劉學文 閆洪峰 石明堃 賈雙龍 楊 崇

1 北京金輪坤天特種機械有限公司 北京 100083 2 西北工業(yè)大學 西安 710072

0 引言

艦船設備抗沖擊能力是關系到艦船作戰(zhàn)效能與安全性的重要因素之一，是整個艦船抗沖擊性能的重要組成要素，特別是一些關鍵設備的抗沖擊能力更是決定了艦船在戰(zhàn)斗中的生存能力。艦船設備抗沖擊研究的歷史可以追溯到19 世紀，A 國海軍在1860 年進行了船體抗爆試驗[1]。歐洲數(shù)個主要海軍國家隨后聯(lián)合進行過多次實船爆炸試驗，并制定了諸多艦船設備抗沖擊標準，如STANAG4142《水面艦船設備的抗沖擊強度分析》等[2]。我國艦船設備抗沖擊防護研究始于20 世紀60、70 年代，并于20 世紀90 年代起逐步加大了艦船設備抗沖擊研究的力度[3]。目前國內(nèi)主要采用抗沖擊動力學分析方法或沖擊試驗對艦船設備抗沖擊能力進行驗證。

1 基本情況

牽引車是常見的艦船設備，主要用于艦面與船艙內(nèi)的物資轉運。飛機牽引車是牽引車的一種，主要用于艦載機在飛行甲板與船艙機庫的牽引、頂推及轉運，是艦船上飛機調(diào)運不可或缺的設備。飛機牽引車的抗沖擊性能直接影響艦載機能否順利調(diào)運、起降，故其抗沖擊性能的良好尤為重要。某型飛機牽引車為專門針對艦船環(huán)境研制的艦載機牽引設備，根據(jù)實際使用工況要求，該飛機牽引車應滿足抗沖擊A 級要求[4，5]。

A 級設備是指對艦船連續(xù)作戰(zhàn)和安全必不可少的設備。此類設備的性能在沖擊時和沖擊后應無顯著變化，且不引起設備任何部位脫開或以其他方式對人員或要害系統(tǒng)產(chǎn)生危害（如構件的墜落、電氣短路等）。通常使艦船保持下列能力所需要的系統(tǒng)和設備應定為A 級：

1）能自動自校(如吸力的喪失、安全閥的提升或儀表讀數(shù)的中斷)，隨后不出現(xiàn)A 級設備功能的紊亂；機動能力、通信、導航、電子對抗能力、目標跟蹤、武器發(fā)射制導不會中斷或性能不明顯降低；

2）所造成的A 級設備或系統(tǒng)的任何功能性降低可由操作人員立即診斷出來并迅速恢復基本功能；

3）控制器、過載繼電器等因沖擊引起脫扣，復位后只要仍能保證在85%極限脫扣電流以下便不會脫扣。

目前，對于艦船設備抗沖擊性能的評估主要采用沖擊試驗、艦艇模型實驗、實船水下爆炸實驗以及有限元抗沖擊分析等手段[6]，但單一的測試手段難以確保評估的準確性。本文采用仿真分析與實車沖擊試驗相結合對照的綜合分析的方法，可以對飛機牽引車的抗沖擊性能進行準確地評估[7]。

2 飛機牽引車結構

飛機牽引車按與飛機的連接方式可分為有桿飛機牽引車和無桿飛機牽引車。有桿飛機牽引車即通過1 根牽引桿實現(xiàn)車與飛機的連接；而無桿飛機牽引車是通過布置在車體后部的1 套夾持舉升裝置將飛機前輪抱夾到牽引車上，實現(xiàn)無桿牽引與頂推。本文研究對象無桿牽引為主、有桿牽引為輔的牽引車。

該無桿牽引車總體布局上為3 點支撐方式，前輪轉向、后輪驅動。由于高度限制未配備駕駛室，整車高度從前向后階梯降低，以增加飛機與牽引車之間的安全距離，并使駕駛員在對接飛機時能較好地觀察到前機輪。主要結構如圖1 所示。

圖1 飛機牽引車結構

其前輪為2 個并列單輪，采用液壓助力轉向，2 個后輪直接安裝在2 個低速大扭矩液壓馬達上，采用輪邊驅動方式。動力源為柴油發(fā)動機，縱向放置于車左前部，通過彈性聯(lián)軸器帶動1 個液壓變量柱塞泵以驅動馬達。2 后輪中間裝置為飛機牽引車的工作機構夾持舉升裝置。夾持舉升裝置采用縱向輥輪式夾持機構，用滑套及前后輥輪等部件實現(xiàn)對飛機機輪的夾持、壓緊、松開、上升、下降等操作，操作簡單，安全可靠；也可通過增加牽引梁裝置實現(xiàn)有桿牽引方式。相比地面使用的普通飛機牽引車輛，該飛機牽引車具備牽引力大、速度平穩(wěn)、加速制動柔和、轉向靈活等特點。

飛機牽引車車橋及上部各部件為其主要結構，完成設計后對主要結構進行了有限元三維建模、分析，并在試驗臺上對實車樣機進行沖擊試驗，以驗證設備是否滿足狀態(tài)。

3 沖擊力學模型的建立

任何一個復雜的多自由度系統(tǒng)都可以分解成2 個或多個子系統(tǒng)組成。飛機牽引車與整船船體結構以及牽引車主要結構與上各部分設備都是復雜的多自由度系統(tǒng)。由系統(tǒng)動力學分析可知，復雜系統(tǒng)各組成部分之間存在相互耦合的關系，分析難度極大[8]；且車橋上部電器部件在選購時已經(jīng)滿足抗沖擊要求，所以本文將僅對牽引車主要結構進行抗沖擊分析。

受沖擊的牽引車主要結構可以近似地用一個有阻尼的單自由度系統(tǒng)表示，如圖2 所示。設系統(tǒng)受到的沖擊作用為

圖2 牽引車主要結構沖擊力學模型

其運動方程為

式中：G為牽引車主要結構的總重力，γ為等效阻尼系數(shù)，k為等效彈性系數(shù)。

令

式中：ωa為振動系統(tǒng)的共振頻率，ξa為振動系統(tǒng)的共振頻率。

則式（1）可改寫成

通解為

B和α由該系統(tǒng)的初始條件確定。

此系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解為

穩(wěn)態(tài)解的相位

穩(wěn)態(tài)解的幅值

由式（6）～式（8）可得牽引車主要結構受到?jīng)_擊作用時其振動形態(tài)的變化，可以作為判斷牽引車沖擊環(huán)境特征的參考[9]。

4 抗沖擊分析

4.1 創(chuàng)建有限元模型

在Hypermesh 軟件中建立飛機牽引車主要結構的三維模型，并進行幾何清理和網(wǎng)格劃分。建模過程中對不影響沖擊響應結果的結構進行了簡化。其初始狀態(tài)有限元模型如圖3 所示。該有限元模型包含202 232單元，211 424 節(jié)點，且單元質(zhì)量較高。在模型簡化后，質(zhì)量以及重心符合原車的質(zhì)量和重心，簡化后整車的質(zhì)量以及重心沒有太大變化，故用此模型進行仿真計算結果可信。

圖3 牽引車主要結構有限元模型

4.2 設計抗沖擊環(huán)境

該飛機牽引車大部分時間在甲板上使用，根據(jù)實際工作環(huán)境，采用相關公式計算設計譜加速度和設計譜速度[10]

式中：A0為等加速度譜值，V0為等速度譜值，ma為設備的有效質(zhì)量。

該飛機牽引車整備質(zhì)量約6 t，計算時取總質(zhì)量的80%作為式(9)和式(10)中的有效質(zhì)量。牽引車安裝于水面艦船的甲板上，將計算得到的等加速度譜值A0和等速度譜值V0按照表1 所示設計值進行計算，得到?jīng)_擊譜如表2 所示。

表1 水面、艦船沖擊環(huán)境設計值

表2 飛機牽引車沖擊譜設計值

計算條件中采用半三角波變化歷程作為輸入載荷，半三角波變化歷程曲線如圖4 所示。

圖4 半三角波變化歷程

為了使沖擊環(huán)境與設計譜相接近，圖3 中所示的各參數(shù)按照式（10）計算得到，半三角波變化歷程各參數(shù)如表3 所示。

表3 半三角波變化歷程各參數(shù)

4.3 結構抗沖擊分析

根據(jù)沖擊力學模型以及沖擊設計譜的設計值等條件，對飛機牽引車有限元模型進行相應抗沖擊分析，得到結構分別在垂向、縱向和橫向沖擊作用下的應力響應云圖。

4.3.1 垂向沖擊牽引車結構的應力響應

圖5 所示為牽引車在垂向沖擊下整體應力分布情況，最大應力為305.6 MPa，位于車架中間區(qū)域。

圖5 牽引車整體應力分布-垂向

4.3.2 縱向沖擊牽引車結構的應力響應

圖6 為牽引車在縱向沖擊下的整體應力分布情況，最大應力為287.6 MPa，位于車前起重架兩端。

圖6 牽引車整體應力分布-縱向

4.3.3 橫向沖擊牽引車結構的應力響應

圖7 為牽引車在橫向沖擊下的整體應力分布情況，最大應力為287.7 MPa，位于尾部中間位置。

圖7 牽引車整體應力分布-橫向

4.4 結果分析

飛機牽引車結構選用高強度結構鋼Q550D，其屈服強度為550 MPa，在低溫環(huán)境下有較好的抗沖擊性能。根據(jù)對牽引車的結構抗沖擊分析：在3 個方向加載的情況下，整車的總體響應較小，符合抗沖擊要求[11]。雖局部響應較大，最大響應值可達305.6 MPa，但未超過材料屈服應力，且安全系數(shù)為1.8。最大響應主要位于后輪基座靠近車頭位置、車架中部、車頭牽引架底座兩端與車架相連接區(qū)域。以上計算過程根據(jù)實際工程計算需要，對局部結構進行了簡化處理[12]。另外，由于部分設備的具體構造以及材料屬性未知，設備主要以質(zhì)量點或質(zhì)量塊形式代替。因此，需要在下一步?jīng)_擊試驗中進行結構模型及設備模型細化，以得到最終更精確的結果[13]。

5 實車沖擊試驗

為了與仿真結果相對照，將飛機牽引車在抗沖擊技術試驗室進行實車沖擊試驗。試驗后首先檢查了牽引車各主要結構件未見異常；其次對該牽引車進行了發(fā)動機/電動機分別2 種狀態(tài)下的啟動、行走、制動以及工作裝置等動作，各項功能、性能均正常。

在實車沖擊試驗后，再次對牽引車進行了性能測試，主要進行了最大牽引力、速度、工作裝置作業(yè)時間進行了性能復測，復測性能指標與沖擊前基本一致。對發(fā)動機、電動機、液壓泵和液壓馬達4 個主要部件進行了性能測試，4 個主要部件均未發(fā)現(xiàn)性能異常。通過以上分析和試驗，飛機牽引車滿足抗沖擊的要求。

6 結論

A 級設備是指對艦船連續(xù)作戰(zhàn)和安全必不可少的設備。這種設備的性能在沖擊時和沖擊后應無顯著變化，且不引起設備任何部位脫開或以其他方式對人員或要害系統(tǒng)產(chǎn)生危害。飛機牽引車艦載機的保障裝備，應滿足GJB1060.1-1991 中的A 級要求。

1）以飛機牽引車為研究對象，建立了飛機牽引車有限元模型，并搭建A 級艦船設備的沖擊環(huán)境，在有限元分析軟件中進行抗沖擊分析，獲得其在沖擊作用下的結構響應云圖，判斷飛機牽引車主要結構的抗沖擊強度；

2）在抗沖擊技術研究實驗室進行了實車抗沖擊試驗，得到飛機牽引車主要結構沖擊測試數(shù)據(jù)；與仿真分析結果相對照，對飛機牽引車在沖擊下的相對薄弱環(huán)節(jié)提出優(yōu)化方向；

3）采用仿真分析與實車沖擊試驗相結合對照的綜合分析方法，對飛機牽引車的抗沖擊性能進行準確地評估。并從2 方面驗證了飛機牽引車滿足A 級艦船設備的抗沖擊要求。