粤海铁路轮渡普通弹药运输装载加固方案仿真

余贻荣，亢 航，赵云豪

(1.军事交通学院 联合投送系，天津300161； 2.军事交通学院 学员旅，天津 300161；3.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161)

粤海铁路轮渡普通弹药运输装载加固方案仿真

余贻荣1，亢 航2，赵云豪3

(1.军事交通学院 联合投送系，天津300161； 2.军事交通学院 学员旅，天津 300161；3.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161)

为充分发挥粤海铁路轮渡的国防功能，满足战时普通弹药运输需求，必须加强普通弹药铁路轮渡运输装载加固研究。利用动力学仿真技术建立铁路棚车装载某型普通弹药仿真模型，输入模拟恶劣海况条件，对粤海铁路轮渡运输普通弹药的装载加固方案进行仿真，并对仿真结果进行安全性分析，为粤海铁路轮渡安全运输普通弹药提供技术参考。

粤海铁路轮渡；普通弹药；装载加固；仿真

粤海铁路轮渡是跨越琼州海峡，连接广东、海南两省唯一的铁路通道。近年来，随着南海方向军事斗争准备的深入，粤海铁路轮渡因其快捷高效、成本低廉的运输特点和优势，在军事运输领域的地位和作用逐渐凸显。但是，由于受到渡轮技术条件和运输政策制约，目前仍限制办理军用危险货物运输业务。普通弹药平时存量少、战时消耗多，运输需求量大，极大地限制了粤海铁路轮渡国防功能的发挥。开展粤海铁路轮渡普通弹药运输安全性仿真，可为尽快开通相关运输业务提供技术参考。

1 虚拟样机的建立

1.1 仿真试验所用弹药选型

铁路运输实践经验和稳定性计算表明，弹药包装箱的体积越小、底面长宽比越大、重心越高，其装载稳定性越差。因此，选型应优先考虑箱型较小、长宽比大的弹药。大多数包装规格为单枚弹药的包装箱符合该特点。选取试验的某型普通弹药包装箱的外部尺寸是1 200 mm×250 mm×250 mm，底面长宽比为4.8∶1，轴向横截面为正方形，内装1枚弹药，总质量50.0 kg，总体稳定性差。

1.2 装载加固系统结构分析

粤海“铁1号”渡轮上有汽车甲板(上甲板)和铁路甲板(主甲板)可用于货运。甲板上配有车列快速捆绑固定系统，以克服恶劣海况下船舶摇荡产生的惯性力。之前的研究已对车列的加固方式进行了稳定性验证[1]，结果表明，按照规程加固的车列稳定性良好，不会发生纵向滑动和横向倾覆。

仿真试验采用P60棚车作为普通弹药的载运车辆，装载加固的系统结构，取决于弹药的铁路运输装载加固方案。仿真试验所选择的某型普通弹药，其装载加固有关参数见表1，加固示意如图1所示。

表1 装载加固参数

图1 某型普通弹药铁路运输装载示意

(1)装载方法。弹药箱长1 200 mm，可横装2行，沿车宽方向居中摆放。装载横向总长为2 400 mm，左右各留出215 mm间隙。弹药箱高250 mm，垂向可堆码9层，装载总高度为2 250 mm。棚车前半部分的装载时，下4层，每行装载30箱，即每层装载60箱。从第5层以上，靠近车门处，按照梯形堆码。每层在靠近车门一侧比其下方一层少装2行。后半部分按照前半部分对称装载。装载时，前后两端的弹药箱紧贴棚车端面侧墙堆码，然后从两端向中部均匀码放，并确保前后两端堆的对称性，装载后整车重心不偏移。

(2)加固方法。装载后，横向间隙、纵向间隙应使用填充物挤紧加固。填充物应与弹药箱之间垫放一层木板，使得加固受力均匀。填充物可用木笼式支架、泡沫塑料、充气气垫等。包装箱上盖和箱底有限位条，上下堆码时能够相互扣住，以防止横向滑动。建议使用8#镀锌铁线对梯形台面包装箱进行横向连接和垂向固定。

单辆棚车的装载箱数可达到960箱，若按960箱进行建模和装配，建模和仿真运行的难度将较大。因此，对模型系统进行必要的简化，使模型既能有效反映真实装载情况，又便于装配、调试和运行。一是简化箱体结构，将箱体视为密度均匀的长方体。二是简化仿真区域，将装载对称、排列规则部分略去。即首先略去棚车后端装载的一半弹药，然后略去前端第1～18列弹药箱，仅留第19～30列。然后将第19～30列弹药整体平移至原先第1列的位置，使第19列弹药箱紧贴棚车前端面侧墙。三是将部分区域内相对运动关系较为稳定的若干箱弹药组合起来，视为一个整体(如图2所示)。仿真主要验证处于每层靠近车门边缘的2列4箱弹药的稳定性(图2中阴影部分的弹药箱)，以此来评估整车装载的稳定性。

图2 仿真系统模型的简化及弹药箱重命名

1.3 三维模型的建立和装配

建立三维模型一般有两种方式：①模型简单的情况下，利用ADAMS自带的零件设计功能建模；②模型复杂的情况下，借助专业CAD设计软件进行建模和装配，然后将模型导入ADAMS。本文利用ADAMS进行建模，并采取建模、装配、添加约束(力、运动)同时进行的方式，即每建立一个三维模型，便将其装配到位，添加适当的约束、力和相应的运动，并随时验证模型。

1.3.1 棚车模型

棚车模型主要功能是承载波浪载荷，添加运动驱动后，棚车会根据设定的函数产生相应的运动。产生的运动只与运动载荷的作用点相关，与棚车自身质量无关。因此，棚车建模主要是把棚车车内装载空间的尺寸确定好，忽略其质量、密度等参数。棚车模型由4部分组成：车底板、左侧侧墙、右侧侧墙和端面侧墙，忽略棚车车顶、转向架、轮组等。

1.3.2 弹药箱模型及其加固模型

该型号弹药包装箱为木质，内部弹药外壳为金属质。由于仿真所关注的重点是整箱质量，可将弹药箱视为一个内部密度均匀的长方体刚体。经计算，该型号弹药箱的平均密度为6.667×10-7kg/mm3，给零件赋予该密度值后，软件会自动计算质量和质心位置。加固方法采用横向间隙填充挤紧的方式。可将填充体模型设置为长方体实体，并按照装载的长度和间隙的宽度对填充体尺寸赋值，质量设定为30.0 kg。为便于模拟计算，将弹药箱进行重新命名(如图2所示)。

1.3.3 接触模型

接触模型是本文仿真试验所用到的最重要的力学模型。相邻弹药箱之间，弹药箱与车底板、侧墙、左右加固填充物之间，加固填充物与棚车之间的力学作用都要用接触模型来表征。设置接触力时，需对每个接触面逐一进行设置。图3中右侧“力”的模型树下列出了仿真试验所设置的接触模型，数量较多。接触力的命名也遵从相应的规则，以便调试、修改。ADAMS中的接触模型(CONTACT)将接触力的计算分为法向压力和切向摩擦力两个部分，两者相互影响。接触模型使用Impact函数法计算法向压力，使用Coulomb法计算切向摩擦力。

图3 模型树中的物体和力

(1)法向压力的计算模型。ADAMS根据Hertz接触理论，利用Impact函数构建出非线性等效弹簧阻尼模型来代表法向压力，可表示为

(1)

c=step(Δx，0，0，Dmax，Cmax)

(2)

式中：FN为法向压力；k为接触表面的刚度，数值大小根据材料确定；Δx为接触点(面)的法向穿透深度，为推荐值0.01 mm；λ为力的非线性作用指数，针对木材取值为1.5；d(Δx)/dt为接触的相对速度；c为阻尼系数。阶梯函数step(x，x0，y0，x1，y1)括号内的5项按照顺序分别代表自变量、自变量初始值、函数初始值、自变量结束值、函数结束值。在式(2)中，Dmax为阻尼达到最大值时的穿透深度；Cmax为最大阻尼系数，其大小根据材料特性选定，木质弹药包装箱的推荐值为10(N·s/mm)。step( )函数的引入是为了避免非接触状态产生阻尼力。

(2)切向摩擦力的计算模型。弹药箱之间的静摩擦力是克服滑动的主要作用力。利用Coulomb摩擦定律计算切向摩擦力。摩擦系数的计算公式为

(3)

式中：v为相对滑移速度；vs为静摩擦临界速度；vd为动摩擦临界速度；μs为最大静摩擦系数，仿真时取值为0.6；μd为最大滑动摩擦系数，仿真时取值为0.45；sign( )为符号函数。

1.4 载荷输入

评价船舶横摇和垂荡剧烈程度的指标为：最大横摇角、横摇周期、最大垂荡幅度及垂荡周期。船舶摇荡运动近似接近简谐振荡[2]，设定船体在琼洲海峡大海中的横摇与垂荡都为谐振动，则船舶横摇和垂荡的运动方程为

(4)

(5)

式中：θ为t时刻船舶横摇离开平衡位置的角度，且规定向右摇摆的方向为正，θ0为最大横摇角度；s为t时刻船舶垂荡离开平衡位置的位移，且规定向上荡动的方向为正，s0为最大垂荡位移；T为振荡周期。当已知横摇最大角度、垂荡最大位移和垂荡周期T时(船舶摇荡周期在4～12 s范围内，仿真取两端极限值进行计算)，可得出船舶横摇和垂荡的运动方程。根据之前的研究[3]，在不同风浪等级下，横摇最大角度、垂荡最大位移见表2。

表2 横摇最大角度、垂荡最大位移数据

在不同风浪等级条件下，将表2中相应数据带入式(4)、式(5)中，该条件下渡轮横摇、垂荡运动的方程，即可作为相应的模型载荷。例如，工况条件为6级风/3.0 m浪高，且垂荡周期为4 s的条件下的渡轮运动方程为

θ=6．60·sin(1.570 8·t)

s=0．691 8·sin(1.570 8·t)

1.5 虚拟样机

经过建模和装配测试和修改，完成了虚拟样机模型的建立。样机模型共有32个刚体、1个转动副、1个移动副、3个固定副和100组接触力设置(如图4所示)。

图4 仿真虚拟样机模型

2 方案的仿真验证

根据仿真的目的，考察不同工况下弹药箱的稳定性，包括横向倾覆性、纵向倾覆性、横向滑动性和纵向滑动性。考察的目标弹药箱为第5～9层最外侧的弹药箱。仿真试验选取2种风浪等级(6级风/3.0 m浪高、8级风/4.5 m浪高)、2种极限周期(周期4 s、周期12 s)，排列组合共4种工况进行仿真。对于周期4 s的工况，设置仿真时间为12 s，共仿真3个周期，仿真步数设置为2 400步，即仿真步长为1/200 s；对于周期12 s的工况，设置仿真时间为24 s，共仿真2个周期，仿真步数设置为4 800步，仿真步长为1/200 s。步长取值越短，越有利于计算的收敛，计算精度、真实性就越高。不同风浪等级、不同海况条件下的仿真验证结果见表3。

表3 不同海况不同周期下仿真验证结果

注：①“横向最大相对位移量”是指弹药箱在横向上相对于其正下方弹药箱的最大位移；②“纵向最大相对位移量”是指弹药箱在纵向上相对于其自身初始状态的最大位移。

3 仿真结果分析

(1)倾覆稳定性。在4次仿真试验中，无论是横向还是纵向，均没有发生弹药箱模型倾覆或跌落的现象。说明仿真试验中，装载后倾覆稳定性满足运输要求。

(2)横向滑动性。仿真模型中，对弹药箱在横向上进行了紧实加固。仿真结果表明，无论是何种工况，随着棚车的左右摇摆，左右两侧的弹药箱均能跟随棚车保持良好的简谐运动状态，弹药箱质心位置在每个周期结束后均能够回到原先位置，横向滑动距离很小，可忽略不计，说明横向加固能够保证弹药箱和横向滑动稳定性。

(3)纵向滑动性。仿真模型中，未对弹药箱在纵向上采用任何加固措施。通过分析仿真结果，可以得到如下结论：①理论上，在不施加纵向载荷的情况下，弹药箱在纵向不应发生任何位移。但仿真试验的结果表明，在不同工况条件下，各层弹药箱均发生了不同程度、不同方式的位移。②纵向位移方式分为两类：第一类是围绕平衡位置作无规律的振动，偶尔会出现较大的脉冲式振动，但质心位置始终在平衡位置附近，这类位移方式主要体现在7层以上的弹药箱上；第二类是在纵向振动的过程中，质心位置逐渐偏离平衡位置，在仿真结束后形成一定量的纵向位移，主要是第5、6层。③纵向位移幅度变化规律。对于第一类位移方式，风浪等级小的情况下，纵向振动幅度较小，风浪周期较短的情况下，振动幅度较小，对于第二类，在不同工况下，第5层边缘弹药箱的滑动距离在15～30 mm不等，风浪等级越大、风浪周期越长，滑动距离越大。

4 结 语

海上运输横向作用力较大，有针对性地在横向进行紧实加固后，能够满足横向稳定性要求。由于弹药堆码数量多，形成的力学环境比理想状态复杂，即使海上运输纵向惯性力远小于陆上铁路运输，但也不能完全认定弹药箱在纵向上不会发生滑动。因此，应根据实际情况，在纵向上对弹药进行适当加固，以保证运输安全。总之，普通弹药通过粤海铁路轮渡进行运输，稳定性满足要求，实施铁路轮渡运输可行。

[1] 余贻荣，范灵毓，杨永伟，等．粤海铁路轮渡轮式装备运输安全性研究[J]．军事交通学院学报，2016，18(5):9-14.

[2] 李积德．船舶耐波性[M]．哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2007:101-102.

[3] 余贻荣，亢航，范灵毓．粤海铁路轮渡履带式装备运输安全性仿真[J]．军事交通学院学报，2016，18(12):30-33.

(编辑：孙协胜)

Simulation on Loading Reinforcement Scheme of General Ammunition Transport with Yuehai Railway Ferry

YU Yirong1, KANG Hang2， ZHAO Yunhao3

(1.Joint Projection Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Cadets Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 3.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

To perform the national defense function of Yuehai railway ferry and meet the needs of general ammunition transport in wartime, it is necessary to study loading reinforcement of general ammunition transport with railway ferry. The paper firstly establishes a simulation model on railway boxcar loading general ammunition with dynamic simulation technique, and simulates the loading reinforcement scheme of transporting general ammunition with Yuehai railway ferry by inputting the simulated harsh sea condition. Then, it analyzes the security of the simulation result, which can provide technical reference for transporting general ammunition with Yuehai railway ferry safely.

Yuehai railway ferry; general ammunition; loading reinforcement; simulation

2017-04-27；

2017-05-17. 作者简介： 余贻荣(1970—)，男，副教授，硕士研究生导师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.08.002

E234

A

1674-2192(2017)08- 0006- 05

● 军事运输 Military Transportation