基于ADAMS的舰载直升机系固系统仿真分析

赵小兵，秦 成

（北京7220信箱，北京 100072）

0 引言

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）是目前世界上应用最广泛的、最具权威性的机械系统动力学仿真分析软件，已被广泛应用到航空航天、兵器、汽车、船舶、机械制造等各个行业。ADAMS不仅是一个优秀的虚拟样机建模和分析软件，同时也可作为开发虚拟样机分析应用软件的有效工具。为此，本文采用ADAMS对舰载直升机系固系统进行了仿真分析。

1 船舶运动数学模型

直升机以其独有的悬停特性和超低空飞行能力越来越多地被装载于非航空型舰船，用以遂行海上补给、搜救、反潜、导弹超视距目标指示等任务，并在这些任务中表现出其他装备无可比拟的优势。但是，舰载直升机不同于陆基直升机，它必须适应海上飞行和舰载作业的环境[1，2]。由于海上风速大，致使舰艇周围风场变化大，舰艇运动和海上恶劣环境对舰载直升机的海上系固安全性产生很大影响。

美军很早就采用该动力学仿真分析软件对海军舰船海上装卸载情况和物资补给设备进行分析研究。海上补给装备和装卸载设备的安装使用有一个共同特点，都是安装在船舶上，船舶在海上受风、浪、流的作用，会产生6个自由度的运动响应。由于船舶的运动，会对船上的设备造成很大的影响，因此采用ADAMS动力学仿真分析软件对基于船载的装卸设备和补给设备进行仿真分析，首先需要在ADAMS中实现对不同海况的船舶运动仿真，这是上述所有仿真分析的基础。

船舶在海上的运动是一个非常复杂的运动，但是作为一个刚体在静水或波浪中受到扰动后，可以简化为围绕其原始平衡位置做6个自由度的摇荡运动：通过重心的纵轴、横轴与竖轴的往复振荡即纵荡（进退）、横荡和升沉（垂荡）运动，围绕三个轴的角振荡即纵摇、横荡和首摇，如图1所示。

图1 横荡、纵摇和首摇Fig.1 Transverse oscillation，longituding oscillation and yaw

研究表明，船舶摇荡运动大多数非常接近简谐振动，或者可以用若干简谐振动叠加的结果表示。因此，表征船舶摇荡特性的一些要素同简谐振荡的要素一致。一个物体在其平衡位置作简谐振荡运动，其运动方程为：

其中：Y（t）—船舶在其某种形式下的摇荡，t时刻离开平衡位置的位移；a—船舶离开平衡位置的最大位移，称为摇荡的振幅；ω—振荡的圆频率，与振荡周期T的关系为ω=2π/T。

振荡的圆频率等于2π秒内的完整振荡次数，船舶完成一次完整振荡的时间称为摇荡周期。角（ωt+ε）为摇荡的相位，角ε为船舶起始瞬时t=0时刻的相位。

2 ADAMS仿真模型建立

在ADAMS软件中进行船舶运动设定，首先需要根据船舶的主尺寸创建船舶模型，该模型可以直接利用ADAMS的工具创建，也可以采用专门的建模软件Ug、Proe、Solidworks等软件创建后通过ADAMS的接口导入，在此不做论述。

在ADAMS中对一个物体的运动进行设定是通过在物体上（一般在物体的质心）添加运动副来定义的，船舶围绕质心做6个自由度的摇荡运动，可以用general point motion运动副来表征，该运动副有6个自由度（DOF）可以设定，三个位移参数（traX，traY，traZ）和三个角度参数（rotX，rotY，rotZ），正好可以用于表征船舶在海浪中往复运动和角振荡。

当一个波浪作用船体时，使船在X、Y、Z方向产生位移，位移变化符合简谐振动，在ADAMS的general point motion中，对三个位移参数traX，traY，traZ进行设定，表征函数如下：

其中：traX—X 方向移动位移；Xd—X 初始移动方向；Wh—海浪高度（波高）；Wc—波浪周期。

船体自身还有固有的横荡、纵摇和首摇周期（各船不同），不同级别的海况，波浪有个的周期，在波浪作下，两者会进行叠加，同样可以用简谐振动来描述，在ADAMS的general point motion中，对三个角度参数rotX，rotY，rotZ进行设定，表征函数如下：

其中：rotX，rotY，rotZ分别为 X、Y、Z 方向振荡角度；Rd，Yd，Pd分别为初始横荡、纵摇、首摇方向；RS，YS，PS分别为船的最大横荡、纵摇、首摇角度；RC，YC， PC分别为船的横荡、纵摇、首摇周期；TC—波浪周期。

由于船体尺寸质量结构的差异，在分析时不同船型取值不同，具体数值可以从船舶设计部门获得。对于波高和周期，需要指定一定的风（浪）级或海况，不同风（浪）级级或海况下波高、波长、周期都不同，虽然目前国际上还没有统一的标准，但是一般风级按蒲氏标准化分，我国也采用蒲氏风级。对于浪级标准，各国发表的浪级标准虽然不同，但大致分为两类，一类为浪级和波浪尺度之间的关系，另一类为浪级、波浪尺度和和风速之间的关系，具体研究时可以查阅相关标准。

不同级别的海况以上各数值不同，为了实现方便调整输入，可以在ADAMS中进行参数化设定，以上函数按照表达式表述， 另外将 Wh、Wc、RS、YS、PS、RC、YC、PC 等设定为参变量，需要分析几级海况，直接调整每个参变量的输入值即可实现对系统的修改。

3 实例分析

舰载直升机在甲板固定的受力仿真首先要在Proe中建立船体模型和直升机模型，如图2所示。

将两个模型导入ADAMS后，对船体和直升机之间的关系进行定义和约束，施加载荷，如图3所示。按照上文设定船舶运动的方法，进行船舶运动设定。即在船体重心位置定义一个general point motion约束副驱动，按照上面的方法输入各公式，将 RS，YS，PS，RC，YC， PC，Wh，Wc，Rd，Yd，Pd定义为设计变量，然后通过纵荡、横荡和升沉角度值，就可以分析出纵荡、横荡和升沉的变化对各方向受力的影响。

图2 船体模型和直升机模型Fig.2 Hull model and helicopter model

图3 ADAMS中运动参数设定Fig.3 Set the motion parameters in ADAMS

3.1 横荡角度的大小对系固力的影响

纵摇角度（YS）和首摇角度（PS）设定为 0，对横荡角度（RS）照 0°、1°、3°、5°、7°、9°不同工况值设定，四个方向 fl（前右）、fr（前左）、rl（后右）和 rr（后左）系固力随时间的变化情况如图4所示。

图4 直升机系固力随横荡角度变化情况Fig.4 The fixed force of the helicopter at different Transverse angles

从仿真结果可以看出，船体横荡角度的突发性变化对直升机系固四个方向的瞬时冲击力约比不发生横荡时增大30%；1秒钟后，船体横荡角度的变化对直升机系固力影响趋于稳定；横荡角度从 0°变化为 9°时，rl（后右）和 rr（后左）系固力受船体横荡角度变化影响较fl（前右）和fr（前左）大一些，变化幅度约为6%。

3.2 纵荡角度的大小对系固力的影响

横荡角和首摇角设定为 0，对纵荡角按照 0°、1°、3°、5°不同工况值设定，4个方向系固力随时间的变化情况如图5所示。从图中可以看出，船体纵荡角度的变化在3°以内时，船体纵荡影响直升机4个系固力的变化小；当船体纵荡角度的变化超过3°以上时，直升机4个系固力的变化超过40%，因此，应系固装置设计中应充分考虑纵荡角度变化的影响。

图5 直升机系固力随纵荡角度变化情况Fig.5 The fixed force of the helicopter at different longitudinal angles

3.3 首摇角度（升沉角）变化对系固力的影响

图6 直升机系固力随首摇角变化情况Fig.6 Securing the helicopter force at different yaw angles

横荡角和纵摇角设定为 0，首摇角按照 0°、1°、3°、5°、7°、10°定后，直升机4个方向系固力大小如图6所示。从图中可以看出，首摇角在5°以下，升沉对直升机4个固定方向的系固力影响基本没有，当首摇角度超过5°后，4个方向的影响规律基本相同。

4 结论

利用ADAMS建立船舶运动模型，可以对船载的装卸和补给设备进行较为直观的运动仿真分析，不仅可以节省大量的实际试验的人力财力，而且可以较好的指导船上相关设备的设计研制。通过对舰载直升机在船甲板上系固力的仿真分析后发现，纵荡角度变化对系固力的影响最大，横荡角度变化次之，首摇角度变化影响最小，该结果与实际测量结果比较一致，也验证了船舶运动模型的正确。

[1]穆志韬.舰载直升机安全飞行的使用特点[J].航空工程与维修，2000，4.

[2]穆志韬.舰载直升机的飞行安全[J].江苏航空，1996。4.

[3]陶尧森.船舶耐波性[M].上海交通大学出版社，1985.

[4]陈立平，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].清华大学出版社，2005.

[5]李军，等.ADAMS实例教程[M].北京理工大学出版社，2002.

[6]贾长治，等.基于ADAMS的装备故障仿真及评估研究[J].系统仿真学报，2001，6.

[7]王晓东.MSC.ADAMS二次开发技术应用研究[C].MSC中国用户论文集，2004.

[8]郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门及提高[M].机械工业出版社，2004.