張振禹，陳 浩

(中國兵器裝備集團自動化研究所，四川 綿陽 621000)

一種安裝于某船艇雙軸轉(zhuǎn)臺的慣性力矩計算方法

張振禹，陳 浩

(中國兵器裝備集團自動化研究所，四川 綿陽 621000)

安裝于船艇的雙軸轉(zhuǎn)臺通過配裝光電觀瞄設備或激光測距設備等，可實現(xiàn)某項特定功能的需求，但由于船艇具有受到各種海況的擾動特性，通過常規(guī)的控制方式難以滿足高性能指標要求，因此艇載雙軸轉(zhuǎn)臺需采用穩(wěn)定控制方式以提高使用性能。在產(chǎn)品方案設計初期，需結(jié)合船艇擾動特性和雙軸轉(zhuǎn)臺初步設計方案開展各種影響因素的分析和仿真，為穩(wěn)定控制設計方案提供支撐數(shù)據(jù)。本文重點介紹了諸多影響因素中慣性力矩的計算方法。

船艇；雙軸轉(zhuǎn)臺；慣性力矩

雙軸轉(zhuǎn)臺包括有方位運動軸系和俯仰運動軸系，安裝于船艇后根據(jù)平臺的使用環(huán)境特性，雙軸轉(zhuǎn)臺會受到多種擾動因素，主要包括有風載荷、慣性力矩、摩擦力、自重、冰雪載荷、溫差載荷以及沖擊、振動載荷等，其中慣性力矩是艇載雙軸平臺的主要影響因素[1]。

1 理論模型

船艇在海面上由于海況的擾動，其受影響狀態(tài)可等效為艏搖、縱搖、橫搖和垂蕩四種狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 船艇受海況擾動等效示意圖

其中：

1) 垂蕩力

船艇的垂蕩位移h與時間t的關(guān)系為：

h=hmsin(2π/Th·t).

(1)

式(1)中，hm為船艇的垂蕩振幅(單位：m)，Th為船艇垂蕩周期(單位：s)，則垂蕩力為：

F垂蕩=mhm·(2π/Th)2.

(2)

式(2)中，m為雙軸轉(zhuǎn)臺的質(zhì)量。

2) 搖擺慣性力

船艇的搖擺幅度Φ與時間t的關(guān)系為：

(3)

式(3)中，Φm為船艇的搖擺振幅(單位：rad)，T為船艇搖擺周期(單位：s)。在4級海況下，由于船艇體積相對于海浪波長而言，可以將其視為一個錐形剛體，如圖2所示。

圖2 船艇等效剛性錐體示意圖

可以得到雙軸轉(zhuǎn)臺質(zhì)心的切向加速度：

(4)

R為雙軸轉(zhuǎn)臺到船艇搖擺中心的水平距離，D為雙軸轉(zhuǎn)臺到船艇搖擺中心的垂直距離，則雙軸轉(zhuǎn)臺質(zhì)心到船艇搖擺中心的距離H為：

(5)

利用最大切向慣性力公式：

.(6)

結(jié)合船艇縱橫搖擺幅和縱橫搖擺周期分別計算出艏艉向慣性力和舷向慣性力。

利用公式(7)分別計算出舷向慣性力和艏艉向慣性力：

(7)

2 仿真分析

2.1 慣性力對方位的影響

雙軸轉(zhuǎn)臺方位旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)心及運動軌跡如圖3所示，搖擺慣性力對方位總的影響為：

Tg方位=Fg艏搖·LAZ·sin(α)+Fg舷向·LAZ·cos(α).

(8)

式(8)中，LAZ為慣性力作用在雙軸轉(zhuǎn)臺的質(zhì)點到雙軸轉(zhuǎn)臺方位回轉(zhuǎn)中心的距離。

圖3 雙軸轉(zhuǎn)臺方位運動軌跡示意圖

根據(jù)以上分析可知，船艇搖擺對雙軸轉(zhuǎn)臺方位力矩的影響如圖4所示曲線。

圖4 搖擺時雙軸轉(zhuǎn)臺方位力矩曲線圖

2.2 慣性力對俯仰的影響

雙軸轉(zhuǎn)臺俯仰旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)心及運動軌跡如圖5所示。

圖5 雙軸轉(zhuǎn)臺俯仰運動軌跡示意圖

根據(jù)圖5，可以得到雙軸轉(zhuǎn)臺俯仰向的慣性力矩：

Tg俯仰=(Tg艏艉·sin(β)+F垂蕩·cos(β))·LEl·
cos(α)+{Fg艏艉·sin(β)+(F垂蕩+
Fg舷向)·cos(β)}·LEl·sin(α) .

(9)

在式(9)中，LEI為慣性力作用在雙軸轉(zhuǎn)臺質(zhì)心到俯仰回轉(zhuǎn)中心的距離。

根據(jù)以上分析可知，船艇搖擺對雙軸轉(zhuǎn)臺俯仰力矩的影響如圖6所示曲線。

圖6 搖擺時俯仰力矩曲線

3 計算結(jié)果

雙軸平臺在方案設計初期的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 雙軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)參數(shù)

可計算得：

雙軸轉(zhuǎn)臺俯仰向慣性力矩：

Tg俯仰=206.223 7 Nm

雙軸轉(zhuǎn)臺方位向慣性力矩：

Tg方位=57.959 9 Nm

4 結(jié)束語

雙軸轉(zhuǎn)臺的應用已日趨廣泛，通過搭載各種裝置可實現(xiàn)多元化的功能需求，尤其是近些年隨著無人化船艇的迅猛發(fā)展，需求更加明確。筆者針對船艇平臺受到海況的擾動特性，提出了一種雙軸轉(zhuǎn)臺慣性力矩計算方法，用于在產(chǎn)品方案設計初期，通過仿真分析計算出雙軸轉(zhuǎn)臺受到的慣性力矩的影響參數(shù)，以便于后期開展穩(wěn)定控制的設計方案，使產(chǎn)品在要求的使用條件下能夠達到較好的性能指標，并最終提升系統(tǒng)產(chǎn)品的整體性能[2,3]。實驗證明，該計算方法具有明確的指導意義和參考價值。

[1] 鄧啟文,劉書雷,沈雪石.無人裝備發(fā)展新動向及影響研究[J].裝備學院學報,2016,2(1):76-79.

[2] 劉立明.裝備無人化需求探究[J].國外坦克,2012(9):18-22.

[3] 郭勝偉.無人化戰(zhàn)爭[M].北京:國防大學出版社，2001：259.

AMethodforCalculatingtheMomentofInertiaofBiaxialTurntableonaShip

Zhang Zhenyu, Chen Hao

(AutomationResearchInstituteofChinaSouthIndustriesGroupCorporation,MianyangSichuan621000,China)

The turntable by biaxial mounted on boat, with loading photoelectric sighting device or laser ranging equipment, can achieve a certain demand. But because the boat is disturbed by various sea conditions, the conventional control method is difficult to meet the requirements of high performance, so the board needs to use the two axis turntable stability control method to improve the performance. In the early stage of product conceptual design, the analysis and simulation of various influencing factors should be carried out in combination with the characteristics of ship disturbance and the preliminary design scheme of dual axis turntable, which can provide support data for the stability control design scheme. This paper mainly introduces the calculation method of inertia moment in many influencing factors.

boat; biaxial turntable; inertia moment

2017-10-23

張振禹(1981- )，男，天津市人，高級工程師，本科，主要研究方向：武器裝備信息化控制技術(shù)、可靠性工程。

1674- 4578(2017)06- 0038- 03

TP391.9

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