基于AMESim的滑輪緩沖器動力學(xué)建模與仿真

畢柯，李想，湯智胤，歐陽斌，何海濤，王琦，吳鋼

1海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北武漢430033

2海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北武漢430033

基于AMESim的滑輪緩沖器動力學(xué)建模與仿真

畢柯1，李想1，湯智胤1，歐陽斌2，何海濤1，王琦1，吳鋼1

1海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北武漢430033

2海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北武漢430033

［目的］針對傳統(tǒng)滑輪緩沖器的緩沖性能不足以及阻攔索張力峰值過大的問題，［方法］采用基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器替代傳統(tǒng)滑輪緩沖器，應(yīng)用AMESim軟件對2種滑輪緩沖器進(jìn)行建模與仿真分析。［結(jié)果］結(jié)果表明：基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器可以有效提高阻攔裝置的各項攔截指標(biāo)，且對艦載機(jī)沖擊載荷的適應(yīng)性良好。與傳統(tǒng)滑輪緩沖器相比，其阻攔索張力峰值降低25%，艦載機(jī)最大加速度降低23%。［結(jié)論］研究結(jié)果可為進(jìn)一步改善艦載機(jī)阻攔裝置的性能提供理論參考。

阻攔裝置；滑輪緩沖器；變阻尼；AMESim

Abstract：［Objectives］Considering the shortcomings of the traditional sheave damper in buffer performance and the peak value of the greatest cable tension,［Methods］this paper presents a sheave damper with variable damping according to piston displacement as a replacement for the traditional sheave damper,and AMESim software is used for the modeling and simulation.［Results］The results show that the new sheave damper can significantly improve the arresting gear performance indicators,and has better adaptability for aircraft impact load.Compared with the traditional sheave damper,the new method can reduce cable tension by 25%and reduce the maximum deceleration of aircraft by 23%.［Conclusions］As such,the research in this paper can provide a theoretical reference for improving the performance of aircraft arresting gear.

Key words：arresting gear；sheave damper；various damping；AMESim

0 引 言

在航母艦載機(jī)著艦阻攔的初始階段，為了降低艦載機(jī)掛鉤時阻攔索的張力峰值并解決攔阻索的松弛問題，需要在甲板滑輪與主阻攔機(jī)之間設(shè)置液壓緩沖系統(tǒng)，即滑輪緩沖器。滑輪緩沖器可以延長鋼索的使用壽命，提高阻攔系統(tǒng)的可靠性，為阻攔系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供重要保障［1］。傳統(tǒng)的滑輪緩沖器采用固定過流面積的孔口節(jié)流來產(chǎn)生阻尼力，圖1所示為Mk7-3滑輪緩沖器，由液壓缸、蓄能器和液壓閥等主要部件組成。國內(nèi)外關(guān)于艦載機(jī)阻攔系統(tǒng)的多項研究均涉及滑輪緩沖器［2-6］，但鮮有滑輪緩沖器方面的專項研究，沈文厚等［1］對有、無滑輪緩沖器的艦載機(jī)阻攔系統(tǒng)性能進(jìn)行了深入分析。目前，阻攔系統(tǒng)研究大多基于固定節(jié)流面積的滑輪緩沖器展開，這類滑輪緩沖器在活塞運(yùn)動過程中的阻尼特性基本固定，對阻攔系統(tǒng)阻尼特性需求的適應(yīng)性較差。基于此，本文擬提出一種節(jié)流閥節(jié)流面積隨活塞行程變化的滑輪緩沖器，采用AMESim軟件對艦載機(jī)捕獲初始階段的阻攔性能進(jìn)行仿真，并與傳統(tǒng)固定阻尼特性的滑輪緩沖器進(jìn)行對比分析，可為進(jìn)一步改善艦載機(jī)攔阻系統(tǒng)性能提供理論參考。

圖1 傳統(tǒng)滑輪緩沖器的示意圖Fig.1 Schematic diagram of traditional sheave shock absorber

1 基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器數(shù)學(xué)模型

1.1 基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器

基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器與傳統(tǒng)滑輪緩沖器的主要區(qū)別在于其節(jié)流孔面積Ao可以隨活塞位移x實(shí)時變化，即Ao=f(x)。在艦載機(jī)捕獲初期，阻攔索的運(yùn)動速度很小，為了建立初期張力，緩沖器應(yīng)產(chǎn)生較大的阻尼效果；隨著阻攔索的運(yùn)動速度增加，其張力也逐漸增加，為了緩解阻攔索張力，緩沖器的阻尼力應(yīng)減小，則相應(yīng)的節(jié)流孔面積應(yīng)增大；在阻攔作業(yè)后期，緩沖器活塞將達(dá)到行程終點(diǎn)，阻攔索運(yùn)動速度減小，為了防止阻攔索振蕩并制動活塞，需要在活塞行程末端形成“液壓墊”，以產(chǎn)生較大的阻尼力。艦載機(jī)阻攔過程中對滑輪緩沖器節(jié)流閥節(jié)流面積的需求為如圖2所示的“反浴盆”曲線。

圖2 節(jié)流孔面積隨活塞位移的變化曲線Fig.2 Variation of orifice area with respect to the displacement of piston

1.2 艦載機(jī)捕獲初期的動力學(xué)模型

圖3所示為艦載機(jī)阻攔示意圖。橫置于航母飛行甲板上的攔阻索長度約為20 m，由30根直徑為1.2 mm的高強(qiáng)度鋼絲繩擰成，鋼絲繩之間采用聚酯纖維潤滑［7］。為了簡化研究，提出如下假設(shè)：

1）艦載機(jī)捕獲初期，主阻攔機(jī)緩沖系統(tǒng)為大慣性系統(tǒng)，尚未發(fā)揮作用，該階段主要由滑輪緩沖器產(chǎn)生緩沖作用。

2）艦載機(jī)著艦時無偏航，阻攔索以艦載機(jī)尾鉤為基準(zhǔn)，左右兩端受力對稱。

3）忽略艦載機(jī)尾鉤與阻攔索、阻攔索與滑輪之間的摩擦力。

4）忽略阻攔索質(zhì)量及運(yùn)動過程中的波動。

圖3 艦載機(jī)阻攔示意圖Fig.3 Schematic diagram of aircraft arrestment

如圖3所示，艦載機(jī)沿甲板跑道中心著艦，其尾鉤勾住甲板阻攔索中心，隨著艦載機(jī)向前運(yùn)動，阻攔索從甲板下方拉出。艦載機(jī)在捕獲初期所受的阻尼力由甲板下方的滑輪緩沖器提供。

式中：T為阻攔索張力；θ為初始時刻與移位后某時刻阻攔索位置的夾角；m為艦載機(jī)質(zhì)量；a為艦載機(jī)加速度；y為艦載機(jī)位移；L為初始時刻甲板上2個導(dǎo)向輪之間阻攔索長度的一半。

此時，滑輪緩沖器的放索長度ΔL為

在阻攔索的帶動下，滑輪緩沖器的活塞位移x為

在滑輪緩沖器動滑輪的帶動下，液壓缸活塞隨之運(yùn)動并壓縮液壓缸內(nèi)的液壓油，液壓油通過管路及液壓閥流入蓄能器。液壓缸活塞的受力Fp為

式中：PH為液壓缸有桿腔壓力；Ap為活塞的有效作用面積。

在液壓閥孔口節(jié)流及管道的流阻作用下，液壓油產(chǎn)生壓降后進(jìn)入蓄能器。忽略液壓管路的阻力損失，管路內(nèi)液壓油的流量q為

式中：Cd=0.66，為小孔流動的流量系數(shù)（按照孔前通道與小孔直徑之比，分為完全收縮薄壁孔流量系數(shù)和不完全收縮薄壁孔流量系數(shù)）；P0為節(jié)流閥后壓力；ρ為液壓油密度。

流經(jīng)管路的液壓油流量等于液壓缸的流出油量，即

式中，vp為液壓缸活塞的速度。

將式（8）代入式（5），可得

忽略管路的阻力損失，則P0近似等于蓄能器壓力，即

式中：Pac0為蓄能器的初始壓力；Vac0為蓄能器的初始?xì)怏w體積；n=1.4，為多變指數(shù)，由于滑輪緩沖器工作時間短（小于1 s），故液壓油進(jìn)入蓄能器的氣體壓縮過程可視為絕熱壓縮過程。

艦載機(jī)阻攔過程中，阻攔索張力T與活塞運(yùn)動之間的關(guān)系為

2 基于AMESim的滑輪緩沖器建模

為了對艦載機(jī)阻攔系統(tǒng)的滑輪緩沖器性能進(jìn)行仿真分析［8-10］，將基于AMESim液壓元件庫建立液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示，其中艦載機(jī)的重量為22.7 t，著艦速度為80 m/s。艦載機(jī)被捕獲后通過阻攔索帶動滑輪緩沖器活塞運(yùn)動，通過函數(shù)Function 1將艦載機(jī)的運(yùn)動位移轉(zhuǎn)化為液壓缸活塞的位移，并作為液壓缸的輸入。根據(jù)活塞的運(yùn)動位移，在圖2中通過插值數(shù)據(jù)表得到變節(jié)流閥的設(shè)定節(jié)流面積。在液壓缸有桿腔的出口設(shè)置壓力傳感器Sensor，用以檢測PH。通過函數(shù)Function 2將液壓缸有桿腔壓力和活塞運(yùn)動位移轉(zhuǎn)化為艦載機(jī)承受的阻攔索緩沖力合力，并作為艦載機(jī)質(zhì)量塊模型的輸入。

圖4 AMESim滑輪緩沖器仿真模型Fig.4 Simulation model of sheave damper built by AMESim

3 仿真結(jié)果分析

3.1 固定阻尼的滑輪緩沖器

將對采用固定阻尼Mk7-3滑輪緩沖器的艦載機(jī)阻攔系統(tǒng)進(jìn)行仿真，設(shè)置3種固定節(jié)流面積Ao的仿真工況，仿真結(jié)果如圖5所示，其中vj為阻攔過程中的艦載機(jī)速度。

1）Ao=4 908 mm2（圖2中的最大值）。

2）Ao=1 267.5 mm2（圖2中的平均值）。

3）Ao=695 mm2（圖2中的最小值）。

由圖5可知，Ao越小，則a，T，PH峰值越大。對于第2種和第3種工況，a，T峰值及相應(yīng)的PH值均過高，無法滿足攔截指標(biāo)要求；對于第1種工況，a和T的峰值基本滿足攔截指標(biāo)要求，PH值也相對較低。但該工況下滑輪緩沖器的吸收能量也最少，在捕獲初期的緩沖作用最小。

圖5 固定阻尼滑輪緩沖器的3種工況仿真結(jié)果對比Fig.5 Comparison of simulation results of three case considering sheave damper with fixed damping

3.2 基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器

圖6所示為基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器仿真結(jié)果。在艦載機(jī)捕獲初期，Ao較小且變化率較大，PH迅速升高，滑輪緩沖器的阻尼力增加，令阻攔索迅速張緊；隨著活塞運(yùn)動速度的增加，Ao逐漸增大且變化率減小，令T基本穩(wěn)定。與圖5中的第1種工況相比，圖6中的T峰值降低25%，a峰值降低23%，滑輪緩沖器的吸收能量增加2%，PH值降低24%。

圖6 基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of sheave damper with various damping according to displacement of piston

4 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)艦載機(jī)阻攔系統(tǒng)中滑輪緩沖器緩沖能力不足的問題，本文提出一種基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器，建立了艦載機(jī)阻攔初期的動力學(xué)模型，采用AMESim軟件進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)論：

1）與傳統(tǒng)的滑輪緩沖器相比，基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器能夠根據(jù)艦載機(jī)和滑輪緩沖器之間的動力學(xué)關(guān)系，相應(yīng)地改變節(jié)流閥節(jié)流面積，有效降低阻攔索張力等攔截指標(biāo)的峰值，從而明顯改善艦載機(jī)阻攔系統(tǒng)的性能。

2）與傳統(tǒng)的滑輪緩沖器相比，采用基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器時，阻攔索張力峰值可降低25%，艦載機(jī)最大加速度降低23%，滑輪緩沖器的吸收能量增加2%，液壓缸有桿腔壓力降低24%。

3）隨著艦載機(jī)種類的增加及其著艦載荷的變化，固定阻尼滑輪緩沖器將難以滿足阻攔需求，故基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器將為改善艦載機(jī)阻攔系統(tǒng)性能提供新的發(fā)展方向。

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Dynamic modeling and simulation of sheave damper based on AMESim software

BI Ke1，LI Xiang1，TANG Zhiyin1，OUYANG Bin2，HE Haitao1，WANG Qi1，WU Gang1
1 College of Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China
2 National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

U661.39；V245.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.05.013

2017-03-07< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2017-9-26 10:34

國家部委基金資助項目

畢柯，男，1983年生，博士生。研究方向：艦船新型及特種輔助機(jī)械。E-mail：bikefly@aliyun.com

吳鋼（通信作者），男，1958年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：艦船新型及特種輔助機(jī)械。E-mail：gangwu206@aliyun.com

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170926.1034.012.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

畢柯，李想，湯智胤，等.基于AMESim的滑輪緩沖器動力學(xué)建模與仿真［J］.中國艦船研究，2017，12（5）：104-108.

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