朱宙宇，滕大偉，國(guó)占東，王志鵬

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;2.海軍××工程辦公室，北京 100841)

0 引言

潛艇設(shè)計(jì)與建造是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，傳統(tǒng)研制模式下，潛艇從設(shè)計(jì)至首艇交付使用所需的周期較長(zhǎng)，一般不少于10年;潛艇建造工作被限制在狹窄的艙室內(nèi)進(jìn)行，工種混雜，人員擁擠，專(zhuān)業(yè)干擾，工人的工作環(huán)境差，生產(chǎn)效率低，建造質(zhì)量難以得到有效提高。另一方面，潛艇從設(shè)計(jì)開(kāi)始到服役期結(jié)束大約要經(jīng)歷40年的時(shí)間，而現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使電子、武備的壽命周期縮短到5～10年，所以在潛艇服役期內(nèi)必須對(duì)性能落后的電子、武備進(jìn)行2～3次的現(xiàn)代化改換裝。采用傳統(tǒng)方法研制的潛艇，改換裝工程難度大，工藝復(fù)雜，工程周期長(zhǎng)。

隨著傳統(tǒng)研制方式越來(lái)越難以適應(yīng)新形勢(shì)下潛艇的研制需求，迫切需要對(duì)其研制模式進(jìn)行改進(jìn)和提高，而采用模塊化方式是當(dāng)今世界潛艇研制模式的主流發(fā)展方向。

20世紀(jì)80年代，蘇聯(lián)已經(jīng)在其潛艇的設(shè)計(jì)與建造中開(kāi)始應(yīng)用模塊化技術(shù)，潛艇所配備的武備與電子系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)迅速得到更換，使?jié)撏У膱?zhí)行任務(wù)能力在短期內(nèi)得到變換。美國(guó)在“海狼”級(jí)潛艇的設(shè)計(jì)與建造中已全面采用了模塊化技術(shù)，根據(jù)潛艇的可生產(chǎn)性制定了模塊化建造設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。繼“海狼”級(jí)潛艇后又在“弗吉尼亞”級(jí)潛艇的總體設(shè)計(jì)上采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，該級(jí)艇不但在動(dòng)力控制、武器等方面采用模塊化的獨(dú)立艇體結(jié)構(gòu)，還可根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同，裝配不同的任務(wù)功能模塊，組成不同類(lèi)型的潛艇，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了潛艇設(shè)計(jì)的適應(yīng)能力。

“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇模塊化研制典型的部分過(guò)程見(jiàn)圖1～圖2。

1 模塊化研制方式相對(duì)傳統(tǒng)方式的優(yōu)點(diǎn)

1.1 模塊化的定義

不同行業(yè)針對(duì)不同類(lèi)型的研究對(duì)象，模塊化的定義和理解存在較大差別。對(duì)于潛艇研制而言，模塊化是指將潛艇總體的各系統(tǒng)、設(shè)備按區(qū)域、功能分解為具有功能相對(duì)獨(dú)立的模塊，對(duì)這些模塊之間的連接界面實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化。這樣，各自獨(dú)立的功能模塊在滿(mǎn)足連接要素標(biāo)準(zhǔn)化的前提下，可以不斷發(fā)展，根據(jù)科技進(jìn)步的速度不斷提高模塊的性能及互換性，變傳統(tǒng)的串行作業(yè)為并行作業(yè)，最終有效綜合成適應(yīng)外來(lái)威脅不斷變化及科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的潛艇。它是提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期以及提高建造速度和改進(jìn)建造質(zhì)量的有效措施，也是潛艇設(shè)計(jì)和建造技術(shù)的發(fā)展方向。

1.2 模塊化研制方式的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)研制模式相比，潛艇模塊化設(shè)計(jì)和建造具有十分明顯的優(yōu)越性:

1)模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)能有效提高潛艇總體的優(yōu)化程度。潛艇模塊化技術(shù)的優(yōu)化對(duì)象是由多個(gè)平臺(tái)和多個(gè)功能模塊組成的裝備序列，可實(shí)現(xiàn)跨產(chǎn)品系列和跨功能模塊的全局最優(yōu)，與傳統(tǒng)的潛艇研制模式相比，優(yōu)化的范圍更廣、層次更高，能取得更大成效。

2)模塊化技術(shù)能有效縮短裝備的研制周期。對(duì)于模塊化潛艇的研制工程而言，如能有效依托現(xiàn)有系列化平臺(tái)和種類(lèi)齊全的功能模塊庫(kù)，產(chǎn)品研制進(jìn)度就能大大加快，實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā);另外，由于平臺(tái)研制和功能模塊研制進(jìn)度的并行度得到提高，整個(gè)工程的研制進(jìn)度也得到有效提高。

3)模塊化技術(shù)能有效提高裝備維修保障和現(xiàn)代化改換裝的便利性。由于制定了標(biāo)準(zhǔn)的接口界面，使得平臺(tái)和模塊之間具有良好的獨(dú)立性和組合性，能通過(guò)更換模塊方便的進(jìn)行現(xiàn)代化改換裝，較好解決了平臺(tái)和作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的壽命期差異問(wèn)題。

2 潛艇模塊化設(shè)計(jì)

開(kāi)展?jié)撏K化設(shè)計(jì)，工作流程主要包括模塊化頂層設(shè)計(jì)，總段劃分，模塊設(shè)計(jì)，大型模塊的進(jìn)艙工藝及專(zhuān)用工裝具設(shè)計(jì)，總段合攏設(shè)計(jì)。

2.1 模塊化頂層設(shè)計(jì)

作為潛艇的模塊化頂層設(shè)計(jì)，其所承擔(dān)的主要任務(wù)是通過(guò)選擇合適的功能模塊并進(jìn)行優(yōu)化組合，以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)該型號(hào)產(chǎn)品下達(dá)的全部戰(zhàn)技指標(biāo)，在開(kāi)展?jié)撏K化頂層設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循以下原則:

1)以實(shí)現(xiàn)潛艇戰(zhàn)技指標(biāo)為目標(biāo);

2)以模塊化建造需求為導(dǎo)向;

3)構(gòu)建的模塊化體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具備相對(duì)的穩(wěn)定性;

4)構(gòu)建模塊化體系結(jié)構(gòu)的模塊應(yīng)具備可擴(kuò)展性。

2.2 總段劃分

對(duì)于潛艇的模塊化設(shè)計(jì)和建造而言，總段劃分是實(shí)現(xiàn)模塊化建造的起點(diǎn)和基礎(chǔ)，必須確定合適的總段劃分原則和方法，為下一步的設(shè)計(jì)和建造建立基礎(chǔ)。

2.2.1 總段劃分的原則

1)工藝性原則

總段劃分方案的工藝性需要滿(mǎn)足模塊安裝和試驗(yàn)要求、滿(mǎn)足規(guī)定的建造精度、結(jié)構(gòu)的建造工藝合理、船廠(chǎng)生產(chǎn)能力(起重、運(yùn)輸?shù)?滿(mǎn)足總段建造要求。

2)經(jīng)濟(jì)性原則

總段劃分方案的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在總工時(shí)、船臺(tái)周期和船臺(tái)占用面積、所要求的新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備的投入、現(xiàn)有設(shè)備的利用率等幾個(gè)方面。

2.2.2 總段劃分的方法

采用模塊化建造的潛艇總段與單純的結(jié)構(gòu)總段相比有較大區(qū)別，因此對(duì)潛艇進(jìn)行總段劃分要考慮一般要求外，還需要按照以下方法來(lái)開(kāi)展總段劃分:

1)含有特殊要求模塊的區(qū)域適宜整體劃分作為單獨(dú)的總段進(jìn)行建造;

2)總段的最大尺寸和重量應(yīng)適應(yīng)工廠(chǎng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力和建造場(chǎng)地的大小;

3)考慮增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛性，尤其是無(wú)艙壁的端口部位剛性的措施;

4)總段合攏縫的設(shè)置需兼顧附近區(qū)域設(shè)備布置和后期施工操作空間需求;

5)為提高艇體合攏精度，在滿(mǎn)足各模塊布置和安裝要求前提下，總段的數(shù)量要盡可能減少。

2.3 模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象所處的不同階段，潛艇模塊可分為功能模塊和區(qū)域模塊。一般說(shuō)來(lái)，為滿(mǎn)足潛艇的設(shè)計(jì)、施工建造至服役、現(xiàn)代化改換裝需求，模塊應(yīng)具有獨(dú)立性、功能性、兼用性、組合性、可維修性等特點(diǎn)。

2.3.1 模塊設(shè)計(jì)的原則

1)以平臺(tái)為基礎(chǔ)

在模塊設(shè)計(jì)之前首先應(yīng)明確模塊的應(yīng)用平臺(tái)，即模塊的應(yīng)用對(duì)象和安裝環(huán)境及相關(guān)約束條件等。

2)以功能為導(dǎo)向

獨(dú)立實(shí)現(xiàn)某種功能是模塊的自身特點(diǎn)之一，也是模塊設(shè)計(jì)的根本目標(biāo)，模塊功能確定后，模塊內(nèi)主要子模塊及部件等的選取應(yīng)緊緊圍繞實(shí)現(xiàn)模塊功能來(lái)開(kāi)展。

3)以戰(zhàn)標(biāo)為準(zhǔn)則

是否達(dá)到模塊的功能指標(biāo)是評(píng)判模塊設(shè)計(jì)成敗的最基本也是最具有決定性的因素，模塊設(shè)計(jì)必須達(dá)到其相應(yīng)的戰(zhàn)技指標(biāo)。

4)以建造為需求

模塊化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)模塊的整體安裝和調(diào)試，各總段并行建造，縮短建造周期、提高建造質(zhì)量和便于現(xiàn)代化改換裝，模塊設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足模塊化建造工藝的需求。

5)以“三化”為手段

模塊的整體性、兼用性、組合性等特點(diǎn)需要通過(guò)模塊的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化設(shè)計(jì)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 模塊設(shè)計(jì)的方法

模塊設(shè)計(jì)涉及的主要環(huán)節(jié)和流程見(jiàn)圖3。

圖3 模塊設(shè)計(jì)基本流程示意圖Fig.3 The flow chart of modular designing

2.4 大型模塊的進(jìn)艙工藝及工裝具設(shè)計(jì)

在完成總段劃分及模塊設(shè)計(jì)后，需對(duì)大型模塊或設(shè)備的進(jìn)艙安裝和專(zhuān)用工裝具開(kāi)展研究和設(shè)計(jì)。模塊進(jìn)艙工藝及工裝具設(shè)計(jì)是潛艇模塊化設(shè)計(jì)和建造技術(shù)中工藝設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵，進(jìn)艙方案的合理性和可行性是潛艇總段和模塊劃分的主要目標(biāo)和檢驗(yàn)依據(jù)。

2.5 總段合攏設(shè)計(jì)

總段對(duì)接區(qū)域設(shè)備安裝通常采用以下步驟:

總段對(duì)中合攏→大合攏縫焊接→對(duì)接區(qū)域結(jié)構(gòu)(平臺(tái)、嵌補(bǔ)板等)安裝完整→管系連接、電纜拉敷→模塊和散件設(shè)備安裝。

總段對(duì)接區(qū)域設(shè)備布置的基本要求是保證總段合攏過(guò)程中，合攏區(qū)的各種設(shè)備、管路和電纜等能按照預(yù)定的工藝流程順利安裝。總段對(duì)接區(qū)域設(shè)備布置的原則有:

1)滿(mǎn)足大合攏焊縫及相關(guān)結(jié)構(gòu)焊接作業(yè)空間要求;2)滿(mǎn)足總段間管路對(duì)接作業(yè)空間要求;3)滿(mǎn)足電纜盤(pán)放和拉敷作業(yè)空間要求;4)對(duì)接區(qū)域設(shè)備或模塊單件重量不得超過(guò)艙內(nèi)吊裝工具的額定載荷;

5)對(duì)接區(qū)域設(shè)備或模塊應(yīng)易于拆裝。

3 潛艇模塊化建造

潛艇模塊化建造的工藝流程見(jiàn)圖4。

3.1 船體放樣下料、各總段結(jié)構(gòu)并行建造

圖4 潛艇模塊化建造工藝流程圖Fig.4 The flow chart of submarine's modular building

對(duì)于潛艇總裝廠(chǎng)而言，進(jìn)行船體放樣下料標(biāo)志著新一艘潛艇建造的開(kāi)始。模塊化建造方式下的船體放樣與傳統(tǒng)建造方式下的基本相同。根據(jù)潛艇總段及模塊劃分方案，全艇主要結(jié)構(gòu)被劃分為若干船體總段，各船體總段均作為1個(gè)結(jié)構(gòu)模塊在總段合攏之前進(jìn)行獨(dú)立并行建造。

3.2 結(jié)構(gòu)密性試驗(yàn)

對(duì)于模塊化方式建造潛艇的結(jié)構(gòu)密性試驗(yàn)，目前不同國(guó)家采取的方式主要有以下幾種:

1)通過(guò)保證焊接質(zhì)量和焊縫檢查的措施來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的密性試驗(yàn)，即取消結(jié)構(gòu)泵水試驗(yàn)，該方式一般為歐美國(guó)家采用;

2)采用各總段單獨(dú)試水的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)密性試驗(yàn)，該方法主要為俄羅斯所采用。

3)沿用傳統(tǒng)總體試水方式。

具體密性試驗(yàn)方法可根據(jù)各自技術(shù)水平和生產(chǎn)模式在以上3種方式中進(jìn)行選擇。

3.3 各總段模塊及設(shè)備并行安裝

艇體結(jié)構(gòu)水壓試驗(yàn)及其他相關(guān)密性試驗(yàn)完畢并拆除密性試驗(yàn)專(zhuān)用輔助結(jié)構(gòu)后，潛艇建造進(jìn)入模塊及散件設(shè)備的安裝階段。

一般情況下，模塊及設(shè)備安裝順序需遵循以下3個(gè)原則:

1)先內(nèi)后外。指根據(jù)模塊安裝位置距離模塊進(jìn)艙處距離的遠(yuǎn)近，先安裝距離進(jìn)艙位置較遠(yuǎn)的模塊，后安裝距離進(jìn)艙位置較近的模塊。遵循本條原則的目的是為了使模塊進(jìn)艙通道不被其他先期安裝的模塊阻擋，確保模塊進(jìn)艙簡(jiǎn)便、可行。

2)先上后下。主要針對(duì)含敞開(kāi)式總段端面的總段或區(qū)域，按自上而下的順序依次安裝上層、中層和下層模塊及設(shè)備。本條原則的出發(fā)點(diǎn)在于考慮模塊縱向進(jìn)艙時(shí)，一般需在其底部設(shè)置臨時(shí)支撐和滑軌，需要占用較多的模塊下部空間。按照“先上后下”的順序以便于在模塊縱向進(jìn)艙時(shí)利用下部空間布置模塊進(jìn)艙臨時(shí)工裝及其他輔助設(shè)備。

3)先大后小?！按蟆薄ⅰ靶　笔轻槍?duì)模塊的外形尺寸而言，“先大后小”即首先安裝大型模塊，后安裝小型模塊及散件設(shè)備。大型模塊對(duì)進(jìn)艙通道及安裝空間的需求較大，應(yīng)優(yōu)先考慮。小型模塊和散件設(shè)備的進(jìn)艙及安裝相對(duì)較為容易，空間需求較小，進(jìn)艙方式也較為靈活，受已安裝模塊的影響和制約較小，確定安裝順序時(shí)適宜設(shè)置在后期安裝。

根據(jù)以上3個(gè)模塊安裝順序原則，部份模塊或設(shè)備可能存在不能同時(shí)滿(mǎn)足的情況。如某個(gè)大型設(shè)備布置在中層或下層，上層布置若干小型模塊和散件設(shè)備，先上后下和先大后小2個(gè)原則要求的安裝順序正好相反，在此情況下，對(duì)于該大型模塊究竟是先裝還是后裝不能一概而論，需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定。

3.4 總段合攏、嵌補(bǔ)分段安裝

各總段模塊及散件設(shè)備進(jìn)艙安裝完畢后，開(kāi)展總段合攏施工。

確定總段合攏的基準(zhǔn)總段，其余總段依次移向基準(zhǔn)總段與之對(duì)中合攏，各總段建造完成后，應(yīng)分別參照各種裝置或軸中心線(xiàn)修正總段基準(zhǔn)，全船合攏時(shí)按修正后的基準(zhǔn)對(duì)中操作，并精確定位裝置基準(zhǔn)。

總段大合攏后分別安裝大合攏縫處的龍骨結(jié)構(gòu)和非耐壓船體結(jié)構(gòu)的嵌補(bǔ)部分，安裝內(nèi)部嵌補(bǔ)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行焊接和焊接質(zhì)量檢查工作。

3.5 合攏縫附近區(qū)域模塊及管路、電纜等散件設(shè)備

安裝

根據(jù)總段合攏施工特別是耐壓殼體對(duì)接焊接的操作空間需求，跨越總段合攏縫或布置在總段合攏縫附近區(qū)域的模塊和設(shè)備在總段合攏完成前暫不能安裝固定，總段合攏完成后需進(jìn)行該部份模塊和設(shè)備的安裝定位。同時(shí)，按照設(shè)計(jì)確定的工藝方案開(kāi)展不同總段之間管路、電纜的對(duì)接安裝工作。

3.6 上建、消聲瓦及舾裝件安裝

在艙內(nèi)設(shè)備安裝完成后，開(kāi)展可拆板復(fù)裝和艙外結(jié)構(gòu)、舾裝件安裝工作。

在總段建造及模塊設(shè)備安裝階段應(yīng)盡量提高預(yù)舾裝率，實(shí)施單元組裝、上層建筑整體吊裝、分段涂裝，盡量減少船臺(tái)立體交叉施工工作量。

下水前完成其余船體結(jié)構(gòu)舾裝件和機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)管路、電纜等安裝工作，保證在船臺(tái)上達(dá)到最大完成率。

3.7 下水、碼頭舾裝、系泊試驗(yàn)、航行試驗(yàn)及交艇

船臺(tái)建造工作完成后，將艇下水并停靠碼頭。下水后同步開(kāi)展碼頭舾裝和系泊試驗(yàn)。在潛艇正式交付海軍使用前完成系泊試驗(yàn)和航行試驗(yàn)。

4 模塊化研制方式的技術(shù)難點(diǎn)

模塊化研制方式雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其相對(duì)傳統(tǒng)方式也帶來(lái)了若干新的問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)需要攻克和解決:

1)模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

作為一種全新的設(shè)計(jì)模式，潛艇模塊化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)方式存在較大差異，在其建立之初一般不可能達(dá)到能成熟應(yīng)用的水平，需隨著理論研究和實(shí)際型號(hào)研制工作的不斷開(kāi)展逐步深入和完善。另外，潛艇模塊化設(shè)計(jì)對(duì)三維設(shè)計(jì)和虛擬裝配等技術(shù)手段的依賴(lài)性更強(qiáng)，與建造工藝的關(guān)系也更為密切。

2)模塊化建造工藝

模塊化建造工藝在帶來(lái)并行建造和提高建造安裝環(huán)境條件的同時(shí)，需要大量新型工藝技術(shù)的支撐，如總段合攏技術(shù)、艇體結(jié)構(gòu)變形精度控制技術(shù)、主干電纜連接技術(shù)和大型模塊進(jìn)艙技術(shù)及其工裝具研制技術(shù)等。

3)模塊化研制模式下的工程組織管理

開(kāi)展?jié)撏K化研制需建立與其相適應(yīng)的組織管理系統(tǒng)，打破傳統(tǒng)分工與合作方式，不同部門(mén)和專(zhuān)業(yè)需要開(kāi)展大量協(xié)同設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)生產(chǎn)關(guān)系需進(jìn)行重組。

5 結(jié)語(yǔ)

潛艇模塊化設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的研究和應(yīng)用，是傳統(tǒng)潛艇研制模式向當(dāng)代先進(jìn)模式的一項(xiàng)具有劃時(shí)代意義的重大技術(shù)革新和進(jìn)步，順應(yīng)了當(dāng)前世界發(fā)展潮流，是先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)在潛艇研制中的體現(xiàn)，也是潛艇研制技術(shù)發(fā)展的必由之路。

潛艇模塊化研制方式的實(shí)施，必將在確保產(chǎn)品性能和質(zhì)量的前提下，有效的縮短研制和生產(chǎn)周期，降低成本和提高效益，同時(shí)它也會(huì)加快潛艇技戰(zhàn)術(shù)性能的發(fā)展和提升。

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