劉勇，舒欣，樂鑫喜，賴貞華

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

1 試驗

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。其具有留空時間長、機動性好、部署使用方便、戰(zhàn)場生存力強、研制和使用費用低廉、可長期連續(xù)不間斷地執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)等一系列獨特的優(yōu)點，是一種經(jīng)濟、高效、方便、可靠的艦載信息化作戰(zhàn)平臺[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，必然會引起系留纜繩下端系固點錨泊設(shè)備的振動和傾斜，導(dǎo)致系留纜繩動載荷波動，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行試驗驗證的產(chǎn)品，因此，文中將針對于艦載系留氣球系留纜繩的動態(tài)特性進行研究，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，借助于計算機輔助設(shè)計和相關(guān)動態(tài)仿真軟件對系統(tǒng)的動力學(xué)性能進行分析，文中將基于Adams仿真軟件對系留氣球系留纜繩的動態(tài)特性進行研究。

2 艦載系留氣球虛擬樣機模型的建立

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性和計算效率，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2～3 km，為了減小計算工作量，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)）按照某型號系留纜繩實際情況進行設(shè)置，剛度K軸套取值為5.9346×105N/m，軸套力阻尼系數(shù)目前尚無計算公式，按經(jīng)驗值選取阻尼系數(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際運動關(guān)系和受力關(guān)系，通過軟件中的約束副和力單元庫進行相關(guān)約束副和作用力的添加，使得虛擬樣機模型與實物運動特性保持一致[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、船體結(jié)構(gòu)簡化為剛體。

2）系留纜繩下端與錨泊平臺間添加球鉸約束。

3）錨泊平臺與船體間添加旋轉(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。計算過程采用各自的整體等效剛度數(shù)據(jù)，同時系留索具與系留纜繩以及球體間添加固定副。

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

定義好的艦載系留氣球的虛擬樣機模型如圖2所示。

圖2 艦載系留氣球虛擬樣機模型

3 艦載系留氣球纜繩動態(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狀態(tài)，整體在23 kN附近上下波動。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)果與實際測量值誤差為2%左右，驗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，俯仰角處于1.2°上下浮動，球體姿態(tài)穩(wěn)定，仿真數(shù)據(jù)與實際運動狀態(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動的影響，船舶自身會產(chǎn)生橫搖、縱搖、艏搖、升沉、橫蕩、縱蕩六個自由度的運動[6]，使得艦載系留氣球在使用過程中會受到船體運動的影響。參考GB/T 12932《船用臂架起重機》的設(shè)計規(guī)范，主要考慮船體橫搖5°和縱搖2°等運動的影響。

分析系留氣球、系留纜繩、錨泊平臺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動，可認(rèn)為系留纜繩下端系固點豎直方向位置不變。船體縱搖是以船長方向為中心線周期性的上下?lián)u擺運動，使得系留纜繩下端系固點位置上下周期性變化?？v搖時系留纜繩下端系固點位置較之橫搖波動幅度更大，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，錨泊平臺布置在船體尾部。以某船體（長100 m、寬30 m）為例，計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，即可模擬船體縱搖2°的情況，船舶運動模擬平臺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°動平臺運動曲線

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，峰值達到150 kN，隨后纜繩載荷基本在25 kN上下浮動。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)計時需采取相關(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模型，并進行動態(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，船體縱搖時會對系留纜繩帶來較大的沖擊載荷，同時對球體的俯仰姿態(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)意義和促進作用。