基于LMS Virtual.Lab的艦載系留氣球動(dòng)態(tài)仿真分析

丁 葵，舒 欣,陳治鵬,賴貞華

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所低頻電磁通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430000；2.中國(guó)特種飛行器研究所， 湖北 荊門(mén) 448035)

艦載系留氣球是一種可裝載在船舶上中、小型系留氣球，和其他岸基、艦載及空中信息平臺(tái)相比，它具有留空時(shí)間長(zhǎng)、探測(cè)精度高、機(jī)動(dòng)性好、部署使用方便、雷達(dá)散射面積小、戰(zhàn)場(chǎng)生存力強(qiáng)、研制和使用費(fèi)用低廉、可長(zhǎng)期連續(xù)不間斷地執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、方便、可靠的艦載信息化作戰(zhàn)平臺(tái)。

在艦載系留氣球系統(tǒng)領(lǐng)域的研究方面，美國(guó)走在世界前列，主要基于現(xiàn)有艦船和陸基的系留氣球平臺(tái)分系統(tǒng)進(jìn)行改裝改型，廣泛用于情報(bào)、監(jiān)視與偵察(ISR)類任務(wù)。國(guó)外艦載系留氣球系統(tǒng)研究歷史悠久，系統(tǒng)研制試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)比較成熟且有產(chǎn)品投入使用。而國(guó)內(nèi)還未開(kāi)展艦載研制與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，沒(méi)有投入使用或正進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的產(chǎn)品。

艦載平臺(tái)需要具備足夠大的可用甲板面積，以供系留氣球的收放以及錨泊設(shè)備和回轉(zhuǎn)平臺(tái)等裝置的安裝。同時(shí)，由于波浪的影響，船體不可避免存在橫搖、縱搖和起伏，必然會(huì)引起錨泊設(shè)備和回轉(zhuǎn)平臺(tái)等裝置的振動(dòng)沖擊和傾斜，并導(dǎo)致系留氣球囊體、索具和蝴蝶結(jié)等氣動(dòng)載荷加劇[1]。因此，艦載平臺(tái)還應(yīng)具有一定的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，以確保艦載系留氣球的天線分系統(tǒng)能安全工作。本研究將基于LMS Virtual.Lab仿真軟件對(duì)艦載系留氣球的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真研究。

1 艦載系留氣球系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

艦載系留氣球系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由錨泊回轉(zhuǎn)平臺(tái)和系留氣球組成，其中錨泊設(shè)備主要由平臺(tái)基座、固定平臺(tái)、回轉(zhuǎn)基座、回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、系留支臂、托架氣墊、系留塔、頭錐鎖、設(shè)備室、操縱室、絞盤(pán)、儲(chǔ)纜絞車(chē)、導(dǎo)向滑輪、配電設(shè)備、控制設(shè)備等[2]，如圖1所示。錨泊回轉(zhuǎn)平臺(tái)與回轉(zhuǎn)支撐固聯(lián)，并可在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

1.系留氣球; 2.上平臺(tái)護(hù)欄; 3.固定平臺(tái); 4.導(dǎo)向滑輪; 5.托架氣墊; 6.纜繩通道; 7.平臺(tái)基座; 8.系留支臂; 9.輔助絞車(chē); 10.回轉(zhuǎn)平臺(tái); 11.回轉(zhuǎn)支承; 12.回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置; 13.絞盤(pán); 14.儲(chǔ)纜絞車(chē); 15.電控柜; 16.回轉(zhuǎn)基座; 17.扶梯; 18.設(shè)備室; 19.操縱室; 20.系留塔; 21.塔頂護(hù)欄; 22.頭錐鎖; 23.艦船

圖1 錨泊設(shè)備示意圖

2 艦載系留氣球虛擬樣機(jī)模型的建立

系留氣球在錨泊狀態(tài)及近地面放飛、回收時(shí)，通過(guò)頭錐及氣球中部左側(cè)、右側(cè)系留點(diǎn)，與錨泊設(shè)備相對(duì)的頭錐鎖及系留支臂固定，并通過(guò)輔助絞車(chē)進(jìn)行制動(dòng)，使系留氣球與錨泊設(shè)備回轉(zhuǎn)平臺(tái)保持位置上的相對(duì)固定[3]，當(dāng)風(fēng)作用到球體上時(shí)，球體將會(huì)帶動(dòng)錨泊平臺(tái)一起順漿與風(fēng)向一致。

2.1 船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)樣機(jī)模型

本研究設(shè)計(jì)的船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)采用兩自由度平臺(tái)機(jī)構(gòu)，其包括一個(gè)固定平臺(tái)、一個(gè)動(dòng)平臺(tái)、4個(gè)單伸出液壓缸、通過(guò)給平臺(tái)按照實(shí)際運(yùn)動(dòng)形式添加約束副并給與一定的驅(qū)動(dòng)函數(shù)驅(qū)動(dòng)[4]，可實(shí)現(xiàn)模擬船舶甲板橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)。船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。

圖2 船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的虛擬樣機(jī)模型

本文依據(jù)GB/T 12932《船用臂架起重機(jī)》的設(shè)計(jì)規(guī)范，船體公稱回轉(zhuǎn)按橫搖5°和縱搖2°考慮設(shè)計(jì)[5]，同時(shí)根據(jù)船舶自由橫搖周期估算公式，計(jì)算得到船舶橫搖、縱搖周期分別為15 s和10 s，在LMS Virtual.Lab Motion中對(duì)平臺(tái)添加一定驅(qū)動(dòng)函數(shù)即可模擬船舶的橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)，船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的橫搖、縱搖仿真曲線如圖3、圖4所示。

圖3 橫搖5°動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)曲線

圖4 縱搖2°動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)曲線

由圖3、圖4所示的角度和時(shí)間仿真曲線光滑，振幅和周期滿足橫搖5°、縱搖2°的設(shè)計(jì)要求，可以推斷的機(jī)械運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間未發(fā)生干涉，符合本次研究目的。

2.2 艦載系留氣球虛擬樣機(jī)模型

由于錨泊回轉(zhuǎn)平臺(tái)的回轉(zhuǎn)性能受錨泊平臺(tái)的質(zhì)量分布、回轉(zhuǎn)中心位置、球體的影響，為提高模型精確性，在建立起模型時(shí)按照現(xiàn)有車(chē)載式錨泊平臺(tái)和球體結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行建立。利用軟件豐富的約束副和力單元庫(kù)模型，對(duì)各部件按照實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系和受力形式添加約束副和作用力[6]。

建模過(guò)程中模型簡(jiǎn)化及模型參數(shù)設(shè)置如下：

1) 球體(包含頭錐)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)(包含系留塔、系留支臂、托架)、船體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為剛體；

2) 頭錐與系留塔之間約束為球鉸約束，回轉(zhuǎn)平臺(tái)與船體上平臺(tái)添加轉(zhuǎn)動(dòng)副；

3) 中部機(jī)械索具及輔助索具設(shè)置為只承受拉力載荷的彈簧單元，索具彈性模量E=5 500 MPa，中部機(jī)械索具直徑14 mm，輔助索具直徑8 mm，計(jì)算過(guò)程采用各自的整體等效剛度數(shù)據(jù)；

4) 氣墊直徑940 mm，氣墊與氣囊之間設(shè)置為接觸力，接觸剛度20 000 N/m；

5) 假設(shè)風(fēng)速恒定且水平方向保持不變，根據(jù)艦載系留氣球的使用工況為不高于6級(jí)海況風(fēng)力7級(jí)環(huán)境使用，風(fēng)速為13.9～17.1 m/s，本研究仿真設(shè)定風(fēng)速20 m/s，同時(shí)根據(jù)AC-21-09系留氣球適航標(biāo)準(zhǔn)要求考慮風(fēng)向變化率為10(°)/s，設(shè)定在第2 s開(kāi)始1 s時(shí)間內(nèi)風(fēng)向變化10°，系留氣球氣動(dòng)系數(shù)采用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，風(fēng)向變化過(guò)程中每時(shí)刻的氣動(dòng)系數(shù)依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)插值計(jì)算得出，根據(jù)式(1)和式(2)即可計(jì)算其氣動(dòng)力和力矩，在相應(yīng)的載荷作用點(diǎn)施加浮力、氣動(dòng)阻力、升力、側(cè)力，氣動(dòng)力矩。

Pi=0.5ciρν2S

(1)

Mi=0.5miρν2Sl

(2)

式中：ci，mi為氣動(dòng)系數(shù)；ν為風(fēng)速(m/s)；Pi為與ci對(duì)應(yīng)的某一方向上的氣動(dòng)力；Mi為與mi對(duì)應(yīng)的某一方向上的氣動(dòng)力矩；S為參考面積，取310 m2；l為參考長(zhǎng)度，取48 m。

定義好的艦載系留氣球的虛擬樣機(jī)模型如圖5所示。仿真時(shí)給定風(fēng)速20 m/s、初始迎角0°，側(cè)滑角1 s變化10°，即可計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中頭錐和機(jī)械索具的載荷以及球體的姿態(tài)變化角度等參數(shù)[7]。

圖5 艦載系留氣球虛擬樣機(jī)模型

3 艦載系留氣球動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果分析

本研究主要對(duì)模型從船舶橫搖5°、船舶縱搖2°等兩個(gè)方面進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果主要從以下3點(diǎn)進(jìn)行分析：

1) 球頭錐、機(jī)械索具等部位受力狀態(tài)；

2) 球體的偏航角、俯仰角、橫滾角等姿態(tài)角參數(shù)；

3) 系統(tǒng)順漿響應(yīng)時(shí)間。

3.1 橫搖5°系統(tǒng)仿真結(jié)果

橫搖5°動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果如圖6、圖7所示，分析發(fā)現(xiàn)在橫搖5°的情況下，在風(fēng)向從第2～3 s時(shí)間內(nèi)變化10°后，氣球順漿重新對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向所需時(shí)間為7 s左右，順漿時(shí)間較短，同時(shí)順漿過(guò)程中各鎖具以及頭錐部分受力最大達(dá)到2.6 kN，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定后受力呈現(xiàn)一定的周期性變化，周期與艦載周期相同為15 s，在風(fēng)向瞬時(shí)變化10°時(shí)，加上船體橫搖5°的影響，球體橫滾角度較大，但隨著球體順漿重新對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，球體整體姿態(tài)趨于穩(wěn)定，并隨著船體橫搖呈現(xiàn)最大橫滾5°周期變化。圖8機(jī)械左右索具受力交替為0，分析可得當(dāng)球體隨船體進(jìn)行橫搖時(shí)，左右索具交替松弛的狀態(tài)。該結(jié)果說(shuō)明橫搖對(duì)系統(tǒng)的順漿性能影響較小，但對(duì)左右機(jī)械索具影響較大，在設(shè)計(jì)時(shí)可考慮在系留氣球與回轉(zhuǎn)平臺(tái)連接索具末端設(shè)置彈簧阻力機(jī)構(gòu)，以減少索具、蝴蝶結(jié)等結(jié)構(gòu)的沖擊載荷，同時(shí)提高索具的抗拉強(qiáng)度。

圖6 橫搖5°條件下球體姿態(tài)-時(shí)間變化曲線

圖7 橫搖5°條件下拉索受力-時(shí)間變化曲線

3.2 縱搖2°系統(tǒng)仿真結(jié)果

縱搖2°系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖8、圖9所示，結(jié)果顯示在縱搖2°的情況下，氣球順漿重新對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向所需時(shí)間與橫搖仿真結(jié)果相同，氣球順漿過(guò)程中球頭錐、機(jī)械索具等部位受力曲線與橫搖結(jié)果曲線相比波動(dòng)較小，同時(shí)當(dāng)氣球順漿重新對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向后，整體受力以及球體姿態(tài)變化呈現(xiàn)周期變化，周期與船體縱搖周期一致為10 s，該仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符，同時(shí)仿真結(jié)果顯示縱搖對(duì)系統(tǒng)的順漿性能影響較小。

圖8 縱搖2°條件下球體姿態(tài)-時(shí)間變化曲線

圖9 縱搖2°條件下拉索受力-時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

充分考慮了船體橫搖、縱搖帶來(lái)的振動(dòng)沖擊和傾斜的影響，以及風(fēng)載綜合作用下，球體偏轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的角度變化以及氣動(dòng)載荷的變化。利用LMS Virtual.Lab軟件建立了艦載系留氣球虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，分別輸出了20 m/s風(fēng)速下船體橫搖、縱搖影響下艦載系留氣球系留順漿過(guò)程中頭錐和中部機(jī)械索具的載荷曲線以及球體的姿態(tài)角變化曲線，該結(jié)果對(duì)艦載系留氣球的可行性分析和適裝性研究具有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)對(duì)艦載系留氣球整個(gè)技術(shù)領(lǐng)域起到積極的促進(jìn)作用。