趙悅 周琪琛

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001）

0.引言

艦載直升機是指搭載在艦船上的直升機，是我國海軍的重要組成部分，主要遂行反潛反艦、空中預警、布雷掃雷、垂直補給、以及偵察救護等任務[1]。

當艦船在海上航行時，由于受海浪特性、自身運動狀態(tài)的影響，艦船自身會出現(xiàn)橫搖、縱搖、橫蕩、縱蕩等運動。與陸地上相比，艦載直升機停留在艦船甲板上，不僅要承受環(huán)境風帶來的風載，還要承受艦船給艦載直升機的慣性載荷[2-3]。因此，若要使艦載直升機能夠平穩(wěn)、安全地停留在艦船上，就必須對直升機進行系留，尤其在海況較差時，艦載直升機機體將會承受各個方向的過載，且載荷較大。如果某一方向載荷超出了機體結構或者系留裝置的承載能力，則直升機機體結構、系留裝置都可能遭到破壞。

當前，直升機艦面系留普遍采用的是定點系留的方式，即先確定艦載直升機在艦船上的停放位置，再根據(jù)系留窩分布確定直升機系留方案并進行評估。但在實際使用中，艦載直升機一般不能準確停放在系留方案中要求的位置，導致實際系留方案與理論系留方案存在偏差，可能使直升機結構和系留裝置的受力超過其承載能力，如圖1所示。因此，在系留方案設計階段，需給出直升機的停放范圍，作為艦上系留操作的限制條件，以避免直升機結構和系留裝置發(fā)生破壞。本文通過建立艦載直升機系留載荷計算模型，給出了一種艦載直升機艦上停放范圍的計算方法。

1.艦載直升機系留載荷計算模型

1.1 有限元模型

采用有限元的方法計算直升機艦面系留載荷，有限元模型如圖2所示。以直升機重心為系留對象的中心，分別連接各起落架接地點與各系留環(huán)，作為一個剛體進行分析。各系留環(huán)與對應的系留窩之間建立桿單元，用于模擬系留繩；建立系留索力學分析模型，并能施加預拉伸力載荷。輪胎采用彈簧來模擬，彈簧在Z方向設置剛度，3個輪胎剛度均可調整。在起落架接地點Z向坐標處建立解析剛體作為甲板，建立甲板與起落架之間的接觸關系。直升機受到的外部載荷施加在直升機重心處。

1.2 外部載荷

對于系留于飛行甲板的艦載直升機，受到的外力包括：（1）重力。作用在機體重心，豎直向下。（2）風力。作用在風載中心處，設定方向為水平，與直升機航向垂直。（3）慣性力。作用在機體重心，與艦船的搖晃模式、加速度有關。

將重力、風力和慣性力等載荷統(tǒng)一通過坐標轉換的方式施加到直升機重心上。

設 Fx0，F(xiàn)y0，F(xiàn)z0為風力在 x、y、z 方向的力 ；Mx0，My0，Mz0為風力在x、y、z方向的力矩；需將Fx0，F(xiàn)y0，F(xiàn)z0的作用點由風載中心平移到直升機重心處，平移后會產生額外的力矩，平移后的風載力矩公式如下所示：

其中，MwindX，MwindY，MwindZ為轉換后的風載；Xg，Yg，Zg為直升機重心的坐標；Xw，Yw，Zw為風載作用點的坐標。

直升機系留在艦船上，受艦船縱搖、橫搖等運動的影響，會產生橫向、縱向、垂向3個方向的慣性載荷。一般艦船給出的橫向、縱向、垂向加速度的參考系為艦船坐標系，在直升機系留載荷計算時，需將艦船加速度轉化為機體坐標系下直升機重心處的加速度，轉換公式如下所示：

其中，nx、ny、nz分別為直升機坐標系下X、Y、Z 3個方向慣性載荷；φ為艦船縱搖角，θ為艦船橫搖角，ax'、ay'、az'分別為艦船坐標系3個方向的加速度載荷，g為重力加速度。

綜上，將重力、風載、慣性載荷疊加，得出直升機受到的合力和合力矩，公式如下所示：

其中，F(xiàn)X，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z，MX，MY，MZ為直升機重心處3個方向上的合力和合力矩；mH為直升機質量。

2.艦載直升機艦上停放范圍計算

根據(jù)以上建立的系留載荷計算模型，可計算出在當前系留方案下每條系留索具的系留載荷。若系留載荷滿足系留裝置和直升機結構的強度要求，則可繼續(xù)計算當前系留方案下艦載直升機所能?？康姆秶?。

圖3 某型艦載直升機示意圖

2.1 理論停放位置系留載荷計算

某型艦載直升機共有4個系留環(huán)，每個系留環(huán)連接2根系留索具，共8根系留索具，艦面系留物理模型如圖4所示。

圖4 直升機艦上系留示意圖

艦載直升機數(shù)據(jù)如表1所示。使用表1數(shù)據(jù)，利用有限元方法可求得理論系留方案下的各索具的系留載荷。

表1 某型艦載直升機計算數(shù)據(jù)

根據(jù)以上直升機數(shù)據(jù)，計算得到的系留載荷如表2所示。在此風載和艦船運動下，直升機航向右側系留載荷為0，僅左側系留索受力。

表2 系留載荷計算結果

2.2 ?？糠秶O置

系留點位置分布和系留方案確定之后，艦載直升機停靠的精確位置由3個參數(shù)決定，即艦載直升機實際停放位置相對于系留方案規(guī)定的理論停放位置的X方向偏移距離、Y方向偏移距離和繞Z軸的轉角。確定艦載機?？糠秶褪且_定這3個變量的取值區(qū)間。

以直升機理論停放位置的旋翼中心建立局部坐標系，確定艦載直升機在2個方向上可能偏移的最大距離X和Y與可能偏移的最大角度θz，以此確定直升機的初始計算范圍。根據(jù)計算的精度要求，對計算范圍進行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。設X方向網(wǎng)格步長為Δx，Y方向網(wǎng)格步長為Δy，偏移量網(wǎng)格步長Δθz，則網(wǎng)格點：

圖5 計算區(qū)域設置

2.3 停放范圍計算

根據(jù)以上設置，將計算區(qū)域劃分為大小i×j×k的三維網(wǎng)格，若對所有網(wǎng)格點全部計算，則計算量較大，在工程上不具備可實施性。為解決此問題，在計算時根據(jù)實際情況，優(yōu)化計算流程，減少計算量。

首先計算在偏移角度不變時，直升機的停放范圍。在停放范圍計算前，理論系留位置的系留載荷已知且滿足強度要求。因此，可從理論停放位置開始，沿網(wǎng)格逐層向外，進行計算，直至不滿足強度要求，如圖6（a）所示。根據(jù)?？糠秶挠嬎憬Y果，可以畫出最大系留力F在參數(shù)空間上的分布云圖。當參數(shù)θz不變時，分布云圖為一個二維柵格數(shù)據(jù)，通過二維柵格數(shù)據(jù)生成等值線的算法，取系留索極限強度值為等值線的值，可以得到F=Fmax的等值線，等值線所包圍的范圍，即為艦載機固定偏移角度時的最大停靠范圍，如圖6（b）所示。

圖6 艦載機無偏移角度時的最大停靠范圍計算

隨后計算直升機允許的停放偏移角度。改變直升機停放偏移角度，在每個角度下計算直升機當前停放角度下的最大停放范圍，形成各角度下直升機停放范圍。再將各角度下停放范圍疊加，得出最終的直升機停放范圍，如圖7所示。

圖7 直升機停放范圍計算

3.結論

本文利用有限元方法建立了艦載直升機艦上系留載荷計算模型，計算分析了不同停放偏差下系留載荷，并給出了直升機停放范圍的計算方法。在艦上理論系留方案基礎上，應用此方法能快速給出艦載直升機允許的停放范圍，減少系留風險，簡化艦上系留操作，有效提升艦載直升機艦面保障作業(yè)的效率。