劉勇，舒欣，樂鑫喜，賴貞華

（1. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 低頻電磁通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430000； 2. 中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

1 試驗(yàn)

艦載系留氣球是一種可裝載在船舶上的系留氣球，適合搭載各種通訊、干擾、偵察、探測等電子設(shè)備。其具有留空時(shí)間長、機(jī)動(dòng)性好、部署使用方便、戰(zhàn)場生存力強(qiáng)、研制和使用費(fèi)用低廉、可長期連續(xù)不間斷地執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、方便、可靠的艦載信息化作戰(zhàn)平臺(tái)[1]，在提升我國海軍綜合作戰(zhàn)能力等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。

艦載系留氣球使用環(huán)境較之陸基系留氣球更加嚴(yán)酷。由于海上波浪的影響，船體不可避免存在橫搖、縱搖，必然會(huì)引起系留纜繩下端系固點(diǎn)錨泊設(shè)備的振動(dòng)和傾斜，導(dǎo)致系留纜繩動(dòng)載荷波動(dòng)，并影響系留氣球的空中穩(wěn)定性和使用性能[2]。

由于國內(nèi)還未開展艦載系留氣球研制與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，沒有投入使用或正進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的產(chǎn)品，因此，文中將針對于艦載系留氣球系留纜繩的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，分析研究船體縱搖對系留纜繩產(chǎn)生的影響，以確保艦載系留氣球能安全工作。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在產(chǎn)品的開發(fā)試制過程中，借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和相關(guān)動(dòng)態(tài)仿真軟件對系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析，文中將基于Adams仿真軟件對系留氣球系留纜繩的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。

2 艦載系留氣球虛擬樣機(jī)模型的建立

2.1 系留纜繩模型的建立

系留纜繩是一種基于凱夫拉纖維的光電復(fù)合纜繩，具有強(qiáng)度高、線密度低、良好的彎曲特性、使用可靠和耐沖擊等特性。為了提高仿真的真實(shí)性和計(jì)算效率，綜合分析了有關(guān)鋼絲繩的建模方法[3]，采用ADAMS二次開發(fā)宏命令來建立系留纜繩模型。由于系留纜繩通常長達(dá)2～3 km，為了減小計(jì)算工作量，在保證模型的可靠性基礎(chǔ)上，取300段離散化纜繩進(jìn)行模擬，每段纜繩長度為100 mm。

利用ADAMS宏命令將生成的300段離散化系留纜繩幾何模型在相鄰微段圓柱間添加Bushing軸套力才可得到具有完整特性的纜繩模型[4]。軸套力中的主要參數(shù)（剛性系數(shù)和阻尼系數(shù)）按照某型號(hào)系留纜繩實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，剛度K軸套取值為5.9346×105N/m，軸套力阻尼系數(shù)目前尚無計(jì)算公式，按經(jīng)驗(yàn)值選取阻尼系數(shù)為1 N·s/mm。生成好的系留纜繩局部模型如圖1所示。

圖1 系留纜繩局部模型

2.2 艦載系留氣球模型的建立

通過Catia軟件建立艦載系留氣球的三維模型，然后通過軟件間接口導(dǎo)入至Adams軟件中。為了提高模型的精確性，按照各組成部件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系和受力關(guān)系，通過軟件中的約束副和力單元庫進(jìn)行相關(guān)約束副和作用力的添加，使得虛擬樣機(jī)模型與實(shí)物運(yùn)動(dòng)特性保持一致[5]。建模過程中模型簡化及相關(guān)約束設(shè)置如下所述。

1）球體、錨泊平臺(tái)、船體結(jié)構(gòu)簡化為剛體。

2）系留纜繩下端與錨泊平臺(tái)間添加球鉸約束。

3）錨泊平臺(tái)與船體間添加旋轉(zhuǎn)約束。

4）不考慮風(fēng)載荷影響。

5）系留索具設(shè)置為只承受拉力載荷的彈簧單元，索具彈性模量E=5500 MPa，索具直徑為14 mm。計(jì)算過程采用各自的整體等效剛度數(shù)據(jù)，同時(shí)系留索具與系留纜繩以及球體間添加固定副。

6）按照實(shí)物的相關(guān)特性參數(shù)對模型進(jìn)行重心、浮心、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)的設(shè)置，并在相應(yīng)的載荷作用點(diǎn)施加作用力。

定義好的艦載系留氣球的虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。

圖2 艦載系留氣球虛擬樣機(jī)模型

3 艦載系留氣球纜繩動(dòng)態(tài)仿真分析

3.1 船體靜止?fàn)顟B(tài)下系統(tǒng)仿真

將船體與海平面進(jìn)行固定副連接即可模擬船體靜止?fàn)顟B(tài)，船體靜止?fàn)顟B(tài)系留纜繩張力變化曲線與球體姿態(tài)變化曲線分別如圖3和圖4所示。在仿真開始階段，系留纜繩下端載荷處于波動(dòng)狀態(tài)，整體在23 kN附近上下波動(dòng)。結(jié)合中國特種飛行器研究所某型系留氣球?qū)嶋H測量數(shù)據(jù)，分析結(jié)果與實(shí)際測量值誤差為2%左右，驗(yàn)證了模型建立的正確性。球體的橫滾角、航向角變化幅度很小，基本處于0°上下浮動(dòng)，俯仰角處于1.2°上下浮動(dòng)，球體姿態(tài)穩(wěn)定，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相符。

圖3 系留纜繩上端張力變化曲線

3.2 船體縱搖下系統(tǒng)仿真結(jié)果

船舶由于受到海浪作用以及自身運(yùn)動(dòng)的影響，船舶自身會(huì)產(chǎn)生橫搖、縱搖、艏搖、升沉、橫蕩、縱蕩六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)[6]，使得艦載系留氣球在使用過程中會(huì)受到船體運(yùn)動(dòng)的影響。參考GB/T 12932《船用臂架起重機(jī)》的設(shè)計(jì)規(guī)范，主要考慮船體橫搖5°和縱搖2°等運(yùn)動(dòng)的影響。

分析系留氣球、系留纜繩、錨泊平臺(tái)及船體的連接形式可知，船體橫搖是指以船寬方向的軸為中心，周期性地左右搖擺運(yùn)動(dòng)，可認(rèn)為系留纜繩下端系固點(diǎn)豎直方向位置不變。船體縱搖是以船長方向?yàn)橹行木€周期性的上下?lián)u擺運(yùn)動(dòng)，使得系留纜繩下端系固點(diǎn)位置上下周期性變化?？v搖時(shí)系留纜繩下端系固點(diǎn)位置較之橫搖波動(dòng)幅度更大，對纜繩的沖擊更大，因此文中僅分析船體縱搖2°下系統(tǒng)的影響，船體縱搖狀態(tài)如圖5所示，

圖5 船體縱搖狀態(tài)

船舶自由縱搖周期估算公式為：

式中：TP為船舶縱搖周期，s；L為船長，m；CP為縱搖周期系數(shù)，貨船取0.54～0.72，這里取0.7。

按極端情況考慮，錨泊平臺(tái)布置在船體尾部。以某船體（長100 m、寬30 m）為例，計(jì)算得出船舶縱搖周期為10 s。將船體設(shè)置以一定的函數(shù)驅(qū)動(dòng)，即可模擬船體縱搖2°的情況，船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的縱搖仿真曲線如圖6所示。船體縱搖2°情況下，系留纜繩張力變化曲線以及系留氣球姿態(tài)變化曲線如圖7和圖8所示。

圖6 縱搖2°動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)曲線

圖7 船體縱搖下系留纜繩上端張力變化曲線

圖8 船體縱搖下球體姿態(tài)變化曲線

由圖7可知，在縱搖2°的情況下，系留纜繩在仿真開始階段承受沖擊載荷較大，峰值達(dá)到150 kN，隨后纜繩載荷基本在25 kN上下浮動(dòng)。張力變化曲線整體呈現(xiàn)周期變化，周期與船體縱搖周期一致，為10 s。

由圖8可知，在縱搖2°的情況下，球體橫滾角和航向角變化與船體靜止?fàn)钕碌姆抡娼Y(jié)果基本一致，整體變化幅度較小。球體俯仰角變化曲線與船體靜止時(shí)的結(jié)果相比，變化幅度較大。仿真前期，俯仰角變化較小，隨著時(shí)間的推移，變化幅度增大。說明船體縱搖對于系留氣球狀態(tài)存在一定的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需采取相關(guān)措施，以提高系統(tǒng)的可靠性和耐受能力。該結(jié)果對于纜繩承載能力的選用以及艦載系留氣球的球體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語

文中采用ADAMS二次開發(fā)宏命令來建立了系留纜繩模型以及艦載系留氣球虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析。綜合考慮了船體橫搖、縱搖帶來的影響，獲得了在船體縱搖激勵(lì)影響下艦載系留氣球系留纜繩張力變化曲線以及球體姿態(tài)變化曲線。其分析結(jié)果表明，船體縱搖時(shí)會(huì)對系留纜繩帶來較大的沖擊載荷，同時(shí)對球體的俯仰姿態(tài)產(chǎn)生影響。該仿真結(jié)果對艦載系留氣球的可行性分析和適裝性研究具有較大的指導(dǎo)意義和促進(jìn)作用。