粵海鐵路輪渡普通彈藥運輸裝載加固方案仿真

余貽榮，亢 航，趙云豪

(1.軍事交通學院 聯合投送系，天津300161； 2.軍事交通學院 學員旅，天津 300161；3.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161)

粵海鐵路輪渡普通彈藥運輸裝載加固方案仿真

余貽榮1，亢 航2，趙云豪3

(1.軍事交通學院 聯合投送系，天津300161； 2.軍事交通學院 學員旅，天津 300161；3.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161)

為充分發揮粵海鐵路輪渡的國防功能，滿足戰時普通彈藥運輸需求，必須加強普通彈藥鐵路輪渡運輸裝載加固研究。利用動力學仿真技術建立鐵路棚車裝載某型普通彈藥仿真模型，輸入模擬惡劣海況條件，對粵海鐵路輪渡運輸普通彈藥的裝載加固方案進行仿真，并對仿真結果進行安全性分析，為粵海鐵路輪渡安全運輸普通彈藥提供技術參考。

粵海鐵路輪渡；普通彈藥；裝載加固；仿真

粵海鐵路輪渡是跨越瓊州海峽，連接廣東、海南兩省唯一的鐵路通道。近年來，隨著南海方向軍事斗爭準備的深入，粵海鐵路輪渡因其快捷高效、成本低廉的運輸特點和優勢，在軍事運輸領域的地位和作用逐漸凸顯。但是，由于受到渡輪技術條件和運輸政策制約，目前仍限制辦理軍用危險貨物運輸業務。普通彈藥平時存量少、戰時消耗多，運輸需求量大，極大地限制了粵海鐵路輪渡國防功能的發揮。開展粵海鐵路輪渡普通彈藥運輸安全性仿真，可為盡快開通相關運輸業務提供技術參考。

1 虛擬樣機的建立

1.1 仿真試驗所用彈藥選型

鐵路運輸實踐經驗和穩定性計算表明，彈藥包裝箱的體積越小、底面長寬比越大、重心越高，其裝載穩定性越差。因此，選型應優先考慮箱型較小、長寬比大的彈藥。大多數包裝規格為單枚彈藥的包裝箱符合該特點。選取試驗的某型普通彈藥包裝箱的外部尺寸是1 200 mm×250 mm×250 mm，底面長寬比為4.8∶1，軸向橫截面為正方形，內裝1枚彈藥，總質量50.0 kg，總體穩定性差。

1.2 裝載加固系統結構分析

粵?！拌F1號”渡輪上有汽車甲板(上甲板)和鐵路甲板(主甲板)可用于貨運。甲板上配有車列快速捆綁固定系統，以克服惡劣海況下船舶搖蕩產生的慣性力。之前的研究已對車列的加固方式進行了穩定性驗證[1]，結果表明，按照規程加固的車列穩定性良好，不會發生縱向滑動和橫向傾覆。

仿真試驗采用P60棚車作為普通彈藥的載運車輛，裝載加固的系統結構，取決于彈藥的鐵路運輸裝載加固方案。仿真試驗所選擇的某型普通彈藥，其裝載加固有關參數見表1，加固示意如圖1所示。

表1 裝載加固參數

圖1 某型普通彈藥鐵路運輸裝載示意

(1)裝載方法。彈藥箱長1 200 mm，可橫裝2行，沿車寬方向居中擺放。裝載橫向總長為2 400 mm，左右各留出215 mm間隙。彈藥箱高250 mm，垂向可堆碼9層，裝載總高度為2 250 mm。棚車前半部分的裝載時，下4層，每行裝載30箱，即每層裝載60箱。從第5層以上，靠近車門處，按照梯形堆碼。每層在靠近車門一側比其下方一層少裝2行。后半部分按照前半部分對稱裝載。裝載時，前后兩端的彈藥箱緊貼棚車端面側墻堆碼，然后從兩端向中部均勻碼放，并確保前后兩端堆的對稱性，裝載后整車重心不偏移。

(2)加固方法。裝載后，橫向間隙、縱向間隙應使用填充物擠緊加固。填充物應與彈藥箱之間墊放一層木板，使得加固受力均勻。填充物可用木籠式支架、泡沫塑料、充氣氣墊等。包裝箱上蓋和箱底有限位條，上下堆碼時能夠相互扣住，以防止橫向滑動。建議使用8#鍍鋅鐵線對梯形臺面包裝箱進行橫向連接和垂向固定。

單輛棚車的裝載箱數可達到960箱，若按960箱進行建模和裝配，建模和仿真運行的難度將較大。因此，對模型系統進行必要的簡化，使模型既能有效反映真實裝載情況，又便于裝配、調試和運行。一是簡化箱體結構，將箱體視為密度均勻的長方體。二是簡化仿真區域，將裝載對稱、排列規則部分略去。即首先略去棚車后端裝載的一半彈藥，然后略去前端第1～18列彈藥箱，僅留第19～30列。然后將第19～30列彈藥整體平移至原先第1列的位置，使第19列彈藥箱緊貼棚車前端面側墻。三是將部分區域內相對運動關系較為穩定的若干箱彈藥組合起來，視為一個整體(如圖2所示)。仿真主要驗證處于每層靠近車門邊緣的2列4箱彈藥的穩定性(圖2中陰影部分的彈藥箱)，以此來評估整車裝載的穩定性。

圖2 仿真系統模型的簡化及彈藥箱重命名

1.3 三維模型的建立和裝配

建立三維模型一般有兩種方式：①模型簡單的情況下，利用ADAMS自帶的零件設計功能建模；②模型復雜的情況下，借助專業CAD設計軟件進行建模和裝配，然后將模型導入ADAMS。本文利用ADAMS進行建模，并采取建模、裝配、添加約束(力、運動)同時進行的方式，即每建立一個三維模型，便將其裝配到位，添加適當的約束、力和相應的運動，并隨時驗證模型。

1.3.1 棚車模型

棚車模型主要功能是承載波浪載荷，添加運動驅動后，棚車會根據設定的函數產生相應的運動。產生的運動只與運動載荷的作用點相關，與棚車自身質量無關。因此，棚車建模主要是把棚車車內裝載空間的尺寸確定好，忽略其質量、密度等參數。棚車模型由4部分組成：車底板、左側側墻、右側側墻和端面側墻，忽略棚車車頂、轉向架、輪組等。

1.3.2 彈藥箱模型及其加固模型

該型號彈藥包裝箱為木質，內部彈藥外殼為金屬質。由于仿真所關注的重點是整箱質量，可將彈藥箱視為一個內部密度均勻的長方體剛體。經計算，該型號彈藥箱的平均密度為6.667×10-7kg/mm3，給零件賦予該密度值后，軟件會自動計算質量和質心位置。加固方法采用橫向間隙填充擠緊的方式。可將填充體模型設置為長方體實體，并按照裝載的長度和間隙的寬度對填充體尺寸賦值，質量設定為30.0 kg。為便于模擬計算，將彈藥箱進行重新命名(如圖2所示)。

1.3.3 接觸模型

接觸模型是本文仿真試驗所用到的最重要的力學模型。相鄰彈藥箱之間，彈藥箱與車底板、側墻、左右加固填充物之間，加固填充物與棚車之間的力學作用都要用接觸模型來表征。設置接觸力時，需對每個接觸面逐一進行設置。圖3中右側“力”的模型樹下列出了仿真試驗所設置的接觸模型，數量較多。接觸力的命名也遵從相應的規則，以便調試、修改。ADAMS中的接觸模型(CONTACT)將接觸力的計算分為法向壓力和切向摩擦力兩個部分，兩者相互影響。接觸模型使用Impact函數法計算法向壓力，使用Coulomb法計算切向摩擦力。

圖3 模型樹中的物體和力

(1)法向壓力的計算模型。ADAMS根據Hertz接觸理論，利用Impact函數構建出非線性等效彈簧阻尼模型來代表法向壓力，可表示為

(1)

c=step(Δx，0，0，Dmax，Cmax)

(2)

式中：FN為法向壓力；k為接觸表面的剛度，數值大小根據材料確定；Δx為接觸點(面)的法向穿透深度，為推薦值0.01 mm；λ為力的非線性作用指數，針對木材取值為1.5；d(Δx)/dt為接觸的相對速度；c為阻尼系數。階梯函數step(x，x0，y0，x1，y1)括號內的5項按照順序分別代表自變量、自變量初始值、函數初始值、自變量結束值、函數結束值。在式(2)中，Dmax為阻尼達到最大值時的穿透深度；Cmax為最大阻尼系數，其大小根據材料特性選定，木質彈藥包裝箱的推薦值為10(N·s/mm)。step( )函數的引入是為了避免非接觸狀態產生阻尼力。

(2)切向摩擦力的計算模型。彈藥箱之間的靜摩擦力是克服滑動的主要作用力。利用Coulomb摩擦定律計算切向摩擦力。摩擦系數的計算公式為

(3)

式中：v為相對滑移速度；vs為靜摩擦臨界速度；vd為動摩擦臨界速度；μs為最大靜摩擦系數，仿真時取值為0.6；μd為最大滑動摩擦系數，仿真時取值為0.45；sign( )為符號函數。

1.4 載荷輸入

評價船舶橫搖和垂蕩劇烈程度的指標為：最大橫搖角、橫搖周期、最大垂蕩幅度及垂蕩周期。船舶搖蕩運動近似接近簡諧振蕩[2]，設定船體在瓊洲海峽大海中的橫搖與垂蕩都為諧振動，則船舶橫搖和垂蕩的運動方程為

(4)

(5)

式中：θ為t時刻船舶橫搖離開平衡位置的角度，且規定向右搖擺的方向為正，θ0為最大橫搖角度；s為t時刻船舶垂蕩離開平衡位置的位移，且規定向上蕩動的方向為正，s0為最大垂蕩位移；T為振蕩周期。當已知橫搖最大角度、垂蕩最大位移和垂蕩周期T時(船舶搖蕩周期在4～12 s范圍內，仿真取兩端極限值進行計算)，可得出船舶橫搖和垂蕩的運動方程。根據之前的研究[3]，在不同風浪等級下，橫搖最大角度、垂蕩最大位移見表2。

表2 橫搖最大角度、垂蕩最大位移數據

在不同風浪等級條件下，將表2中相應數據帶入式(4)、式(5)中，該條件下渡輪橫搖、垂蕩運動的方程，即可作為相應的模型載荷。例如，工況條件為6級風/3.0 m浪高，且垂蕩周期為4 s的條件下的渡輪運動方程為

θ=6．60·sin(1.570 8·t)

s=0．691 8·sin(1.570 8·t)

1.5 虛擬樣機

經過建模和裝配測試和修改，完成了虛擬樣機模型的建立。樣機模型共有32個剛體、1個轉動副、1個移動副、3個固定副和100組接觸力設置(如圖4所示)。

圖4 仿真虛擬樣機模型

2 方案的仿真驗證

根據仿真的目的，考察不同工況下彈藥箱的穩定性，包括橫向傾覆性、縱向傾覆性、橫向滑動性和縱向滑動性?？疾斓哪繕藦椝幭錇榈?～9層最外側的彈藥箱。仿真試驗選取2種風浪等級(6級風/3.0 m浪高、8級風/4.5 m浪高)、2種極限周期(周期4 s、周期12 s)，排列組合共4種工況進行仿真。對于周期4 s的工況，設置仿真時間為12 s，共仿真3個周期，仿真步數設置為2 400步，即仿真步長為1/200 s；對于周期12 s的工況，設置仿真時間為24 s，共仿真2個周期，仿真步數設置為4 800步，仿真步長為1/200 s。步長取值越短，越有利于計算的收斂，計算精度、真實性就越高。不同風浪等級、不同海況條件下的仿真驗證結果見表3。

表3 不同海況不同周期下仿真驗證結果

注：①“橫向最大相對位移量”是指彈藥箱在橫向上相對于其正下方彈藥箱的最大位移；②“縱向最大相對位移量”是指彈藥箱在縱向上相對于其自身初始狀態的最大位移。

3 仿真結果分析

(1)傾覆穩定性。在4次仿真試驗中，無論是橫向還是縱向，均沒有發生彈藥箱模型傾覆或跌落的現象。說明仿真試驗中，裝載后傾覆穩定性滿足運輸要求。

(2)橫向滑動性。仿真模型中，對彈藥箱在橫向上進行了緊實加固。仿真結果表明，無論是何種工況，隨著棚車的左右搖擺，左右兩側的彈藥箱均能跟隨棚車保持良好的簡諧運動狀態，彈藥箱質心位置在每個周期結束后均能夠回到原先位置，橫向滑動距離很小，可忽略不計，說明橫向加固能夠保證彈藥箱和橫向滑動穩定性。

(3)縱向滑動性。仿真模型中，未對彈藥箱在縱向上采用任何加固措施。通過分析仿真結果，可以得到如下結論：①理論上，在不施加縱向載荷的情況下，彈藥箱在縱向不應發生任何位移。但仿真試驗的結果表明，在不同工況條件下，各層彈藥箱均發生了不同程度、不同方式的位移。②縱向位移方式分為兩類：第一類是圍繞平衡位置作無規律的振動，偶爾會出現較大的脈沖式振動，但質心位置始終在平衡位置附近，這類位移方式主要體現在7層以上的彈藥箱上；第二類是在縱向振動的過程中，質心位置逐漸偏離平衡位置，在仿真結束后形成一定量的縱向位移，主要是第5、6層。③縱向位移幅度變化規律。對于第一類位移方式，風浪等級小的情況下，縱向振動幅度較小，風浪周期較短的情況下，振動幅度較小，對于第二類，在不同工況下，第5層邊緣彈藥箱的滑動距離在15～30 mm不等，風浪等級越大、風浪周期越長，滑動距離越大。

4 結 語

海上運輸橫向作用力較大，有針對性地在橫向進行緊實加固后，能夠滿足橫向穩定性要求。由于彈藥堆碼數量多，形成的力學環境比理想狀態復雜，即使海上運輸縱向慣性力遠小于陸上鐵路運輸，但也不能完全認定彈藥箱在縱向上不會發生滑動。因此，應根據實際情況，在縱向上對彈藥進行適當加固，以保證運輸安全?？傊胀◤椝幫ㄟ^粵海鐵路輪渡進行運輸，穩定性滿足要求，實施鐵路輪渡運輸可行。

[1] 余貽榮，范靈毓，楊永偉，等．粵海鐵路輪渡輪式裝備運輸安全性研究[J]．軍事交通學院學報，2016，18(5):9-14.

[2] 李積德．船舶耐波性[M]．哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2007:101-102.

[3] 余貽榮，亢航，范靈毓．粵海鐵路輪渡履帶式裝備運輸安全性仿真[J]．軍事交通學院學報，2016，18(12):30-33.

(編輯：孫協勝)

Simulation on Loading Reinforcement Scheme of General Ammunition Transport with Yuehai Railway Ferry

YU Yirong1, KANG Hang2， ZHAO Yunhao3

(1.Joint Projection Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Cadets Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 3.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To perform the national defense function of Yuehai railway ferry and meet the needs of general ammunition transport in wartime, it is necessary to study loading reinforcement of general ammunition transport with railway ferry. The paper firstly establishes a simulation model on railway boxcar loading general ammunition with dynamic simulation technique, and simulates the loading reinforcement scheme of transporting general ammunition with Yuehai railway ferry by inputting the simulated harsh sea condition. Then, it analyzes the security of the simulation result, which can provide technical reference for transporting general ammunition with Yuehai railway ferry safely.

Yuehai railway ferry; general ammunition; loading reinforcement; simulation

2017-04-27；

2017-05-17. 作者簡介： 余貽榮(1970—)，男，副教授，碩士研究生導師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.08.002

E234

A

1674-2192(2017)08- 0006- 05

● 軍事運輸 Military Transportation