艦船海況模擬平臺(tái)等效搖擺參數(shù)研究

周云華，彭松江，邱群先，游仁華，謝麗云

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引言

艦船海況模擬平臺(tái)是模擬實(shí)現(xiàn)艦載設(shè)備承受艦船搖擺環(huán)境后的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究、機(jī)構(gòu)動(dòng)作規(guī)劃、輕量化設(shè)計(jì)研究的理想設(shè)備，它能夠接近真實(shí)地再現(xiàn)艦船在不同海況下的搖擺情況，能夠使艦載設(shè)備研制在陸基環(huán)境下接受艦載環(huán)境考核，避免上艦后才暴露出與載體環(huán)境不匹配問題的發(fā)生，對(duì)提升艦載設(shè)備的研制質(zhì)量具有重要意義，因此得到艦載設(shè)備主管及研制部門的高度重視，并得到快速、廣泛的發(fā)展。如文獻(xiàn)［1］提到了六自由度艦船模擬平臺(tái)，為艦載直升機(jī)系統(tǒng)提供海上航行時(shí)艦船搖擺的試驗(yàn)條件;文獻(xiàn)［2］對(duì)單軸船舶搖擺試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行動(dòng)畫生成研究，為減搖水艙的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供方法;文獻(xiàn)［3］對(duì)單軸船舶搖擺試驗(yàn)臺(tái)的臺(tái)架設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探討;文獻(xiàn)［4］對(duì)用于船載儀器設(shè)備動(dòng)態(tài)精度標(biāo)定及性能試驗(yàn)的三回轉(zhuǎn)自由度船用搖擺試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了建模和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

從上述文獻(xiàn)以及互聯(lián)網(wǎng)上可以查到相關(guān)艦船海況模擬平臺(tái) (或搖擺臺(tái))所模擬的大多是艦船的橫搖和縱搖，而且橫搖幅值大約在±20°、周期在8～12 s，縱搖幅值大約在±10°、周期在6～8 s，與實(shí)際艦船的橫搖幅值與周期基本接近。單從搖擺參數(shù)講，可以再現(xiàn)艦載設(shè)備在艦船搖擺環(huán)境下的工作環(huán)境。

但深入分析可發(fā)現(xiàn)，這類艦船海況模擬平臺(tái)只能達(dá)到一定的試驗(yàn)?zāi)康?，原因在于艦船的搖心到甲板面的距離通常在5 m、甚至8 m以上，而常用的艦船海況模擬平臺(tái)的搖擺半徑往往只有1～2 m。被試設(shè)備在模擬平臺(tái)上的安裝位置通常都假定橫搖、縱搖中心的鉛垂軸上，而實(shí)際情況是只有較少的艦載設(shè)備能夠安裝到艦船的這一有限區(qū)域，大多數(shù)設(shè)備距搖心水平、前后方向都有一定的距離。以上2種情況造成被試設(shè)備在模擬平臺(tái)上的搖擺效果與艦船實(shí)際搖擺情況具有一定差距，尤其在艦首與艦尾布置的艦載設(shè)備。因此，要想利用較小的艦船海況模擬平臺(tái)較為真實(shí)地模擬被試設(shè)備在大型艦船上的實(shí)際搖擺效果，必須要合理地對(duì)模擬平臺(tái)的搖擺參數(shù)進(jìn)行等效規(guī)劃，才能達(dá)到接近真實(shí)模擬的目的。

1 艦載設(shè)備承受艦船搖擺時(shí)過載系數(shù)

一般認(rèn)為，艦船在規(guī)則波中的橫搖、縱搖都是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)［5］，艦船海況模擬平臺(tái)一般也是按照簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)進(jìn)行波形的控制?？紤]艦船橫搖及縱搖時(shí)艦載設(shè)備承受艦船搖擺時(shí)的過載系數(shù)見下式:

假定艦船橫搖、縱搖同時(shí)達(dá)到最大值時(shí)艦載設(shè)備承受艦船搖擺時(shí)的過載系數(shù)見下式［6］:

2 艦船海況模擬平臺(tái)的等效搖擺參數(shù)

假設(shè)艦船的橫搖、縱搖中心重合，建立如圖1所示的艦船搖心固定坐標(biāo)系OH－XHYHZH，被試艦載設(shè)備安裝在甲板面上，以其重心位置建立固連坐標(biāo)系O－XYZ，相對(duì)艦載設(shè)備自身固定，在OH－XHYHZH中的坐標(biāo)為(X，Y，Z)。以常見的橫搖、縱搖模擬為例，假設(shè)艦船實(shí)際的搖擺參數(shù)如表1所示。

圖1 艦船坐標(biāo)系與艦載設(shè)備Fig.1 Reference frame of ship and shipborne equipment

表1 假定的艦船搖擺參數(shù)及艦載設(shè)備坐標(biāo)值Tab.1 Assumed ship swing parameters and coordinate of shipborne equipment

被試艦載設(shè)備在艦船海況模擬平臺(tái)上的坐標(biāo)系如圖2所示，同樣假定模擬平臺(tái)的橫搖、縱搖中心重合，坐標(biāo)系的意義同圖1一致，被試艦載設(shè)備在模擬平臺(tái)固定坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為 (x，y，z)，見表1。按照式(1)～式(3)過載系數(shù)的定義，理想狀態(tài)下，被試艦載設(shè)備在艦船上因搖擺帶來的質(zhì)心過載系數(shù)應(yīng)等于在艦船海況模擬平臺(tái)上因搖擺帶來的質(zhì)心過載系數(shù)，由此推算可以得到艦船海況模擬平臺(tái)的等效搖擺參數(shù)，如表2所示。

圖2 艦船海況模擬平臺(tái)坐標(biāo)系與被試艦載設(shè)備Fig.2 Reference frame of ship motion simulation platform and shipborne equipment to be tested

表2 艦載設(shè)備在艦艇上的過載系數(shù)與等效搖擺參數(shù)Tab.2 Overload coefficient of shipborne equipment on the ship and equivalent swing parameters

從表2可以看到，被試設(shè)備質(zhì)心通常在艦船海況平臺(tái)上按X分量、Z分量均為0布置時(shí)，不能模擬Y方向上產(chǎn)生的慣性負(fù)載?？紤]到Y(jié)方向與重力加速度方向相同，通常按受壓載荷處理，被試設(shè)備承受的抗壓強(qiáng)度應(yīng)具有一定的安全系數(shù)。

從表2還可以看到，要使被試艦載設(shè)備在實(shí)際艦船與艦船海況模擬平臺(tái)上具有搖擺響應(yīng)的物理相似性，艦船海況模擬平臺(tái)的搖擺角度或搖擺周期指標(biāo)都要求更高，而如果保持與艦船實(shí)際搖擺參數(shù)相同，則所模擬出的過載系數(shù)都偏小，模擬的真正意義將大打折扣。

3 結(jié)語

通過上述分析，對(duì)于艦船海況模擬平臺(tái)可以得到以下基本結(jié)論，這些結(jié)論對(duì)合理提出模擬平臺(tái)的具體指標(biāo)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義:

1)只考慮橫搖或縱搖時(shí)，在保持橫搖或縱搖最大幅值指標(biāo)不變的情況下，對(duì)艦船海況模擬平臺(tái)提出的等效橫搖或縱搖周期指標(biāo)都應(yīng)提高，本例中等效橫搖周期指標(biāo)需由實(shí)際艦船的8 s提高到5.05 s，等效縱搖周期需由5 s提高到3.16 s;在保持橫搖或縱搖搖擺周期指標(biāo)不變的情況下，等效橫搖或縱搖最大幅值指標(biāo)也都應(yīng)提高，本例中等效橫搖最大幅值指標(biāo)需由實(shí)際艦船的20°提高到50°，等效縱搖周期需由5°提高到12.5°;而為了兼顧橫搖或縱搖指標(biāo)的易實(shí)現(xiàn)性，本例中等效橫搖最大幅值為38.5°等效橫搖周期為7 s，等效縱搖最大幅值為8°等效橫搖周期為4 s。

2)在考慮橫搖、縱搖耦合效應(yīng)時(shí)，在保持橫搖、縱搖最大幅值指標(biāo)不變的情況下，對(duì)艦船海況模擬平臺(tái)提出的等效橫搖、縱搖周期指標(biāo)都應(yīng)提高，本例中等效橫搖周期指標(biāo)需由實(shí)際艦船的8 s提高到5.72 s，等效縱搖周期需由5 s提高到3.57 s;在保持橫搖、縱搖搖擺周期指標(biāo)不變的情況下，等效橫搖、縱搖最大幅值指標(biāo)也都應(yīng)提高，本例中等效橫搖最大幅值指標(biāo)需由實(shí)際艦船的20°提高到39°，等效縱搖周期需由5°提高到11.8°;而為了兼顧等效橫搖、縱搖指標(biāo)的易實(shí)現(xiàn)性，本例中等效橫搖最大幅值為29.9°、等效橫搖周期為7 s，等效縱搖最大幅值為6.8°、等效橫搖周期為4 s。

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