兩棲應(yīng)急救援運(yùn)載平臺(tái)水動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)研究

李占龍, 孫海瑞*, 諸小武, 郝鵬祥, 羅騫, 張正, 高山鐵

(1.太原科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院, 太原 030024; 2.貴州詹陽(yáng)動(dòng)力重工有限公司, 貴陽(yáng) 550006)

中國(guó)自然災(zāi)害多種類、寬地域、高頻率的特征愈發(fā)突出[1],災(zāi)害的突發(fā)性和異常性愈發(fā)明顯,使風(fēng)險(xiǎn)防控和應(yīng)急處置面臨巨大挑戰(zhàn)。加大先進(jìn)適用裝備配備力度,構(gòu)建中國(guó)公共安全應(yīng)急救援裝備體系,是應(yīng)對(duì)極端地域環(huán)境、開(kāi)展高效救援-運(yùn)輸、全面實(shí)現(xiàn)“全災(zāi)種、大應(yīng)急”背景下科學(xué)應(yīng)急和智慧應(yīng)急的重要保障[2]。在面對(duì)極端災(zāi)害環(huán)境、復(fù)雜地形條件及多災(zāi)種并發(fā)的大應(yīng)急救援時(shí),專常兼?zhèn)?、反?yīng)迅速、上下聯(lián)動(dòng)的應(yīng)急救援能力仍顯不足,尤其對(duì)于具備涉水越野能力、多功能救援能力、水陸兩棲救援能力的需求越來(lái)越急迫[3]。

水陸兩棲車輛是一種具有陸地通行與水上航行能力、同時(shí)具備車輛與船舶兩者性能,能夠?qū)崿F(xiàn)入水與登錄功能的特種車輛。因其能在各種復(fù)雜的地形環(huán)境下作業(yè),故多應(yīng)用于應(yīng)急救援領(lǐng)域。由于水陸兩棲車輛主要作業(yè)場(chǎng)景為陸地,故其外形多為陸地車輛樣式的非流線造型,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在水下航行時(shí)有著復(fù)雜的水下動(dòng)力學(xué)特性。設(shè)計(jì)時(shí)在保證其陸地上的通過(guò)性和作業(yè)功能的前提下,還要考慮其水下的航行性能,因此在設(shè)計(jì)階段對(duì)于水陸兩棲車輛的水下動(dòng)力學(xué)分析十分重要。針對(duì)水陸兩棲車輛復(fù)雜的水下特性,中外學(xué)者開(kāi)展了一系列研究,現(xiàn)將從水陸兩棲車輛的阻力特性、穩(wěn)態(tài)研究、操縱性研究、動(dòng)力裝置4個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)與闡述,為后續(xù)學(xué)者研究提供參考。

1 阻力特性

水陸兩棲車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜,流線型差,水下航行受到的阻力較大,其外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水陸兩棲救援車輛Fig.1 Amphibious rescue vehicle

同船舶相似,其阻力類型主要分為形狀阻力、興波阻力和摩擦阻力,每種阻力在不同車型、不同速度下占比各不同。通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)或仿真模擬計(jì)算對(duì)航行過(guò)程中的水陸兩棲車輛進(jìn)行阻力分析,提出減阻方案,實(shí)現(xiàn)水陸兩棲車輛的減阻增速,提高其快速性。

1.1 阻力分析方法

傳統(tǒng)水陸兩棲車輛水動(dòng)力學(xué)分析主要采用實(shí)車水池試驗(yàn),試驗(yàn)周期較長(zhǎng),成本較高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)被廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)域,用于研究船體周圍流場(chǎng)和其快速性。水陸兩棲車輛下水后為一種特殊船體,其水上性能的研究與船舶有一定的相似性,CFD因此也被應(yīng)用于水陸兩棲車輛水下性能研究。相比于實(shí)車試驗(yàn),計(jì)算機(jī)仿真模擬使水陸兩棲車輛阻力預(yù)測(cè)周期更短,成本更低,能較為準(zhǔn)確地分析阻力的大小及成分。

李莉等[4]使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、兩方程k-ε湍流模型(k為湍動(dòng)能、ε為耗散率)和有限容積法求解水陸兩棲車輛模型的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng),預(yù)測(cè)了其航行阻力,并實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)可視化分析。徐國(guó)英等[5]采用相同方法與模型,通過(guò)混合網(wǎng)格布置方法,對(duì)不計(jì)自由面的水陸兩棲車輛的黏性繞流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析表明該方法低速情況下對(duì)水陸兩棲車輛阻力預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度較高。徐國(guó)英等[6]采用slidingmesh方法,使用k-ε模型,混合網(wǎng)格布置方法,較準(zhǔn)確地模擬了水陸兩棲車輛水上行駛過(guò)程中阻力和浮態(tài)隨速度變化規(guī)律,為水陸兩棲車輛的水上性分析提供了參考依據(jù)。李玉良等[7]以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選擇VOF(volume of fluid)多相流計(jì)算模型,混合網(wǎng)格劃分方法,給出了計(jì)算結(jié)果收斂評(píng)價(jià)指標(biāo),并選用穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)靜網(wǎng)格和瞬態(tài)動(dòng)網(wǎng)格對(duì)水陸兩棲車輛流體體積函數(shù)多相流模型模擬計(jì)算,實(shí)現(xiàn)模擬阻力誤差在10%以內(nèi)。王濤等[8]基于計(jì)算流體力學(xué),使用Fluent軟件對(duì)不計(jì)自由面的水陸兩棲車輛黏性繞流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真,得到了較好視覺(jué)效果與詳細(xì)的流場(chǎng)信息,如圖2[8]所示,展示了模擬與試驗(yàn)的流場(chǎng)狀態(tài)比較,對(duì)比兩者壓力分布特點(diǎn)基本相同,表明仿真的可行性。

圖2 速度v=1.61 m/s時(shí)模擬和實(shí)驗(yàn)的流場(chǎng)狀態(tài)比較[8]Fig.2 Comparison of flow field state between simulation and experiment when velocity v=1.61 m/s[8]

宋桂霞等[9]采用k-ε湍流模型并使用混合網(wǎng)格對(duì)水陸兩棲車輛模型的流場(chǎng)進(jìn)行離散,模擬車體水中繞流及阻力情況,對(duì)比試驗(yàn)證明數(shù)值模擬在水陸兩棲車輛阻力分析中的可行性。王濤等[10]采用雷諾時(shí)均N-S方程(Reynolds equation,RANS)、剪切應(yīng)力運(yùn)輸型k-ε模型及有限體積法,通過(guò)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分處理,對(duì)水陸兩棲車輛模型的繞流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果誤差約為5%,并得到各阻力成分的系統(tǒng)參數(shù)及所占比例,如圖3[10]、圖4[10]所示,當(dāng)速度較低時(shí),水陸兩棲車輛阻力主要為黏壓阻力,占比在75%以上,但隨著速度增加,興波阻力的比重在逐漸增大。李莉等[11]建立了某型號(hào)水陸兩棲車輛興波阻力數(shù)學(xué)模型,計(jì)算了興波阻力,并采用CFD方法進(jìn)行了車體外部的流場(chǎng)分析,計(jì)算和仿真結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,為兩棲車輛阻力預(yù)測(cè)與降阻提供參考。Sebnem等[12]研究了兩棲運(yùn)兵車的水下通過(guò)性,通過(guò)自推試驗(yàn),記錄分析車輛航行過(guò)程中不同速度下的阻力和側(cè)向力,并研究車艏、車尾的水流軌跡,對(duì)推進(jìn)器的選型提出一定意見(jiàn),為水陸兩棲車輛整體設(shè)計(jì)提供了一定參考。高富東等[13]以某型兩棲車為研究對(duì)象,考慮動(dòng)升力和自由液面的影響,運(yùn)用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行高速迎浪航行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的三維繞流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,解決了由于忽略興波特性導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算結(jié)果隨航速提高誤差不斷增大的問(wèn)題,為兩棲車外形設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖3 各阻力成分隨速度的變化[10]Fig.3 Variation of resistance components with speed[10]

圖4 各阻力成分所占比重隨速度的變化[10]Fig.4 Change of proportion of each resistance component with speed[10]

郭張霞等[14]通過(guò)N-S(Navier-Stokes,N-S)方程,結(jié)合k-ε模型,對(duì)不同航速的水陸兩棲車輛進(jìn)行黏性流場(chǎng)數(shù)值模擬,獲得水陸兩棲車輛不同阻力類型的阻力系數(shù)及總阻力,模擬精度較高,方法可靠。Wang等[15]采用雷諾平均N-S方程、混合網(wǎng)格劃分的方法對(duì)水陸兩棲車輛進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)模擬仿真,與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比結(jié)誤差保持在12%以內(nèi),仿真與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較高。杜子學(xué)等[16]采用數(shù)值仿真的方法對(duì)水陸兩棲車輛水上繞流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,準(zhǔn)確得到了其航行阻力和興波特性,為水陸兩棲車輛的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定參考。趙秀國(guó)等[17]采用CFD對(duì)雙廂履帶式衛(wèi)生急救車的水上行駛阻力特性進(jìn)行了仿真,發(fā)現(xiàn)前后車之間區(qū)域以及后車后部形成渦旋運(yùn)動(dòng),大幅度增加黏壓阻力;前后車前部方形結(jié)構(gòu)使這些區(qū)域形成高壓區(qū),形成車體繞流阻力;但因其航行速度較低,形成的興波阻力較小,為雙廂兩棲車的阻力分析提供一定參考。徐一新等[18]采用k-ε兩方程湍流模型并采用內(nèi)密外疏的網(wǎng)格對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行離散,模擬發(fā)現(xiàn)車尾形狀和車輪變化對(duì)繞流場(chǎng)及阻力變化有較大影響,行駛環(huán)境的改變同樣會(huì)對(duì)阻力產(chǎn)生較大影響,為水陸兩棲車輛局部?jī)?yōu)化提供一定指導(dǎo)。萬(wàn)曉偉等[19]基于CFD外流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法,構(gòu)建水陸兩棲車輛水上運(yùn)動(dòng)模型,將運(yùn)動(dòng)模型引入車輛水上繞流場(chǎng)計(jì)算,實(shí)現(xiàn)車輛水上航態(tài)與車輛繞流場(chǎng)的同步計(jì)算,對(duì)較精確預(yù)測(cè)了水陸兩棲車輛航行阻力。More等[20]采用CFD理論對(duì)兩棲裝甲車進(jìn)行模擬分析,得出其穩(wěn)定性結(jié)果與阻力值,通過(guò)對(duì)兩棲裝甲車等比縮放,進(jìn)行拖曳試驗(yàn),將測(cè)量數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比證明了數(shù)值模擬方法的可行性。Jiang等[21]對(duì)輪式兩棲裝甲車模擬仿真,分析了其結(jié)構(gòu)與阻力的關(guān)系,探究了水陸兩棲車輛影響阻力與航態(tài)的原因并提出解決手段,并開(kāi)發(fā)了一種高效的水陸兩棲車輛水動(dòng)力性能分析方法,應(yīng)用前景廣闊。Suresh等[22]采用數(shù)值模擬的方法模擬了兩棲艇的水下運(yùn)動(dòng),分析其水動(dòng)力性能,為小型兩棲車輛水下性能分析作提供了參考。王少新等[23]基于CFD方法和重疊網(wǎng)格技術(shù)建立雙廂水陸兩棲車輛多體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值仿真模型,采用VOF、DFBI(dynamic fluid body interaction)方法對(duì)其進(jìn)行多自由度直航狀態(tài)模擬,較好地實(shí)現(xiàn)雙廂水陸兩棲車輛水動(dòng)力性能預(yù)報(bào),為雙廂水陸兩棲車輛設(shè)計(jì)分析提供參考。圖5[23]為仿真設(shè)置,其中L為雙廂水陸兩棲車的車長(zhǎng),試驗(yàn)池長(zhǎng)為2.5倍車長(zhǎng),寬為1.5倍車長(zhǎng)。

圖5 邊界條件設(shè)置[23]Fig.5 Setup of boundary conditions[23]

周利蘭等[24]采用雷諾平均方程的有限體積方法對(duì)靜水中有無(wú)開(kāi)口狀態(tài)的水陸兩棲車輛阻力及航態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)合疊模計(jì)算結(jié)果對(duì)其各阻力成分分析,得出阻力與速度的關(guān)系,通常采用與船舶質(zhì)量相關(guān)的體積弗勞德數(shù)Fr▽表示船的相對(duì)速度,圖6[24]、圖7[24]分別為Fr▽=1.297時(shí)的自由液面波形圖和縱截面壓力分布,開(kāi)口模型車首波峰和摩擦阻力較大,開(kāi)口內(nèi)有負(fù)壓,壓差阻力較大,為水陸兩棲車輛局部?jī)?yōu)化提供了一定的參考,其中弗勞德數(shù)Fr▽定義為

圖6 有無(wú)開(kāi)口的水陸兩棲車輛模型的自由液面波形圖對(duì)比(Fr▽=1.297)[24] Fig.6 Free surface wave pattern comparison of models with and without openings(Fr▽=1.297)[24]

圖7 有無(wú)開(kāi)口的水陸兩棲車輛模型縱截面壓力分布對(duì)比[24]Fig.7 Comparison of longitudinal pressure distribution of amphibious vehicle models with and without openings[24]

(1)

式(1)中:v為兩棲車輛水下航行速度;V為車體運(yùn)動(dòng)的排水體積;g為重力加速度,取值為9.81 m/s2。

張大朋等[25]利用Maxsurf Motions程序中的切片理論和面元法探討其在船舶耐波性分析中的可行性,并分析Motions模塊計(jì)算誤差原因,結(jié)果表明:其可以對(duì)船舶實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)以及波浪增阻的計(jì)算,并對(duì)于附加質(zhì)量系數(shù)和阻尼系數(shù)的中高頻波段的計(jì)算精度較高,縱搖響應(yīng)的計(jì)算精度較高。相對(duì)于兩棲車輛的耐波性計(jì)算,此方法也有一定的借鑒指導(dǎo)作用。

1.2 局部?jī)?yōu)化減阻

為了降低水陸兩棲車輛水下航行阻力、提高其水下航行機(jī)動(dòng)性及快速性,通過(guò)對(duì)水陸兩棲車輛進(jìn)行模擬仿真,分析影響其航行阻力的因素,提出局部?jī)?yōu)化措施,實(shí)現(xiàn)水陸兩棲車輛的減阻增。

加裝滑板可以有效降低水陸兩棲車輛的航行阻力,防止車輛水下出現(xiàn)埋首現(xiàn)象,按位置劃分,滑板分為防浪板、尾翼板和側(cè)翼板,不同位置的板在水陸兩棲車輛航行時(shí)有著不同的作用。

宋桂霞等[26-27]仿真分析發(fā)現(xiàn),尖型防浪板相較于平型防浪板對(duì)水流有著更好好的導(dǎo)流作用,能夠降低水的沖擊力,減少興波現(xiàn)象和航行阻力,且將車輪收起可減小33%的形狀阻力,為水陸兩棲車輛減阻方法提供一定思路。Robert等[28]通過(guò)實(shí)車試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在水陸兩棲車輛前加裝豎直放浪板,能夠平緩車體產(chǎn)生的弓形波,減小阻力,并測(cè)得最佳安裝位置。周景濤等[29]采用滑移網(wǎng)格方法實(shí)現(xiàn)車輛航行姿態(tài)的變化,在Fluent中模擬有無(wú)防浪板情況的阻力、吃水深和縱傾角隨速度的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)較高速度下,間歇式防浪板能有效減少總阻力、吃水深和縱傾角,提高了水陸兩棲車輛水上行駛的穩(wěn)定性。圖8[29]為模擬車首興波現(xiàn)象,顯示加裝防浪板可以有效減少車首興波現(xiàn)象。

圖8 車首的興波現(xiàn)象[29]Fig.8 Wave making phenomenon of the car head[29]

余祖耀等[30]闡述了水陸兩棲車輛滑板滑行機(jī)理,分析水陸兩棲車輛在不同滑板角度組合和不同速度下的阻力和升力特性,求出最佳滑板角度組合范圍,圖9[30]為前后滑板角度組合α/β/θ,其中,α為首端上夾角,β為首端下夾角,θ為尾端夾角;圖10[30]為不同角度組合的阻力隨速度變化曲線,當(dāng)組合角度α/β/θ=8°/15°/25°時(shí)減阻效果最好,為水陸兩棲車輛提供了優(yōu)化思路。

圖9 前后滑板組合[30]Fig.9 Front and rear sliding plate combination[30]

圖10 各滑板角度組合在不同航速下的阻力曲線[30]Fig.10 Resistance curve of each slide angle combination at different speeds[30]

Et為總阻力的減阻率;Ef、Er分別為摩擦阻力和剩余阻力的減阻率;v為兩棲車航行速度圖11 阻力成分減阻率分析(θ = 10°,L = 156 mm) [35]Fig.11 Analysis of drag reduction rate of drag component(θ=10°,L=156 mm)[35]

毛明等[31]通過(guò)模擬仿真,分析了防浪板對(duì)整車航行阻力、升力、縱向俯仰力矩的作用,分析發(fā)現(xiàn)分段式防浪板較于弧型和平型防浪板有著最佳的工程結(jié)構(gòu);防浪板寬度最佳為車體寬度的0.75倍;與車體距離增加,升力減小,航行阻力增加;與車底角度越大,縱向恢復(fù)力矩增加顯著。Lee等[32]通過(guò)拖曳與自航試驗(yàn)探究了防浪板與尾翼板對(duì)水陸兩棲車輛阻力與縱傾角的影響,并發(fā)現(xiàn)推進(jìn)器噴射水流能夠增強(qiáng)尾翼板的升力。Sergei等[33]提出了水陸兩棲車輛翼板對(duì)于提高水陸兩棲車輛航行速度的解決方案,探究其對(duì)雙體車作用機(jī)理。

Sun等[34]通過(guò)CFD仿真模擬與模型拖曳試驗(yàn)的方法探究了尾翼板角度和長(zhǎng)度對(duì)阻力性能的影響,為水陸兩棲車輛設(shè)計(jì)提供參考。孫承亮等[35]對(duì)分段式水陸兩棲車輛分別進(jìn)行了水池試驗(yàn)和仿真研究,兩者研究結(jié)果一致性良好,仿真發(fā)現(xiàn)車體縱向重心為540～560 mm時(shí)車體阻力最小,當(dāng)速度為3 m/s時(shí),長(zhǎng)度L為156 mm與水平面夾角θ為10°的減阻效果最好,減阻率達(dá)到34.3%,圖11[35]為減阻率分析,可以看出,剩余阻力的減阻率對(duì)減阻的貢獻(xiàn)在90%以上。

杜尊峰等[36]采用剪切應(yīng)力傳輸SSTk-ω湍流模型以及重疊網(wǎng)格技術(shù),對(duì)高速狀態(tài)下兩棲平臺(tái)的靜水直航進(jìn)行CFD數(shù)值仿真計(jì)算,比較不同壓浪板作用下平臺(tái)姿態(tài)及穩(wěn)定性的變化特性,發(fā)現(xiàn)壓浪板可減小航行縱傾角并提高平臺(tái)穩(wěn)定狀態(tài)下能夠達(dá)到的最大航速,并且壓浪板的下旋角度越大,其姿態(tài)穩(wěn)定性的影響越顯著,為兩棲車實(shí)現(xiàn)減阻增速提供一定的指導(dǎo)作用。

水陸兩棲車輛車體多為鈍體,因此在水下受到的阻力較大,在保證其陸地作業(yè)能力的同時(shí),通過(guò)優(yōu)化車體外形,降低車體產(chǎn)生的形狀阻力,使水陸兩棲車輛在水下航行時(shí)受到的阻力更小。

董陽(yáng)等[37]對(duì)水陸兩棲車輛模型進(jìn)行靜水航行的數(shù)值模擬,通過(guò)對(duì)車體黏壓阻力系數(shù)和摩擦阻力系數(shù)的分析,提出減小車首傾角和車首車尾圓角化局部?jī)?yōu)化方案。高富東等[38-39]對(duì)車體繞流場(chǎng)進(jìn)行三維瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算,得到繞流場(chǎng)的速度與壓力分布、阻力和興波特性,并提出了兩棲車的外形優(yōu)化方案,驗(yàn)證減阻效果可達(dá)51.2%,結(jié)果誤差低于9%,為兩棲車優(yōu)化外形提供一定參考。鄭翔玉等[40-41]通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析了輪式水陸兩棲車輛車輪提升與非提升情況下的行駛阻力,證明車輪提升能有效減小航行阻力。鄭翔玉等[42]設(shè)計(jì)了一種車輪收放裝置,并通過(guò)模擬分析,證明車輪收起對(duì)水陸兩棲車輛航行阻力有很好的減小效果。通過(guò)調(diào)整水陸兩棲車輛的縱傾角,改變其水下的航行姿態(tài),實(shí)現(xiàn)水陸兩棲車輛的減阻提速。李玉良等[43]采用VOF多相流模型進(jìn)行仿真計(jì)算,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大車輛縱傾、在裙板上安裝薄翼板,能有效減小車體阻力。劉勇等[44]通過(guò)仿真分析,發(fā)現(xiàn)排水型水陸兩棲車輛最佳航行角為0°,滑水型水陸兩棲車輛最佳航行角為5°。劇冬梅等[45]通過(guò)對(duì)水陸兩棲車輛數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,研究了高速水陸兩棲車輛不同縱傾角下的阻力特性,如圖12[45]所示,在小縱傾角(≤5°)情況下隨著弗勞德數(shù)Fr增加阻力不斷增大,大縱傾角(≥10°)情況下隨著Fr增加阻力不斷增大,阻力先增加后趨于穩(wěn)定。在高速行駛時(shí)適當(dāng)?shù)脑龃罂v傾角對(duì)于減小航行阻力尤為重要。

R為實(shí)際阻力;D為車重圖12 不同縱傾角下的阻力特性曲線[45]Fig.12 Resistance characteristic curves at different trim angles[45]

2 穩(wěn)態(tài)研究

穩(wěn)態(tài)主要包括水陸兩棲車輛的浮性和穩(wěn)性。良好的穩(wěn)態(tài)性能能夠保證水陸兩棲車輛水下正常航行,設(shè)計(jì)階段通過(guò)試驗(yàn)仿真對(duì)水陸兩棲車輛穩(wěn)態(tài)進(jìn)行研究分析,可以探究水陸兩棲車輛水下航行過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)變化,提高水陸兩棲車輛水下航行性能。

2.1 浮性分析

水陸兩棲車輛在各種裝載情況下浮于靜水后保持的平衡狀態(tài)為水陸兩棲車輛的浮性,主要分為正浮、橫傾、縱傾和任意浮態(tài)。

劉鋒等[46]利用SolidWorks建立模型與坐標(biāo)系,采用二分法求解了水陸兩棲車輛定姿態(tài)浮心位置,通過(guò)對(duì)車輛的受力、運(yùn)動(dòng)分析確定其浮態(tài),并使用API函數(shù)對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),編寫水陸兩棲車輛靜水穩(wěn)性分析程序,實(shí)現(xiàn)快速精確的浮性計(jì)算與穩(wěn)性分析。

2.2 穩(wěn)性分析

水陸兩棲車輛在水中航行過(guò)程中會(huì)受到風(fēng)浪等外力的影響,使車體產(chǎn)生一定的傾斜,外力消失后能恢復(fù)平衡位置的能力叫穩(wěn)性,穩(wěn)性對(duì)水陸兩棲車輛載人載貨及正常航行至關(guān)重要。

姚新民等[47]研究了水陸兩棲車輛水上穩(wěn)性問(wèn)題,建立了基于水動(dòng)力學(xué)的振動(dòng)模型,對(duì)模型的求解過(guò)程進(jìn)行討論。潘玉田等[48]提出在水陸兩棲車輛加裝減搖鰭控制系統(tǒng)以減少其橫搖的方案,探討其工作原理、實(shí)現(xiàn)方法,并使用MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證該方法的可行性。徐國(guó)英等[49]對(duì)水陸兩棲車輛在波浪中的線性搖蕩問(wèn)題進(jìn)行了描述,實(shí)驗(yàn)得出其行走機(jī)構(gòu)在橫搖、垂蕩情況下的共振頻率和無(wú)因次阻尼系數(shù);針對(duì)搖蕩問(wèn)題,提出調(diào)整車輛設(shè)計(jì)屬性和改變航行速度或航向角的改善方法。宋桂霞等[50]通過(guò)降低懸架系統(tǒng)定位點(diǎn)的方法改進(jìn)了水陸兩棲車輛車輪收放功能,并分析了定位點(diǎn)降低引起的抗傾能力下降的原因,提出增大螺旋彈簧剛度和穩(wěn)定桿直徑的改善方法,并仿真驗(yàn)證了其可行性。王濤等[51]采用N-S方程結(jié)合造波機(jī)理論模擬出數(shù)值波浪水池,對(duì)水陸兩棲車輛波浪中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,實(shí)現(xiàn)了水陸兩棲車輛耐波性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),為水陸兩棲車輛耐波性研究提供了參考,并有效預(yù)報(bào)其在波浪航行的阻力、升力、航態(tài)變化。徐國(guó)英等[52]對(duì)5種兩棲裝甲車輛在波浪中航行的搖蕩問(wèn)題進(jìn)行了研究分析,提出在航行時(shí)通過(guò)增大水陸兩棲車輛阻尼系數(shù)的方法來(lái)減小猛烈的搖蕩,通過(guò)改變車輛航向和航速以避開(kāi)諧搖區(qū)的方法,為后續(xù)研究提供一定的參考。圖13[52]顯示了3種搖蕩類型。

圖13 3種典型搖蕩[52]Fig.13 Three typical toss[52]

馬新謀等[53]提出根據(jù)水陸兩棲車輛自由橫搖衰減曲線確定實(shí)驗(yàn)的能量損耗函數(shù),并使用最小二乘法確定非線性阻尼系數(shù)的方法,通過(guò)數(shù)值仿真模擬自由橫搖衰減曲線,并由此方法估計(jì)出平方型阻尼系數(shù),證明了該方法的可行性。趙彬等[54]構(gòu)建水陸兩棲車輛水上航行數(shù)學(xué)模型,采用混合耦合算法和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)研究其靜水直航狀態(tài)下的姿態(tài)變化規(guī)律,模擬結(jié)果通過(guò)與試驗(yàn)值對(duì)比,驗(yàn)證了該方法的可行性,表1[54]列出了典型時(shí)刻車體仰視圖的壓力變化云圖和縱剖面速度矢量圖,表2[54]為模擬與試驗(yàn)繞流形態(tài)對(duì)比,可以看出,模擬效果較好。

表1 典型時(shí)刻車體壓力云圖及速度矢量圖[54]Table 1 Contours of static pressures and velocity vectors at different moments[54]

表2 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的繞流形態(tài)對(duì)比[54]Table 2 Comparison of simulation and experimental results for sailing[54]

王少新等[55]采用計(jì)算流體力學(xué)與重疊網(wǎng)格計(jì)技術(shù)建立水陸兩棲車輛水中航行運(yùn)動(dòng)數(shù)值模型,計(jì)算了靜水環(huán)境、不同航速下的阻力、垂蕩和縱搖性能,圖14[55]為不同航速V下的壓力,顯示了水陸兩棲車輛在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。宋超等[56]構(gòu)建了基于模型試驗(yàn)與遺傳算法系統(tǒng)辨識(shí)思想的水陸兩棲車輛搖蕩運(yùn)動(dòng)辨識(shí)模型,并驗(yàn)證了其可行性。

圖14 不同航速下水陸兩棲車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)[55]Fig.14 Motion attitudes of amphibious vehicles at different speeds [55]

3 水陸兩棲車輛水下操縱性研究

操縱性是指水陸兩棲車輛水下航行時(shí)保持或改變航向、航速和位置的能力,是其固有的特性。其主要為方向性,包括航行穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)向靈活性,體現(xiàn)了水陸兩棲車輛水下航行的機(jī)動(dòng)性。

袁益民等[57]提出一種以剛體空間運(yùn)動(dòng)方程為基本控制方程,結(jié)合水動(dòng)力學(xué)方程,建立用于描述水陸兩棲車輛操縱運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)水陸兩棲車輛的操縱運(yùn)動(dòng),并對(duì)比驗(yàn)證了其可行性。詹超等[58]提出基于運(yùn)動(dòng)力學(xué)和阻尼力反饋調(diào)節(jié)的海上滑行水陸兩棲車輛水動(dòng)力解算模型,根據(jù)水陸兩棲車輛的受力情況進(jìn)行阻尼反饋調(diào)節(jié),提高了水陸兩棲車輛的滑行控制能力,實(shí)現(xiàn)水陸兩棲車輛的水動(dòng)力特性數(shù)值優(yōu)化解算。

4 水下動(dòng)力特性分析

在水下航行時(shí),水陸兩棲車輛水下動(dòng)力由推進(jìn)裝置提供,主要包括輪胎推進(jìn)裝置、履帶推進(jìn)裝置、螺旋槳推進(jìn)裝置、導(dǎo)管螺旋槳推進(jìn)裝置和噴水推進(jìn)裝置等。推進(jìn)器與兩棲車間有著復(fù)雜的相互作用,研究加裝推進(jìn)器的兩棲車水動(dòng)力特性對(duì)于其正常航行十分重要。

徐國(guó)英等[59]以RNGk-ε湍流模型、多參考系坐標(biāo)模型MRF(multiple reference frame,MRF)為基礎(chǔ),對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,通過(guò)Fluent對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,分析了兩種形狀車尾對(duì)噴水推進(jìn)器進(jìn)口流場(chǎng)速的影響。Kim等[60-61]對(duì)加裝推進(jìn)器的等比水陸兩棲車輛模型進(jìn)行自航試驗(yàn),并采用國(guó)際拖曳水池會(huì)議于1996年提出的ITTC 96方法對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行分析,研究了葉輪頂部間隙的變化對(duì)全車功率的影響,后續(xù)探究了推進(jìn)器直徑大小對(duì)水陸兩棲車輛航行速度的影響,發(fā)現(xiàn)噴水葉輪直徑增加35%可使功率降低38%,車速可提高13%,為水陸兩棲車輛推進(jìn)器選型作一定探究。歐禮堅(jiān)等[62]采用Fluent軟件對(duì)黏性流場(chǎng)中導(dǎo)管螺旋槳的水動(dòng)力性能進(jìn)行了計(jì)算研究,模擬計(jì)算了導(dǎo)管螺旋槳在不同進(jìn)速系數(shù)下的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)、導(dǎo)管螺旋槳表面壓力分布,計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)構(gòu)吻合,對(duì)兩棲車選用水下推進(jìn)器型號(hào)有一定的指導(dǎo)作用。王野等[63]設(shè)計(jì)了一種具備航向保持和姿態(tài)調(diào)整功能的單矢量噴水推進(jìn)器系統(tǒng),計(jì)算出推進(jìn)器的推力,并仿真得出了裝有推進(jìn)器的水陸兩棲車輛的航行特性,通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了推進(jìn)器對(duì)航行姿態(tài)的影響。圖15[63]為車體結(jié)構(gòu)示意圖,圖16[63]為實(shí)車試驗(yàn)場(chǎng)景。

圖15 水陸兩棲車輛實(shí)體分化示意圖[63]Fig.15 Schematic diagram of physical differentiation of amphibious vehicles[63]

圖16 自由自航航向保持試驗(yàn)[63]Fig.16 Free self-propelled heading maintenance test [63]

5 結(jié)論

(1)水動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)是水陸兩棲車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的步驟。傳統(tǒng)分析主要依據(jù)于經(jīng)驗(yàn)和實(shí)車模型試驗(yàn),需要投入較大人力物力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,各種成系統(tǒng)仿真軟件在不斷出現(xiàn)并完善,為水陸兩棲車輛的水下動(dòng)力學(xué)分析提供了更為專業(yè)的求解方法,使求解過(guò)程更加簡(jiǎn)化而高效。

(2)航行阻力是水陸兩棲車輛水動(dòng)力研究熱點(diǎn)方向,是影響水陸兩棲車輛水下航行速度的關(guān)鍵因素。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有理論的應(yīng)用,探索新的阻力分析方法,將計(jì)算機(jī)仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比不斷提高仿真精度,實(shí)現(xiàn)仿真的實(shí)際應(yīng)用,為水陸兩棲車輛的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供更準(zhǔn)確便捷的分析手段。

(3)水陸兩棲車輛的水動(dòng)力分析包括航行阻力、水下穩(wěn)態(tài)、水下操縱性、水下動(dòng)力特性幾方面,在設(shè)計(jì)水陸兩棲車輛時(shí)要全方位考慮這些方面,現(xiàn)有的商業(yè)軟件多只是涉及部分方面的仿真,往往很難系統(tǒng)分析。將水陸兩棲車輛水動(dòng)力學(xué)分析不同方面進(jìn)行整合是仿真技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)從水陸兩棲車輛水動(dòng)力學(xué)的局部分析到全局設(shè)計(jì)優(yōu)化,使水陸兩棲車輛的研發(fā)設(shè)計(jì)更加高效與可靠。