液 压 缸 的 柱 塞 在 缸 内 压 缩 弹 簧 的 作 用 下 伸 出 ，并 带 动 连 杆 机 构 使 流 水 孔 盖 板 打 开 。 当 潜 艇下潜时，柱塞在海水压力的作用下，通过克服缸 内 弹 簧 的 作 用 力 和 密 封 材 料 的 摩 擦 力 ，逐 步 缩 回 到缸内，同时带动连杆机构运动，使盖板逐步关闭 流水孔；当潜艇继续下潜至要求深度时，柱塞全部 缩回到缸内，流水孔被盖板完全关闭，此时，流水