艦船海況模擬平臺等效搖擺參數研究

周云華，彭松江，邱群先，游仁華，謝麗云

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引言

艦船海況模擬平臺是模擬實現艦載設備承受艦船搖擺環境后的結構動力學響應研究、機構動作規劃、輕量化設計研究的理想設備，它能夠接近真實地再現艦船在不同海況下的搖擺情況，能夠使艦載設備研制在陸基環境下接受艦載環境考核，避免上艦后才暴露出與載體環境不匹配問題的發生，對提升艦載設備的研制質量具有重要意義，因此得到艦載設備主管及研制部門的高度重視，并得到快速、廣泛的發展。如文獻［1］提到了六自由度艦船模擬平臺，為艦載直升機系統提供海上航行時艦船搖擺的試驗條件;文獻［2］對單軸船舶搖擺試驗臺進行動畫生成研究，為減搖水艙的設計和試驗提供方法;文獻［3］對單軸船舶搖擺試驗臺的臺架設計進行深入探討;文獻［4］對用于船載儀器設備動態精度標定及性能試驗的三回轉自由度船用搖擺試驗臺進行了建模和控制系統的設計。

從上述文獻以及互聯網上可以查到相關艦船海況模擬平臺 (或搖擺臺)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，與實際艦船的橫搖幅值與周期基本接近。單從搖擺參數講，可以再現艦載設備在艦船搖擺環境下的工作環境。

但深入分析可發現，這類艦船海況模擬平臺只能達到一定的試驗目的，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的搖擺半徑往往只有1～2 m。被試設備在模擬平臺上的安裝位置通常都假定橫搖、縱搖中心的鉛垂軸上，而實際情況是只有較少的艦載設備能夠安裝到艦船的這一有限區域，大多數設備距搖心水平、前后方向都有一定的距離。以上2種情況造成被試設備在模擬平臺上的搖擺效果與艦船實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備。因此，要想利用較小的艦船海況模擬平臺較為真實地模擬被試設備在大型艦船上的實際搖擺效果，必須要合理地對模擬平臺的搖擺參數進行等效規劃，才能達到接近真實模擬的目的。

1 艦載設備承受艦船搖擺時過載系數

一般認為，艦船在規則波中的橫搖、縱搖都是簡諧運動［5］，艦船海況模擬平臺一般也是按照簡諧運動進行波形的控制。考慮艦船橫搖及縱搖時艦載設備承受艦船搖擺時的過載系數見下式:

假定艦船橫搖、縱搖同時達到最大值時艦載設備承受艦船搖擺時的過載系數見下式［6］:

2 艦船海況模擬平臺的等效搖擺參數

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

圖1 艦船坐標系與艦載設備Fig.1 Reference frame of ship and shipborne equipment

表1 假定的艦船搖擺參數及艦載設備坐標值Tab.1 Assumed ship swing parameters and coordinate of shipborne equipment

被試艦載設備在艦船海況模擬平臺上的坐標系如圖2所示，同樣假定模擬平臺的橫搖、縱搖中心重合，坐標系的意義同圖1一致，被試艦載設備在模擬平臺固定坐標系內的坐標為 (x，y，z)，見表1。按照式(1)～式(3)過載系數的定義，理想狀態下，被試艦載設備在艦船上因搖擺帶來的質心過載系數應等于在艦船海況模擬平臺上因搖擺帶來的質心過載系數，由此推算可以得到艦船海況模擬平臺的等效搖擺參數，如表2所示。

圖2 艦船海況模擬平臺坐標系與被試艦載設備Fig.2 Reference frame of ship motion simulation platform and shipborne equipment to be tested

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

從表2可以看到，被試設備質心通常在艦船海況平臺上按X分量、Z分量均為0布置時，不能模擬Y方向上產生的慣性負載。考慮到Y方向與重力加速度方向相同，通常按受壓載荷處理，被試設備承受的抗壓強度應具有一定的安全系數。

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

3 結語

通過上述分析，對于艦船海況模擬平臺可以得到以下基本結論，這些結論對合理提出模擬平臺的具體指標具有極其重要的現實意義:

1)只考慮橫搖或縱搖時，在保持橫搖或縱搖最大幅值指標不變的情況下，對艦船海況模擬平臺提出的等效橫搖或縱搖周期指標都應提高，本例中等效橫搖周期指標需由實際艦船的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不變的情況下，等效橫搖或縱搖最大幅值指標也都應提高，本例中等效橫搖最大幅值指標需由實際艦船的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的易實現性，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、縱搖耦合效應時，在保持橫搖、縱搖最大幅值指標不變的情況下，對艦船海況模擬平臺提出的等效橫搖、縱搖周期指標都應提高，本例中等效橫搖周期指標需由實際艦船的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、縱搖搖擺周期指標不變的情況下，等效橫搖、縱搖最大幅值指標也都應提高，本例中等效橫搖最大幅值指標需由實際艦船的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、縱搖指標的易實現性，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。

［1］陳曉江.六自由度艦船模擬搖擺平臺運動系統的分析與研究［D］.南京:南京理工大學，2006.

［2］譚光宇，李國斌，黃世濤，等.船舶搖擺試驗臺仿真系統的動畫生成［J］.船舶工程，2003，25(3):38 －40.TAN Guang-yu，LIGuo-bin，HUANG Shi-tao，etal.Implementation of 3D animation in ship rolling test bench simulation system［J］.Ship Engineering，2003，25(3):38 －40.

［3］梁利華，彭勇，張松濤.單軸船舶運動模擬搖擺試驗臺架設計［J］.自動化技術與應用，2006，25(3):18－20.LIANG Li-hua，PENG Yong，ZHANG Song-tao.Single axis swing bench simulating the ship motion［J］.Techniques of Automation and Applications，2006，25(3):18 －20.

［4］李學忠，黃守訓，林其生，等.船用搖擺試驗臺建模和控制系統設計［J］.電氣傳動，2006，36(11):11 －15.LI Xue-zhong，HUANG Shou-xun，LIN Qi-sheng，et al.Model and control system for the simulation sway test system［J］.Electric Transmission，2006，36(11):11 －15.

［5］李志華，王樹宗.船舶搖擺下魚雷空中彈道研究［J］.魚雷技術，2005，13(2):40 －43.LIZhi-hua，WANG Shu-zong.Effecton torpedoair trajectory with the surface ship swaying considered［J］.Torpedo Technology，2005，13(2):40 －43.

［6］姚昌仁，張波.火箭導彈發射裝置設計［M］.北京:北京理工大學出版社，1998.75 －78.