基于模塊化設計思想的裝甲車輛結構研究

何志剛， 王克運

（裝甲兵工程學院a.機械工程系；b.北京特種車輛研究所，北京100072）

0 引言

裝甲車輛是陸軍機動突擊作戰的主體裝備，它的設計和發展對部隊建設是一項非常重要的工作，隨著現代高新技術的不斷發展，戰場瞬息萬變，對裝甲車輛的總體要求越來越高，為了能夠適應現代化聯合作戰，提高裝甲車輛在戰場上的安全性、可靠性、維修性，相關研究單位需要采用先進的研究方法來提高裝甲車輛的總體性能，縮短其研發周期，而裝甲車輛模塊化設計是裝甲裝備發展的總趨勢，因此本文提出了基于模塊化思想的裝甲車輛結構設計，爭取以較少的時間和較高的效率來完成裝甲車輛的研制和維修工作。

1 模塊化設計

模塊化設計是在20世紀中期伴隨著工業化技術不斷發展而形成的一種標準化概念設計形式，常用于工業產品設計和研發，工業化早期的研究系統一般都比較簡單，但隨著系統的復雜程度越來越高，一般的解決方法已經不能夠適應工業的發展速度，在此背景下，模塊化就成為了解決問題的常用方法，它可以把一個大系統分為幾個相對獨立的子系統，把復雜的問題簡單化，從而使得問題更容易解決。

模塊化就是以劃分的模塊為基礎，通過模塊分解和組合來解決復雜問題的一種過程形式，模塊化通過對研究對象進行詳細的功能分析和研究，分解出功能獨立的模塊單元，并結合相關標準對模塊進行統一歸類和整理，形成相應的模型庫，而后組合不同功能的模塊形成所需要的產品。

模塊化設計就是利用模塊化原理進行設計的一種方法，它把一系列的通用模塊作為基礎，根據所要達到的目標和要求，對劃分模塊進行有選擇的組合，從而形成不同功能或者相同功能的產品。

研究對象模塊劃分的依據是所要實現的功能，而不是研究對象的物理結構組成，模塊作為系統的基本組成部分，它的布局對車輛系統的性能指標有很大影響。劃分模塊并不是隨意進行劃分，對于劃分的模塊，如果對象整體沒有相應功能，那么劃分的對應模塊也不需要有，劃分模塊的功能必須與整體功能相融合。劃分的模塊應有獨立的結構和功能，并且大小要適中，也不應太復雜。此外，劃分的模塊應當具有可拓展性，以便更好地進行創新研究。

2 裝甲車輛模塊化劃分

2.1 建立模塊化裝甲車輛的關鍵步驟

通過對裝甲車輛進行模塊化設計探索，可得出建立模塊化裝甲車輛包含以下關鍵步驟：1）對裝甲車輛的功能和性能進行分析；2）對裝甲車輛結構進行相關模塊劃分；3）對裝甲車輛模塊進行結構設計，其中包括模塊本身的設計和模塊之間的接口設計；4）建立相關結構的標準模塊庫，并進行通用化和系列化設計，建立綜合模型庫；5）對劃分和設計的模塊進行重新組合，形成新的裝甲車輛模塊設計方案。

2.2 模塊化裝甲車輛總體功能分析

基于模塊化思想的裝甲車輛主要功能是為適應現代化戰爭對裝甲裝備的要求，提高裝甲車輛部件的可重復使用性，便于對裝甲車輛創新設計的研究。由于裝甲裝備系統結構的復雜性，必須要考慮各模塊之間的通用性，以便提高各模塊之間的互換性。此外，模塊化裝甲車輛還應具備以下功能：1）可以實現各模塊的變形設計，從而能夠滿足不同的尺寸要求；2）可以靈活地對各模塊之間進行組合，利用較短的時間對模塊尺寸進行調整；3）裝甲車輛各模塊之間連接應在保證剛度和強度的情況下，盡可能簡單，以便于拆卸和安裝；4）即便模塊性能和結構不同，但功能相同的模塊也應該具有互換性。

根據模塊化裝甲車輛總體功能分析，可將模塊化裝甲車輛在突出縮短研發周期的基礎上進行功能分解，其功能結構圖如圖1所示。

圖1 裝甲車輛功能結構圖

2.3 裝甲車輛模塊劃分層次和方法

圖2 一般車輛模塊劃分結構圖

裝甲車輛不同于一般的機動車輛，它的結構相對復雜，零部件也較多，利用模塊化思想對其設計，就必須要求在保持車輛穩定性的基礎上以盡可能簡單的模塊組成系統，因此模塊劃分必須要有層次性。圖2為一般車輛模塊劃分結構圖。裝甲車輛按部位劃分通常由動力艙、駕駛室、炮塔、戰斗室、載員艙等組成，則裝甲車輛的模塊化劃分可以根據車輛功能進行劃分，并建立相關零件的模塊庫，各個模塊之間應有連接接口，以便通過替換相同功能或者相似模塊，研發新的產品。

2.4 裝甲車輛模塊組成框架

結合以上分析方法，我們把裝甲車輛整體模塊分為車廂模塊、底座模塊、驅動模塊、控制系統模塊、武器系統模塊、防護模塊等。圖3為裝甲車輛功能模塊細分圖，從圖中可以看出，裝甲車輛從分解的規模來看，模塊數量合理，只要能夠完善各模塊之間的相互連接和位置關系，就可以較好地解決模塊數量和制作成本的關系。

3 裝甲車輛模塊化結構的建立

3.1 裝甲車輛模塊化設計流程

圖4為裝甲車輛模塊化設計流程圖，首先需要了解裝甲車輛的各項性能指標和基本特性，確定裝甲車輛的總體尺寸參數，再根據需求確定各模塊之間的位置關系和連接方式，通過模塊之間的組合完成一級模塊的整體組裝，然后組合各個二級模塊，最終完成模塊化裝甲車輛。

圖3 裝甲車輛功能模塊細分圖

圖4 裝甲車輛模塊化設計流程圖

3.2 裝甲車輛各模塊接口設計

裝甲車輛劃分的各模塊想要組合成整體，必須要考慮模塊之間怎么連接，接口應該如何設計，接口的穩定性會直接影響到車輛整體的可靠性，針對裝甲車輛模塊化設計，接口的主要功能包括三個方面：一是為各模塊提供支撐作用；二是為模塊自身和其它模塊進行約束定位；三是向其它模塊傳遞力和相關運動。模塊接口設計的過程中，對于功能相同的模塊，接口的幾何形狀也應當相同，對于同一系列模塊，其接口幾何形狀也應當相似。

3.3 裝甲車輛各模塊連接組件的設計

裝甲車輛的框架模塊設計主要包括圓筒桿件模塊和連接模塊，由于裝甲車輛的各個組成模塊的外邊長都不一樣，可以采用可螺旋伸縮的螺紋桿件進行連接，從而方便桿件進行連接并且圓筒桿件在受壓的情況下，各個方向的受力比較均勻，穩定性較好。

圖5為單位長度桿件的結構圖，表1為桿件的幾何尺寸，圖6為連接桿件的結構圖，表2為連接桿件的幾何尺寸，桿件和聯接件連接如圖7。

4 結論及展望

隨著現代軍事變革對裝甲車輛的需求，裝甲車輛的設計和發展應以模塊化設計為主要趨勢，采用模塊化思想進行設計，能夠對推動裝甲車輛的創新設計和概念設計方案。本文采用模塊化設計思想，對裝甲車輛復雜系統進行模塊分解、劃分和組合，主要工作包括以下內容：1）完成了裝甲車輛的總體功能分析；2）對裝甲車輛的功能模塊進行了劃分；3）對裝甲車輛各模塊之間的連接組件進行了設計；4）在裝甲車輛后續的模塊化設計中，對各模塊庫的建立將是一個重點。

圖5 單位桿件結構圖

表1 桿件的幾何尺寸

圖6 聯接桿件結構圖

圖7 桿件和聯接件組裝圖

表2 聯接桿件的幾何尺寸

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