基于ADAMS的艦載直升機(jī)系固系統(tǒng)仿真分析

趙小兵，秦 成

（北京7220信箱，北京 100072）

0 引言

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）是目前世界上應(yīng)用最廣泛的、最具權(quán)威性的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，已被廣泛應(yīng)用到航空航天、兵器、汽車、船舶、機(jī)械制造等各個(gè)行業(yè)。ADAMS不僅是一個(gè)優(yōu)秀的虛擬樣機(jī)建模和分析軟件，同時(shí)也可作為開發(fā)虛擬樣機(jī)分析應(yīng)用軟件的有效工具。為此，本文采用ADAMS對(duì)艦載直升機(jī)系固系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。

1 船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

直升機(jī)以其獨(dú)有的懸停特性和超低空飛行能力越來越多地被裝載于非航空型艦船，用以遂行海上補(bǔ)給、搜救、反潛、導(dǎo)彈超視距目標(biāo)指示等任務(wù)，并在這些任務(wù)中表現(xiàn)出其他裝備無可比擬的優(yōu)勢(shì)。但是，艦載直升機(jī)不同于陸基直升機(jī)，它必須適應(yīng)海上飛行和艦載作業(yè)的環(huán)境[1，2]。由于海上風(fēng)速大，致使艦艇周圍風(fēng)場(chǎng)變化大，艦艇運(yùn)動(dòng)和海上惡劣環(huán)境對(duì)艦載直升機(jī)的海上系固安全性產(chǎn)生很大影響。

美軍很早就采用該動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件對(duì)海軍艦船海上裝卸載情況和物資補(bǔ)給設(shè)備進(jìn)行分析研究。海上補(bǔ)給裝備和裝卸載設(shè)備的安裝使用有一個(gè)共同特點(diǎn)，都是安裝在船舶上，船舶在海上受風(fēng)、浪、流的作用，會(huì)產(chǎn)生6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。由于船舶的運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)船上的設(shè)備造成很大的影響，因此采用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件對(duì)基于船載的裝卸設(shè)備和補(bǔ)給設(shè)備進(jìn)行仿真分析，首先需要在ADAMS中實(shí)現(xiàn)對(duì)不同海況的船舶運(yùn)動(dòng)仿真，這是上述所有仿真分析的基礎(chǔ)。

船舶在海上的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，但是作為一個(gè)剛體在靜水或波浪中受到擾動(dòng)后，可以簡化為圍繞其原始平衡位置做6個(gè)自由度的搖蕩運(yùn)動(dòng)：通過重心的縱軸、橫軸與豎軸的往復(fù)振蕩即縱蕩（進(jìn)退）、橫蕩和升沉（垂蕩）運(yùn)動(dòng)，圍繞三個(gè)軸的角振蕩即縱搖、橫蕩和首搖，如圖1所示。

圖1 橫蕩、縱搖和首搖Fig.1 Transverse oscillation，longituding oscillation and yaw

研究表明，船舶搖蕩運(yùn)動(dòng)大多數(shù)非常接近簡諧振動(dòng)，或者可以用若干簡諧振動(dòng)疊加的結(jié)果表示。因此，表征船舶搖蕩特性的一些要素同簡諧振蕩的要素一致。一個(gè)物體在其平衡位置作簡諧振蕩運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程為：

其中：Y（t）—船舶在其某種形式下的搖蕩，t時(shí)刻離開平衡位置的位移；a—船舶離開平衡位置的最大位移，稱為搖蕩的振幅；ω—振蕩的圓頻率，與振蕩周期T的關(guān)系為ω=2π/T。

振蕩的圓頻率等于2π秒內(nèi)的完整振蕩次數(shù)，船舶完成一次完整振蕩的時(shí)間稱為搖蕩周期。角（ωt+ε）為搖蕩的相位，角ε為船舶起始瞬時(shí)t=0時(shí)刻的相位。

2 ADAMS仿真模型建立

在ADAMS軟件中進(jìn)行船舶運(yùn)動(dòng)設(shè)定，首先需要根據(jù)船舶的主尺寸創(chuàng)建船舶模型，該模型可以直接利用ADAMS的工具創(chuàng)建，也可以采用專門的建模軟件Ug、Proe、Solidworks等軟件創(chuàng)建后通過ADAMS的接口導(dǎo)入，在此不做論述。

在ADAMS中對(duì)一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)定是通過在物體上（一般在物體的質(zhì)心）添加運(yùn)動(dòng)副來定義的，船舶圍繞質(zhì)心做6個(gè)自由度的搖蕩運(yùn)動(dòng)，可以用general point motion運(yùn)動(dòng)副來表征，該運(yùn)動(dòng)副有6個(gè)自由度（DOF）可以設(shè)定，三個(gè)位移參數(shù)（traX，traY，traZ）和三個(gè)角度參數(shù)（rotX，rotY，rotZ），正好可以用于表征船舶在海浪中往復(fù)運(yùn)動(dòng)和角振蕩。

當(dāng)一個(gè)波浪作用船體時(shí)，使船在X、Y、Z方向產(chǎn)生位移，位移變化符合簡諧振動(dòng)，在ADAMS的general point motion中，對(duì)三個(gè)位移參數(shù)traX，traY，traZ進(jìn)行設(shè)定，表征函數(shù)如下：

其中：traX—X 方向移動(dòng)位移；Xd—X 初始移動(dòng)方向；Wh—海浪高度（波高）；Wc—波浪周期。

船體自身還有固有的橫蕩、縱搖和首搖周期（各船不同），不同級(jí)別的海況，波浪有個(gè)的周期，在波浪作下，兩者會(huì)進(jìn)行疊加，同樣可以用簡諧振動(dòng)來描述，在ADAMS的general point motion中，對(duì)三個(gè)角度參數(shù)rotX，rotY，rotZ進(jìn)行設(shè)定，表征函數(shù)如下：

其中：rotX，rotY，rotZ分別為 X、Y、Z 方向振蕩角度；Rd，Yd，Pd分別為初始橫蕩、縱搖、首搖方向；RS，YS，PS分別為船的最大橫蕩、縱搖、首搖角度；RC，YC， PC分別為船的橫蕩、縱搖、首搖周期；TC—波浪周期。

由于船體尺寸質(zhì)量結(jié)構(gòu)的差異，在分析時(shí)不同船型取值不同，具體數(shù)值可以從船舶設(shè)計(jì)部門獲得。對(duì)于波高和周期，需要指定一定的風(fēng)（浪）級(jí)或海況，不同風(fēng)（浪）級(jí)級(jí)或海況下波高、波長、周期都不同，雖然目前國際上還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是一般風(fēng)級(jí)按蒲氏標(biāo)準(zhǔn)化分，我國也采用蒲氏風(fēng)級(jí)。對(duì)于浪級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，各國發(fā)表的浪級(jí)標(biāo)準(zhǔn)雖然不同，但大致分為兩類，一類為浪級(jí)和波浪尺度之間的關(guān)系，另一類為浪級(jí)、波浪尺度和和風(fēng)速之間的關(guān)系，具體研究時(shí)可以查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

不同級(jí)別的海況以上各數(shù)值不同，為了實(shí)現(xiàn)方便調(diào)整輸入，可以在ADAMS中進(jìn)行參數(shù)化設(shè)定，以上函數(shù)按照表達(dá)式表述， 另外將 Wh、Wc、RS、YS、PS、RC、YC、PC 等設(shè)定為參變量，需要分析幾級(jí)海況，直接調(diào)整每個(gè)參變量的輸入值即可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的修改。

3 實(shí)例分析

艦載直升機(jī)在甲板固定的受力仿真首先要在Proe中建立船體模型和直升機(jī)模型，如圖2所示。

將兩個(gè)模型導(dǎo)入ADAMS后，對(duì)船體和直升機(jī)之間的關(guān)系進(jìn)行定義和約束，施加載荷，如圖3所示。按照上文設(shè)定船舶運(yùn)動(dòng)的方法，進(jìn)行船舶運(yùn)動(dòng)設(shè)定。即在船體重心位置定義一個(gè)general point motion約束副驅(qū)動(dòng)，按照上面的方法輸入各公式，將 RS，YS，PS，RC，YC， PC，Wh，Wc，Rd，Yd，Pd定義為設(shè)計(jì)變量，然后通過縱蕩、橫蕩和升沉角度值，就可以分析出縱蕩、橫蕩和升沉的變化對(duì)各方向受力的影響。

圖2 船體模型和直升機(jī)模型Fig.2 Hull model and helicopter model

圖3 ADAMS中運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定Fig.3 Set the motion parameters in ADAMS

3.1 橫蕩角度的大小對(duì)系固力的影響

縱搖角度（YS）和首搖角度（PS）設(shè)定為 0，對(duì)橫蕩角度（RS）照 0°、1°、3°、5°、7°、9°不同工況值設(shè)定，四個(gè)方向 fl（前右）、fr（前左）、rl（后右）和 rr（后左）系固力隨時(shí)間的變化情況如圖4所示。

圖4 直升機(jī)系固力隨橫蕩角度變化情況Fig.4 The fixed force of the helicopter at different Transverse angles

從仿真結(jié)果可以看出，船體橫蕩角度的突發(fā)性變化對(duì)直升機(jī)系固四個(gè)方向的瞬時(shí)沖擊力約比不發(fā)生橫蕩時(shí)增大30%；1秒鐘后，船體橫蕩角度的變化對(duì)直升機(jī)系固力影響趨于穩(wěn)定；橫蕩角度從 0°變化為 9°時(shí)，rl（后右）和 rr（后左）系固力受船體橫蕩角度變化影響較fl（前右）和fr（前左）大一些，變化幅度約為6%。

3.2 縱蕩角度的大小對(duì)系固力的影響

橫蕩角和首搖角設(shè)定為 0，對(duì)縱蕩角按照 0°、1°、3°、5°不同工況值設(shè)定，4個(gè)方向系固力隨時(shí)間的變化情況如圖5所示。從圖中可以看出，船體縱蕩角度的變化在3°以內(nèi)時(shí)，船體縱蕩影響直升機(jī)4個(gè)系固力的變化小；當(dāng)船體縱蕩角度的變化超過3°以上時(shí)，直升機(jī)4個(gè)系固力的變化超過40%，因此，應(yīng)系固裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮縱蕩角度變化的影響。

圖5 直升機(jī)系固力隨縱蕩角度變化情況Fig.5 The fixed force of the helicopter at different longitudinal angles

3.3 首搖角度（升沉角）變化對(duì)系固力的影響

圖6 直升機(jī)系固力隨首搖角變化情況Fig.6 Securing the helicopter force at different yaw angles

橫蕩角和縱搖角設(shè)定為 0，首搖角按照 0°、1°、3°、5°、7°、10°定后，直升機(jī)4個(gè)方向系固力大小如圖6所示。從圖中可以看出，首搖角在5°以下，升沉對(duì)直升機(jī)4個(gè)固定方向的系固力影響基本沒有，當(dāng)首搖角度超過5°后，4個(gè)方向的影響規(guī)律基本相同。

4 結(jié)論

利用ADAMS建立船舶運(yùn)動(dòng)模型，可以對(duì)船載的裝卸和補(bǔ)給設(shè)備進(jìn)行較為直觀的運(yùn)動(dòng)仿真分析，不僅可以節(jié)省大量的實(shí)際試驗(yàn)的人力財(cái)力，而且可以較好的指導(dǎo)船上相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)研制。通過對(duì)艦載直升機(jī)在船甲板上系固力的仿真分析后發(fā)現(xiàn)，縱蕩角度變化對(duì)系固力的影響最大，橫蕩角度變化次之，首搖角度變化影響最小，該結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果比較一致，也驗(yàn)證了船舶運(yùn)動(dòng)模型的正確。

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