基于ANSYS/Workbench/AQWA的新型兩棲裝甲車輛海上航行穩(wěn)定性分析

許崇銀，孟慶良

(73233 部隊(duì)，浙江 舟山 316100)

新型兩棲裝甲車輛具有優(yōu)越的海上機(jī)動性、先進(jìn)的火控系統(tǒng)和強(qiáng)大的火力，是我軍兩棲機(jī)械化部隊(duì)的主要作戰(zhàn)裝備［1-2］。隨著其陸續(xù)裝備部隊(duì)，在實(shí)際使用中檢驗(yàn)裝備性能，提高部隊(duì)訓(xùn)練水平，充分發(fā)揮裝備性能，成為部隊(duì)和有關(guān)單位研究的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。海上穩(wěn)定性研究是兩棲車輛設(shè)計(jì)和使用研究的一個(gè)重要方面。由于受到海面風(fēng)浪、射擊后坐力及爆炸對車的作用，其海上航行狀態(tài)將不可避免的產(chǎn)生相應(yīng)的變化，這將影響航速、航行安全、乘員觀察和操作準(zhǔn)確度以及火炮射擊精度，直接關(guān)系部隊(duì)訓(xùn)練質(zhì)量和裝備性能發(fā)揮。

1 海上航行穩(wěn)定性概述及影響因素

1.1 海上航行穩(wěn)定性概述

新型兩棲裝甲車輛海上航行穩(wěn)定性指的是其在海上航行過程中受到風(fēng)浪壓力、火炮射擊后坐力、爆炸、轉(zhuǎn)向離心力等外力的作用下發(fā)生傾斜，產(chǎn)生傾斜力矩，當(dāng)外力消失后，由于受周圍水介質(zhì)的作用可產(chǎn)生恢復(fù)力矩，能恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力。車輛傾斜搖擺主要有橫搖、縱搖和垂蕩3 種運(yùn)動狀況，這是考察和衡量兩棲裝甲車輛海上航行穩(wěn)定性的重要內(nèi)容。

1.2 影響因素分析

兩棲裝甲車輛海上航行穩(wěn)定性的影響因素包括:海況環(huán)境、射擊后坐力以及整車的質(zhì)量分布。本文取全車為研究對象，對海上射擊后引起的整體質(zhì)量分布變化可以忽略，此處不予考慮。海況環(huán)境和射擊后坐力是影響其海上航行最重要的外力。其中海況包括海浪與風(fēng)力，它們是環(huán)境主動施加在車輛上的外力，對兩棲車輛海上運(yùn)動的影響很復(fù)雜。根據(jù)不同的形成方式，海浪可以分為風(fēng)浪和涌浪。風(fēng)浪一般由風(fēng)形成，是服從一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)現(xiàn)象，故稱為隨機(jī)海浪;涌浪是從風(fēng)浪區(qū)生成區(qū)傳播出來的波浪，其形態(tài)和排列比較規(guī)則，可視為規(guī)則波。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的簡化處理

1)一般車輛分系統(tǒng)包括車體及內(nèi)部安裝的動力裝置、傳動裝置、操作裝置，外部安裝的行走裝置等［3］。本文中由于只研究車輛整體的水上運(yùn)動過程，所以車輛分系統(tǒng)忽略車體內(nèi)部系統(tǒng)之間、車體和火炮之間的耦合，將包括火炮部分的整個(gè)車輛看成一個(gè)質(zhì)量一定、質(zhì)心位置不變，質(zhì)量對稱分布，具有確定幾何形狀的剛體，研究這個(gè)剛體在水上的運(yùn)動情況。

2)在結(jié)構(gòu)外形上，首先在建模時(shí)忽略首尾滑行板對其海上運(yùn)動影響，首尾滑行板對其速度調(diào)節(jié)將通過對模型賦予一定的速度加以取代;其次將其炮塔理想化，以一個(gè)等效的長方體取代。實(shí)踐證明，這對其海上運(yùn)動過程模擬影響很小，但在劃分網(wǎng)格時(shí)，可以節(jié)省大量的計(jì)算機(jī)資源。

3)有時(shí)細(xì)小部件對有限元網(wǎng)格劃分有較大的影響，有時(shí)甚至無法進(jìn)行。建模時(shí)略去一些產(chǎn)生微小角度的圓角，這些圓角在非受力的部件上，對有限元分析沒有影響。

2.2 海上航行有限元模型的建立

針對其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在對其進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，采用自由劃分功能［4］，設(shè)定最大單元尺寸為0.6 m、最小容忍尺寸為0. 1 m，最大允許頻率為0.658 4 Hz，網(wǎng)格單元數(shù)為1 325個(gè)，其有限元模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示。在有限元模型網(wǎng)格劃分后，輸入ANSYS/Workbench/AQWA 中Hydrodynamic Diffraction 模塊與Hydrodynamic time response 模塊進(jìn)行模擬計(jì)算，如圖2。

圖1 有限元模型

圖2 Hydrodynamic Diffraction 模塊與Hydrodynamic time response 模塊

3 海上航行穩(wěn)定性分析

3.1 靜水條件下穩(wěn)定性分析

靜水狀態(tài)下穩(wěn)定性分析是研究車輛僅在射擊后坐力作用下，車輛橫搖、縱搖和垂蕩與射擊角度的關(guān)系。按照t0=0.0 s 火炮開始射擊，取積分時(shí)間步長0.1 s，積分步點(diǎn)數(shù)N=301，計(jì)算tc=30 s 時(shí)間內(nèi)其在靜水狀態(tài)下的穩(wěn)定性，給出火炮射擊高低角φc，火炮射擊方位角φc不同的6 種組合工況的海上運(yùn)動穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果。射擊方位角ψc在(0°，45 °，90°)，高低角φc在(0°，15°)中取值來計(jì)算。

在靜水條件下，海上射擊產(chǎn)生的橫搖最大值是5.175 8°(工況2)如圖3 所示，縱搖值1.677 7°(工況1)，說明在任何射擊角度火炮射擊后坐產(chǎn)生的縱搖角度較小，不會在縱向產(chǎn)生不穩(wěn)定;而在橫向產(chǎn)生較大的振動，對海上橫向產(chǎn)生穩(wěn)定影響。射擊方向角為90°時(shí)，橫向搖擺過大可能造成炮口入水，影響車輛的安全。

圖3 靜水狀態(tài)下最大橫搖、縱搖及垂蕩圖

3.2 海浪條件下穩(wěn)定性分析

海浪條件下穩(wěn)定性分析，主要是研究車輛在海浪干擾力作用下，車輛橫搖、縱搖和垂蕩與海況、車速和航向角之間的關(guān)系。

仿真模擬結(jié)果顯示，車輛在二級以下海況航行時(shí)，可以以最大航速進(jìn)行航行，其橫搖、縱搖和垂蕩都較小;在二級海況航行時(shí)，最大航速為5 m/s，且產(chǎn)生的橫搖和縱搖較顯著;在二級到三級海況航行時(shí)，最大航速為4.2 m/s，車輛橫搖和縱搖顯著;在四級海況時(shí)，車輛只能以低航速(4 m/s)進(jìn)行航行，且此時(shí)車輛顛簸厲害，最大橫搖角達(dá)22°，最大縱搖角達(dá)16°，處較危險(xiǎn)狀態(tài)。

圖4 海浪條件下最大橫搖、縱搖及垂蕩圖

3.3 海浪與火炮射擊雙重激勵下的穩(wěn)定性分析

海浪和火炮射擊雙重激勵條件下航行仿真，主要研究在海浪干擾力和火炮射擊后坐干擾力雙重激勵作用下，車輛振動狀況與航行狀態(tài)、火炮射擊高低角和方向角之間的關(guān)系，重點(diǎn)討論火炮射擊對車輛振動影響。根據(jù)裝備使用規(guī)定分析結(jié)論，設(shè)定不同風(fēng)速，航速和航向角、火炮射擊高低角和方向角進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到車輛振動仿真結(jié)果，以此分析火炮射擊對車輛航行穩(wěn)定性的影響。由仿真模擬情況得知:當(dāng)火炮射擊激勵與海浪激勵同向時(shí)，會增大車輛振動，反之當(dāng)火炮射擊激勵與海浪激勵反向時(shí)，會產(chǎn)生相互抵消作用。在二級以下海況，車輛可以在任意航速范圍內(nèi)進(jìn)行射擊而不會引起傾覆;在二級海況時(shí)，車輛只能在4.5 m/s 內(nèi)進(jìn)行射擊，由此產(chǎn)生的最大橫搖為9.240 9°，最大縱搖角為2.221 7°;在二級到三級海況時(shí)，車輛也可在4.5 m/s 內(nèi)進(jìn)行射擊，但此時(shí)的最大橫搖為25.478 6°，最大縱搖為13.877 2°，明顯加大;四級海況時(shí)，建議不要射擊。

4 結(jié)束語

本文利用新型兩棲裝甲車輛海上航行有限元仿真模型，結(jié)合其使用規(guī)定，把不同的外部環(huán)境(海況)和車輛狀態(tài)(車輛航速，航行角、火炮射擊高低角和方向角)等初始條件作為其海上航行有限元仿真模型的重要參數(shù)，分別從靜水狀態(tài)、海浪條件下、海浪和火炮射擊雙重激勵條件下進(jìn)行了模擬仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果得出結(jié)論，對其使用單位提出了相應(yīng)的使用建議。仿真結(jié)果和分析如下:在靜水條件下，其射擊穩(wěn)定性較好;在海浪條件下，隨著海況變差，車輛振動劇烈;在海浪與火炮射擊雙重激勵下，應(yīng)按小角度航行，避免火炮射擊特別是橫向射擊。

［1］楊楚泉.水陸兩棲車輛原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.

［2］王濤.兩棲車輛水上動態(tài)性能數(shù)值模擬方法及其應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［3］居乃鵕.裝甲車輛動力學(xué)分析與仿真［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002.

［4］康鳳舉.現(xiàn)代仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.