攔阻著艦環(huán)境下的攔阻索索力識(shí)別方法研究

王陶 黃丹羽 陳國平 何歡

摘要：攔阻索的安全性是艦載機(jī)在航母上安全著艦的關(guān)鍵因素之一。針對(duì)艦載機(jī)攔阻著艦過程，提出了一種通過艦載機(jī)著艦攔阻過程中機(jī)體加速度求解攔阻索張力的方法。首先，根據(jù)艦載機(jī)攔阻鉤掛索后的受載情況，確定攔阻索載荷的傳力路徑，實(shí)現(xiàn)攔阻索索力的間接識(shí)別。然后，通過考慮攔阻索的彎折波特性，對(duì)索力識(shí)別方法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。最后，采用多體動(dòng)力學(xué)軟件MSC.ADAMS建立了離散攔阻索模型，對(duì)基于加速度的索力識(shí)別方法進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。分析結(jié)果顯示，攔阻索索力識(shí)別的平均誤差可以控制在5%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：艦載機(jī)；攔阻索；多體動(dòng)力學(xué)；索力識(shí)別；彎折波

中圖分類號(hào)：V222文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.005

航空母艦是現(xiàn)代遠(yuǎn)洋艦隊(duì)的核心，而艦載機(jī)則是航空母艦形成有效戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵因素[1-3]。由于航空母艦甲板長度有限，艦載機(jī)通常需要借助攔阻系統(tǒng)進(jìn)行著艦回收，而攔阻索是攔阻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。攔阻索的安全性不僅直接決定艦載機(jī)是否能安全著艦，也是保證航空母艦正常運(yùn)行的核心要素之一。為保障艦載機(jī)的著艦安全性，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)攔阻索損傷特征并及時(shí)更換。因此，準(zhǔn)確地確定攔阻索損傷情況對(duì)保證航母編隊(duì)的戰(zhàn)斗力具有非常重要的意義。

在橋梁領(lǐng)域，通過監(jiān)測拉索索力來判斷索結(jié)構(gòu)的安全性已有大量成功應(yīng)用案例，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[4-7]。在橋梁索力識(shí)別問題中，拉索長度通常被認(rèn)為是固定的，所以橋梁拉索可認(rèn)為是一種定常系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)測拉索的動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，再結(jié)合拉索動(dòng)力學(xué)模型來識(shí)別拉索的索力，從而判斷拉索的力學(xué)狀態(tài)。

與橋梁拉索不同，在艦載機(jī)攔阻系統(tǒng)的攔阻過程中，阻攔索載荷是由于艦載機(jī)攔阻鉤的拖拽而產(chǎn)生的，所以需要監(jiān)測索力的阻攔索并不是固定長度的繩索，而是會(huì)隨著艦載機(jī)攔阻減速，不斷從甲板下的攔阻系統(tǒng)中被抽出。這類時(shí)變系統(tǒng)模型與傳統(tǒng)的橋梁拉索力學(xué)模型之間存在顯著區(qū)別。此外，艦載機(jī)攔阻鉤在與攔阻索嚙合時(shí)，攔阻索會(huì)受到很大的沖擊作用，繩索在攔阻過程中并非始終保持軸線是平直的狀態(tài)，而是由直線預(yù)緊狀態(tài)變?yōu)槿切尾季值膽?yīng)力傳播狀態(tài)，這會(huì)對(duì)索內(nèi)張力造成較大影響[8]。針對(duì)攔阻索這一特點(diǎn)，張新禹[9]建立了考慮彎折波效應(yīng)的攔阻索模型，開展了攔阻索應(yīng)力波研究。Xu等[10]通過將繩索離散為等長圓柱剛體，建立了繩索的多體動(dòng)力學(xué)模型，開展了由于撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力波的傳播特性研究。羅青等[11]建立了一種計(jì)及彎折波的攔阻系統(tǒng)模型。張萍等[12]詳細(xì)分析了彎折波的形成及傳播過程，建立了一種離散彎折波構(gòu)型的數(shù)學(xué)模型，對(duì)攔阻過程最優(yōu)軌跡進(jìn)行了分析。沈文厚等[13-14]根據(jù)絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法建立了考慮彎折波效應(yīng)的繩索動(dòng)力學(xué)模型，研究了不同工況條件下的繩索應(yīng)力變化規(guī)律。然而，目前在索力識(shí)別方面，國內(nèi)外主要的研究對(duì)象為橋梁拉索，在艦載機(jī)攔阻過程中攔阻索索力識(shí)別方面，國內(nèi)外還鮮有公開文獻(xiàn)涉及。

針對(duì)艦載機(jī)著艦攔阻過程，本文提出一種基于艦載機(jī)加速度的攔阻索索力識(shí)別方法[15]。首先，本文根據(jù)艦載機(jī)攔阻著艦過程的受載特點(diǎn)，建立了機(jī)體動(dòng)力學(xué)方程，利用采集到的機(jī)體加速度數(shù)據(jù)并結(jié)合攔阻索傳力路徑完成攔阻索索力識(shí)別。然后，考慮繩索彎折波的影響，對(duì)基于加速度的索力識(shí)別方法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。最后，通過一個(gè)二維平面攔阻過程數(shù)值算例對(duì)本文所提方法的有效性進(jìn)行了說明。

1攔阻索索力識(shí)別

1.1艦載機(jī)著艦受力分析

1.2攔阻索索力

在艦載機(jī)攔阻著艦的過程中，攔阻索通過傳遞攔阻機(jī)構(gòu)提供的攔阻力實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)的攔停。在對(duì)攔阻索載荷進(jìn)行研究時(shí)，若只關(guān)注攔阻索的傳力路徑，則可以將繩索簡化為直線。假設(shè)攔阻鉤撞擊攔阻索后，攔阻索在運(yùn)動(dòng)過程中總是保持直線狀態(tài)，則可以認(rèn)為攔阻索內(nèi)部張力的方向會(huì)一直由鉤、索嚙合點(diǎn)指向滑輪處。于是，艦載機(jī)在攔阻著艦過程中所受攔阻力FLZ與攔阻索內(nèi)部張力T之間的幾何關(guān)系如圖2所示。

在圖2中，M為艦載機(jī)尾鉤與索之間的接觸點(diǎn)；TL、TR表示攔阻索在M點(diǎn)兩側(cè)的繩索內(nèi)部張力；FLZ為攔阻索對(duì)機(jī)體的攔阻力；γ為FLZ與甲板之間的夾角；βL、βR表示攔阻索在M點(diǎn)兩側(cè)的繩索相對(duì)于掛索前位置的夾角。xd代表飛機(jī)飛行的方向。為了便于說明問題，提出如下假設(shè)：（1）假設(shè)攔阻索系統(tǒng)對(duì)稱，且攔阻鉤垂直鉤住攔阻索中心位置；（2）假設(shè)在攔阻過程中攔阻索各處張力相等；（3）假設(shè)整個(gè)攔阻索采用同一種材質(zhì)。

3數(shù)值算例

3.1模型簡介

利用MSC.ADAMS進(jìn)行攔阻索建模。首先，將繩索分割為多段圓柱體，每個(gè)圓柱體的長度為ΔL，攔阻索的幾何及材料參數(shù)見表1。然后，采用柔性連接單元（即六自由度彈簧-阻尼器）將相鄰圓柱體進(jìn)行連接，如圖4所示，柔性連接單元的剛度和阻尼系數(shù)見表2。最后，建立定滑輪以及地面支撐架，并通過Contact定義攔阻索與它們之間的接觸關(guān)系。最終的攔阻系統(tǒng)模型如圖5所示。

為了說明問題方便，本算例假設(shè)艦載機(jī)在攔阻著艦運(yùn)動(dòng)過程中攔阻鉤與攔阻索掛點(diǎn)始終保持在攔阻索所在的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并且在攔阻鉤掛索后攔阻鉤與攔阻索之間不存在相對(duì)滑動(dòng)的現(xiàn)象。所以，在進(jìn)行二維平面內(nèi)的攔阻索動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，可以將艦載機(jī)與攔阻鉤作為一個(gè)整體部件進(jìn)行剛性化建模。建模過程中需要保證其質(zhì)量與初始條件與原艦載機(jī)模型相同，攔阻鉤部分保留其原有的幾何構(gòu)型，通過接觸屬性定義其與攔阻索之間的碰撞作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)攔阻索的抽出和拖拽。等效艦載機(jī)模型的相關(guān)參數(shù)見表3。

3.2攔阻索索力識(shí)別分析

通過仿真計(jì)算，艦載機(jī)可以在3s左右完成整個(gè)攔阻過程。提取圖4所示的離散攔阻索模型中的柔性連接單元軸向力等效替代索力值，圖6給出了攔阻索索力時(shí)域曲線，該索力曲線可以作為后續(xù)索力識(shí)別的參考值。

基于離散繩索模型進(jìn)行攔阻仿真，圖7～圖9分別給出了艦載機(jī)速度、位移以及加速度變化曲線。從圖中可以看出，經(jīng)2.6s左右，艦載機(jī)位移約為95m。

基于艦載機(jī)實(shí)時(shí)位置可以確定攔阻索張角隨時(shí)間變化的曲線，如圖10所示。利用本文提出的基于加速度的索力識(shí)別方法處理后，所得的攔阻索索力識(shí)別結(jié)果曲線與參考值之間的對(duì)比如圖11所示。從圖中可以看出，在攔阻的初期，尤其是攔阻鉤碰撞攔阻索瞬間，通過加速度識(shí)別方法得到的索力與實(shí)測索力有較大誤差。但在隨后的攔阻過程中，索力識(shí)別結(jié)果都可以與實(shí)測結(jié)果較好地符合。對(duì)索力識(shí)別結(jié)果分掛索早期與掛索中后期兩個(gè)階段進(jìn)行誤差分析，這兩段時(shí)間歷程上的最大誤差與平均誤差見表4。

圖12為仿真分析得到的攔阻索不同階段的變形情況。可見，在實(shí)際攔阻過程中，攔阻索無法保證掛點(diǎn)與滑輪間繩索滿足直線構(gòu)型的假設(shè)。由于攔阻鉤的撞擊，繩索產(chǎn)生彎折波效應(yīng)對(duì)攔阻索掛點(diǎn)處的張角有較為明顯的影響。從圖12可以看出，這種彎折效應(yīng)在攔阻初期的影響較大，兩端繩索還保持原位置的直線狀態(tài)時(shí)，鉤與索的掛點(diǎn)已向前運(yùn)動(dòng)了一段距離，此種狀態(tài)下，機(jī)體所受攔阻力與繩索內(nèi)部張力之間的夾角與繩索直線構(gòu)型假設(shè)下的角度有明顯不同。

因此，通過引入繩索彎折波特性重新對(duì)攔阻過程攔阻索索力進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)彎折波的波速與飛機(jī)位移可以重新構(gòu)建考慮彎折波效應(yīng)的繩索構(gòu)型，從而得到更加精確的攔阻力與繩索內(nèi)部張力之間的幾何關(guān)系。

圖13和圖14分別為采用直線假設(shè)的攔阻過程繩索構(gòu)型和考慮折波效應(yīng)的攔阻過程繩索構(gòu)型。對(duì)比修正前后的攔阻索幾何構(gòu)型可以看出，采用直線構(gòu)型假設(shè)時(shí)，攔阻初期的繩索幾何構(gòu)型與實(shí)際情況有較大的差異，從而導(dǎo)致在求解攔阻力與繩索內(nèi)部張力之間的夾角時(shí)會(huì)引入較大的誤差。所以，考慮繩索彎折效應(yīng)十分必要。在此基礎(chǔ)上，對(duì)掛索初期索力進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化識(shí)別，其識(shí)別結(jié)果如圖15所示。

從圖15索力識(shí)別結(jié)果可以看出，攔阻鉤撞擊攔阻索初期的攔阻索張力識(shí)別的最大誤差約為80kN。將考慮彎折波效應(yīng)前后攔阻過程中0～0.5s時(shí)間段的索力識(shí)別情況進(jìn)行對(duì)比，見表5，相比直線構(gòu)型假設(shè)下的約124kN的最大誤差，考慮彎折波效應(yīng)后的識(shí)別方法的識(shí)別精度得到了顯著的提高，整個(gè)攔阻早期階段的平均誤差與誤差百分比均大幅降低。

4結(jié)論

針對(duì)攔阻工作狀態(tài)下攔阻索索力難以直接測試的問題，本文提出了通過艦載機(jī)著艦攔阻過程中機(jī)體加速度求解攔阻索張力的方法，然后引入繩索彎折波效應(yīng)的影響，對(duì)識(shí)別方法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。主要結(jié)論如下。

（1）通過監(jiān)測機(jī)體加速度的方法可以有效識(shí)別攔阻索在艦載機(jī)攔阻著艦過程中沿軸向的索內(nèi)張力。

（2）通過考慮攔阻索彎折波效應(yīng)，可以有效降低攔阻初期階段的攔阻索索力識(shí)別誤差。而攔阻中后期仍可保留嚙合點(diǎn)與滑輪間繩索的直線假設(shè)。結(jié)果顯示，該階段的平均誤差仍可控制在3%左右。

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Research on Identification Method of Arresting Cable Force for Carrier Based Aircraft Arresting Landing

Wang Tao，Huang Danyu，Chen Guoping，He Huan

State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

Abstract： The safety of arresting cable is one of the key factors for carrier based aircraft’s safe landing on aircraft carrier. Aiming at the arresting and landing process of carrier based aircraft， a cable force identification method based on acceleration of carrier aircraft is proposed. Firstly， according to the dynamic relationship between the carrier aircraft and the arresting cable， the transmission path of arresting cable load is determined to realize the indirect identification of arresting cable force. Then， the cable force identification method is improved by considering the kink wave characteristics of the arresting cable. Finally， a discrete arresting cable model is established by using multi-body dynamics software MSC. ADAMS， and the acceleration based cable force identification method is analyzed and verified. The results show that the average error of arresting cable force identification can be controlled within 5%.

Key Words： carrier aircraft； arresting cable； multi-body dynamics； identification of the cable force； kink wave

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