基于模塊化設(shè)計思想的裝甲車輛結(jié)構(gòu)研究

何志剛， 王克運

（裝甲兵工程學(xué)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(zhàn)的主體裝備，它的設(shè)計和發(fā)展對部隊建設(shè)是一項非常重要的工作，隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的不斷發(fā)展，戰(zhàn)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(yīng)現(xiàn)代化聯(lián)合作戰(zhàn)，提高裝甲車輛在戰(zhàn)場上的安全性、可靠性、維修性，相關(guān)研究單位需要采用先進(jìn)的研究方法來提高裝甲車輛的總體性能，縮短其研發(fā)周期，而裝甲車輛模塊化設(shè)計是裝甲裝備發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計

模塊化設(shè)計是在20世紀(jì)中期伴隨著工業(yè)化技術(shù)不斷發(fā)展而形成的一種標(biāo)準(zhǔn)化概念設(shè)計形式，常用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和研發(fā)，工業(yè)化早期的研究系統(tǒng)一般都比較簡單，但隨著系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越高，一般的解決方法已經(jīng)不能夠適應(yīng)工業(yè)的發(fā)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(tǒng)分為幾個相對獨立的子系統(tǒng)，把復(fù)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(chǔ)，通過模塊分解和組合來解決復(fù)雜問題的一種過程形式，模塊化通過對研究對象進(jìn)行詳細(xì)的功能分析和研究，分解出功能獨立的模塊單元，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對模塊進(jìn)行統(tǒng)一歸類和整理，形成相應(yīng)的模型庫，而后組合不同功能的模塊形成所需要的產(chǎn)品。

模塊化設(shè)計就是利用模塊化原理進(jìn)行設(shè)計的一種方法，它把一系列的通用模塊作為基礎(chǔ)，根據(jù)所要達(dá)到的目標(biāo)和要求，對劃分模塊進(jìn)行有選擇的組合，從而形成不同功能或者相同功能的產(chǎn)品。

研究對象模塊劃分的依據(jù)是所要實現(xiàn)的功能，而不是研究對象的物理結(jié)構(gòu)組成，模塊作為系統(tǒng)的基本組成部分，它的布局對車輛系統(tǒng)的性能指標(biāo)有很大影響。劃分模塊并不是隨意進(jìn)行劃分，對于劃分的模塊，如果對象整體沒有相應(yīng)功能，那么劃分的對應(yīng)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(yīng)有獨立的結(jié)構(gòu)和功能，并且大小要適中，也不應(yīng)太復(fù)雜。此外，劃分的模塊應(yīng)當(dāng)具有可拓展性，以便更好地進(jìn)行創(chuàng)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(guān)鍵步驟

通過對裝甲車輛進(jìn)行模塊化設(shè)計探索，可得出建立模塊化裝甲車輛包含以下關(guān)鍵步驟：1）對裝甲車輛的功能和性能進(jìn)行分析；2）對裝甲車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)模塊劃分；3）對裝甲車輛模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中包括模塊本身的設(shè)計和模塊之間的接口設(shè)計；4）建立相關(guān)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模塊庫，并進(jìn)行通用化和系列化設(shè)計，建立綜合模型庫；5）對劃分和設(shè)計的模塊進(jìn)行重新組合，形成新的裝甲車輛模塊設(shè)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(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對裝甲裝備的要求，提高裝甲車輛部件的可重復(fù)使用性，便于對裝甲車輛創(chuàng)新設(shè)計的研究。由于裝甲裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)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(yīng)具備以下功能：1）可以實現(xiàn)各模塊的變形設(shè)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(jìn)行組合，利用較短的時間對模塊尺寸進(jìn)行調(diào)整；3）裝甲車輛各模塊之間連接應(yīng)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(jié)構(gòu)不同，但功能相同的模塊也應(yīng)該具有互換性。

根據(jù)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(fā)周期的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能分解，其功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 裝甲車輛功能結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖

裝甲車輛不同于一般的機動車輛，它的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，零部件也較多，利用模塊化思想對其設(shè)計，就必須要求在保持車輛穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上以盡可能簡單的模塊組成系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)圖。裝甲車輛按部位劃分通常由動力艙、駕駛室、炮塔、戰(zhàn)斗室、載員艙等組成，則裝甲車輛的模塊化劃分可以根據(jù)車輛功能進(jìn)行劃分，并建立相關(guān)零件的模塊庫，各個模塊之間應(yīng)有連接接口，以便通過替換相同功能或者相似模塊，研發(fā)新的產(chǎn)品。

2.4 裝甲車輛模塊組成框架

結(jié)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(qū)動模塊、控制系統(tǒng)模塊、武器系統(tǒng)模塊、防護(hù)模塊等。圖3為裝甲車輛功能模塊細(xì)分圖，從圖中可以看出，裝甲車輛從分解的規(guī)模來看，模塊數(shù)量合理，只要能夠完善各模塊之間的相互連接和位置關(guān)系，就可以較好地解決模塊數(shù)量和制作成本的關(guān)系。

3 裝甲車輛模塊化結(jié)構(gòu)的建立

3.1 裝甲車輛模塊化設(shè)計流程

圖4為裝甲車輛模塊化設(shè)計流程圖，首先需要了解裝甲車輛的各項性能指標(biāo)和基本特性，確定裝甲車輛的總體尺寸參數(shù)，再根據(jù)需求確定各模塊之間的位置關(guān)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(xì)分圖

圖4 裝甲車輛模塊化設(shè)計流程圖

3.2 裝甲車輛各模塊接口設(shè)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(yīng)該如何設(shè)計，接口的穩(wěn)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(shè)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(jìn)行約束定位；三是向其它模塊傳遞力和相關(guān)運動。模塊接口設(shè)計的過程中，對于功能相同的模塊，接口的幾何形狀也應(yīng)當(dāng)相同，對于同一系列模塊，其接口幾何形狀也應(yīng)當(dāng)相似。

3.3 裝甲車輛各模塊連接組件的設(shè)計

裝甲車輛的框架模塊設(shè)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(jìn)行連接，從而方便桿件進(jìn)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(wěn)定性較好。

圖5為單位長度桿件的結(jié)構(gòu)圖，表1為桿件的幾何尺寸，圖6為連接桿件的結(jié)構(gòu)圖，表2為連接桿件的幾何尺寸，桿件和聯(lián)接件連接如圖7。

4 結(jié)論及展望

隨著現(xiàn)代軍事變革對裝甲車輛的需求，裝甲車輛的設(shè)計和發(fā)展應(yīng)以模塊化設(shè)計為主要趨勢，采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計，能夠?qū)ν苿友b甲車輛的創(chuàng)新設(shè)計和概念設(shè)計方案。本文采用模塊化設(shè)計思想，對裝甲車輛復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行模塊分解、劃分和組合，主要工作包括以下內(nèi)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(jìn)行了劃分；3）對裝甲車輛各模塊之間的連接組件進(jìn)行了設(shè)計；4）在裝甲車輛后續(xù)的模塊化設(shè)計中，對各模塊庫的建立將是一個重點。

圖5 單位桿件結(jié)構(gòu)圖

表1 桿件的幾何尺寸

圖6 聯(lián)接桿件結(jié)構(gòu)圖

圖7 桿件和聯(lián)接件組裝圖

表2 聯(lián)接桿件的幾何尺寸

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