一種魚雷楔環連接結構保障性改進設計方法

陳少強, 王紅衛, 李建辰, 劉 津, 張建亭

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一種魚雷楔環連接結構保障性改進設計方法

陳少強, 王紅衛, 李建辰, 劉 津, 張建亭

(中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710077)

目前對魚雷艙段楔環連接方式的研究均未考慮實際使用過程中的反復拆裝問題, 對楔環連接結構的保障性考慮不足。針對這一問題, 根據楔環工作原理和拆裝過程受力分析, 從拆裝方便、提升保障能力角度, 提出了一種魚雷楔環連接結構的改進設計方法, 并通過仿真分析、拆裝試驗和強度試驗等對改進后的結構進行了驗證。試驗結果表明, 改進后的楔環連接結構在滿足艙段連接強度需要的同時, 可大幅度提高楔環連接結構的保障性。

魚雷; 楔環連接結構; 保障性; 改進設計

0 引言

魚雷艙段連接設計是魚雷結構設計的重要組成部分, 其設計性能的好壞將直接影響魚雷噪聲、阻力等指標的實現。艙段連接結構主要有螺釘連接、螺環連接、卡箍連接和楔環連接等形式, 由于楔環連接結構可使艙段連接后外表面光順、結構緊湊, 有利于減小阻力、降低流噪聲、隔離振動傳遞, 對促進魚雷結構小型化、輕量化及提高自導系統性能有重要作用, 現已經被廣泛運用[1-2]。

楔環連接結構由于其諸多優點, 近10年來得到了國內外相關研究機構和學者不斷深入的研究。卜廣志、毛昭勇和宋保維等[3-6]以減輕結構質量為目標, 從可靠性角度對楔環連接結構進行了優化設計。黃鵬、尹益輝等[7-12]利用應力解析方法和ANSYS結構分析方法, 以提高結構承載能力為目標對楔環連接結構尺寸進行了優化。馬銳磊、劉飛飛等從結構性能的角度, 進行了楔環連接結構的剛度建模與模態分析, 研究了楔環連接方式下殼體振動傳遞特性[13-15]。雖然現有學者開展了大量研究工作, 但這些研究均未考慮實際使用過程的拆裝問題, 在某些產品中, 由于過度強調連接結構對連接體強度的影響, 造成楔環裝配和拆卸困難, 容易使楔環變形損壞, 嚴重影響了產品的保障性。為此, 文中根據楔環連接結構工作原理及楔環拆裝受力情況, 從提高楔環保障性的角度開展研究, 提出楔環連接結構的改進設計方法, 并通過實際拆裝和強度試驗驗證了改進設計對保障性和連接體強度的影響。

1 楔環連接結構及受力分析

1.1 楔環結構及連接原理

楔環連接的結構形式如圖1所示[2]。在需連接的內殼體外圓上制成內連接環, 在外殼體內圓上制成外連接環, 內外連接環相互套合后, 在內外殼體間形成楔環槽。楔環則是一對矩形截面的環形金屬帶(如圖2), 在相互拼合的邊上做成一定斜度。連接時, 先將帶銷釘楔環A的小端由外殼體上的拆裝孔口插入楔環腔并連續推入, 直到大端全部進入腔內, 用楔環A上的銷釘將其周向固定; 然后將另一根楔環B的小端沿與帶銷釘楔環A相反方向插入楔環腔內, 并使用專用工裝將其全部打入楔環腔內(見圖3), 依靠尺寸的改變使兩殼體端面壓緊; 再用與2條楔環末端距離等長的填片頂緊2條楔環; 最后安裝蓋板蓋住外殼體上的拆裝孔口, 保持殼體外表面的光順。殼體連接后, 依靠楔環傳遞軸向力, 為了防止楔環松脫, 楔環拼合邊的斜度一般應小于滑動的自鎖角。

圖1 楔環連接結構示意圖

圖2 一對楔環圖

圖3 楔環安裝示意圖

1.2 楔環結構連接強度分析

而楔環槽在力作用下產生彎曲應力, 最大彎曲應力發生在點(見圖4), 其值由下式確定[2]

從式(1)和式(2)可以看出, 楔環連接強度與楔環厚度、楔環槽處殼體壁厚及楔環拆裝孔口尺寸密切相關。

圖4 連接處的結構尺寸圖

1.3 楔環拆裝受力分析

如圖5所示, 楔環安裝時是通過外殼體的孔口插入內、外殼體形成的楔環槽中, 楔環通過內、外殼體的、、3點時, 要將楔環自身的彎曲半徑改變, 相當于以點為原點,點向上抬,點向下壓, 楔環向前運動, 會在這3點產生較大的摩擦力, 尤其是點處摩擦力最大, 當楔環裝入較多時, 需要外殼體的內壁將彎曲半徑變大的楔環再約束回其自身的彎曲半徑, 楔環和外殼體內壁也會產生一定的摩擦力; 另外, 第2根楔環安裝時不僅會受到上述外力作用, 還會受到第1根楔環與楔環槽之間的軸向擠壓產生的摩擦力。楔環拆卸時, 其受力情況與安裝過程基本相同。將拆裝時的楔環近似于兩端鉸支(和點)固定、中間(點)受點力的簡支梁, 楔環拆裝出入殼體孔口過程中, 在點和點分別受到內殼體和外殼體楔環槽向上的支撐力, 而在點受到外殼體孔口向下的壓力最大, 會產生一定的撓度, 其值由下式確定

從式(3)可以看出, 楔環拆裝時的受力情況與楔環厚度、楔環槽拆裝孔口尺寸密切相關。

2 楔環連接結構改進設計

2.1 原魚雷楔環連接結構存在的問題

原楔環結構設計能滿足魚雷各種工況下的強度要求, 但存在拆裝困難、楔環易變形損壞等問題。主要表現為: 第1條楔環(帶銷釘楔環)安裝不夠順暢, 第2條楔環安裝困難, 特別是大端難以進入殼體拆裝孔口, 需要使用具有一定沖擊頻率的類似電動搗碎錘的專用工裝進行錘擊, 而且易造成楔環變形而無法重復使用; 熟練工人裝配1對楔環平均需要約15 min, 而魚雷裝備一般有數個艙段互相連接而成, 完成一條魚雷的技術準備, 單是楔環的裝配就可能占到了技術準備時間的一半左右, 導致戰備等級轉換時間太長, 拆卸楔環同樣也存在類似困難, 且楔環能夠重復使用次數不超過10次, 使用壽命過短, 致使維修更換成本太高, 同時對作業人員技術水平要求高, 勞動強度大。原有楔環結構已經嚴重影響了裝備保障能力的提升, 無法滿足新形勢下對新裝備的保障性指標要求。因此, 在保證楔環連接強度的前提下, 提高楔環連接結構拆裝的便捷性和楔環的使用壽命, 對提高裝備的維修保障性意義重大。

圖5 楔環安裝過程示意圖

2.2 楔環連接結構優化改進方案

圖6 楔環改進方案優化流程圖

經過優化分析, 最終擬定改進方案為楔環拆裝孔口周向尺寸由95 mm增加到130 mm、孔口倒角由5 mm增加到10 mm, 同時將楔環厚度由6 mm減小到5.4 mm; 改進后的結構能夠將楔環拆裝時點變形量減小約30%, 受到的壓力減小45%左右, 該點受到的摩擦力也同步降低, 同時可以保證連接結構在原彎矩作用下不會發生破壞和產生影響性能的變形。圖7為改進后楔環拆裝受力變形分析結果, 圖8和圖9為改進后殼體和楔環強度計算結果, 結構改進后楔環拆裝時受力變形明顯減小, 殼體楔環拆裝孔口應力集中情況得到較大緩解, 楔環受到的應力有所增加但遠未達到材料的屈服強度。

圖7 改進后楔環拆裝變形圖

3 楔環連接結構改進試驗

為了驗證改進措施的有效性和確保改進后的設計滿足艙段連接的強度要求, 對改進前后的楔環連接結構均加工了樣件, 進行了楔環拆裝試驗和艙段彎曲強度試驗。

圖8 改進后楔環拆裝孔口等效應力圖

圖9 改進后楔環等效應力圖

3.1 楔環拆裝保障性試驗

對改進設計后的楔環和殼體進行了裝配和拆卸試驗, 裝配過程中, 第1條楔環(帶銷釘楔環)單手便可安裝到位, 第2條楔環亦可單手將其大端完全裝入到拆裝孔口內部, 再用銅棒輕輕敲擊即可裝配到位, 平均用時不到3 min; 拆卸過程中, 僅需使用工具將單孔楔環大端拉出拆裝孔口即可用手將整條楔環輕松拉出, 帶銷釘楔環也可不使用工具直接全部拉出, 證明楔環拆裝受力情況得到顯著改善。而且經過多次拆裝的楔環均無明顯變形, 不影響楔環的重復使用, 楔環的使用壽命得到顯著增加。楔環拆裝試驗證明改進措施對楔環連接結構的保障性有比較明顯的提升。

3.2 連接強度試驗

3.2.1 強度試驗方法

試驗設備主要由試驗加載及支持系統、控制系統和測量系統等構成。其中, 試驗加載及支持系統包括液壓泵站、作動筒、拉壓力傳感器、伺服閥和試驗件夾具等; 控制系統包括微型計算機及外部設備、模入模出、放大器和力傳感器等; 測量系統包括ST-3B型動態數據自動處理儀、位移傳感器和放大器等。控制系統為多通道協調加載控制系統, 其準確度誤差≤1%, 線性度誤差≤0.5%; 測量系統的系統誤差≤0.5%。試驗所用的儀器設備經檢定/校準合格并在有效使用期內。

試驗件由兩段殼體組成, 中間用楔環連接。試驗件一端固支, 與承力立柱連接, 另一端安裝試驗加載夾具, 通過加載系統加載實現彎矩。試驗件安裝形式見圖10。

圖10 試驗現場安裝圖

在試驗加載和卸載過程中每級進行位移和應變測量。位移測量點2個, 布置在殼體上母線靠近作動筒的位置; 應變測量通道共38個, 單片26個, 花片4個, 布置在殼體楔環拆裝孔口和上下母線, 測量點和應變片分布見圖11和圖12。

圖11 位移測量點分布示意圖

強度試驗為極限載荷(100%設計載荷)試驗, 按照規定的載荷, 以15%設計載荷為級差從0逐級加載至100%設計載荷, 每級加載10 s, 0~60%每級保持30 s, 75%~100%每級保持60 s。100%保載結束后按20%設計載荷為級差逐級卸載至0, 加載和卸載過程中每級進行應變和位移測量。

圖12 應變片分布示意圖

3.2.2 強度試驗結果與分析

對楔環連接結構改進前后2種狀態的樣件分別進行了相同載荷條件強度試驗, 所有試驗過程中試驗件均未出現異常, 試驗結束后試驗件均無明顯損傷。對所有應變進行統計分析, 最大應變發生在楔環孔口位置100%設計載荷作用時, 對結構改進前后的應變和位移進行對比發現, 在相同載荷作用下, 改進后結構的應變和位移均明顯小于改進前結構, 說明改進后結構的應力集中情況得到了較大的改善, 整體受力情況更好, 可以滿足艙段連接的強度需要。試驗數據如圖13和圖14所示。

圖13 載荷-應變曲線(100%設計載荷)

圖14 載荷-位移曲線(100%設計載荷)

4 結束語

楔環連接方式能夠保持魚雷光順的流線型外形, 利于減阻降噪, 在魚雷等航行器艙段連接中得到廣泛應用。文中重點從提高楔環連接結構保障性角度出發, 根據楔環連接結構工作原理及楔環拆裝受力情況, 提出了一些楔環連接結構改進設計方法, 并通過仿真分析、拆裝試驗和強度試驗等方面對改進結構的有效性進行了驗證。試驗結果表明, 改進后的楔環連接結構可以大幅度提高魚雷裝備保障性, 并滿足艙段連接的強度要求, 證明了文中所提出的改進設計的合理性。

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(責任編輯: 陳 曦)

An Improved Design Method of Torpedo′s Wedge Ring Connection Structure for Enhancement of Supportability

CHEN Shao-qiang, WANG Hong-wei, LI Jian-chen, LIU Jin, ZHANG Jian-ting

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710077, China)

The existing researches on the wedge ring structures for connection of torpedo cabins do not consider assembly and disassembly in application, and pay insufficient attention to the supportability of the wedge ring structures. In this study, an improved design method of the wedge ring structure for connection of torpedo cabins was proposed according to the working principle of wedge ring. The new design takes convenient assembly and disassembly as well as enhancement of the supportability into account. Numerical simulation, assembly and disassembly test, and strength test were conducted to validate the improved design. Results show that the improved wedge ring structure meets the strength requirement of the cabin connection, and greatly improves the supportability of the wedge ring structure.

torpedo; wedge ring connection strucutre; supportability; improved design

陳少強,王紅衛,李建辰,等.一種魚雷楔環連接結構保障性改進設計方法[J].水下無人系統學報,2017,25(4): 371-376.

TJ630.3；TH131.5

A

2096-3920(2017)04-0371-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.04.011

2017-05-17;

2017-07-13.

陳少強(1981-), 男, 高級工程師, 主要研究方向為魚雷總體技術.