基于LMS Virtual.Lab的舰载系留气球动态仿真分析

丁 葵，舒 欣,陈治鹏,赖贞华

(1.中国船舶重工集团公司第七二二研究所低频电磁通信技术实验室， 武汉 430000；2.中国特种飞行器研究所， 湖北 荆门 448035)

舰载系留气球是一种可装载在船舶上中、小型系留气球，和其他岸基、舰载及空中信息平台相比，它具有留空时间长、探测精度高、机动性好、部署使用方便、雷达散射面积小、战场生存力强、研制和使用费用低廉、可长期连续不间断地执行作战任务等一系列独特的优点，是一种经济、高效、方便、可靠的舰载信息化作战平台。

在舰载系留气球系统领域的研究方面，美国走在世界前列，主要基于现有舰船和陆基的系留气球平台分系统进行改装改型，广泛用于情报、监视与侦察(ISR)类任务。国外舰载系留气球系统研究历史悠久，系统研制试验持续进行，经过多年的发展，已经比较成熟且有产品投入使用。而国内还未开展舰载研制与关键技术攻关，没有投入使用或正进行试验验证的产品。

舰载平台需要具备足够大的可用甲板面积，以供系留气球的收放以及锚泊设备和回转平台等装置的安装。同时，由于波浪的影响，船体不可避免存在横摇、纵摇和起伏，必然会引起锚泊设备和回转平台等装置的振动冲击和倾斜，并导致系留气球囊体、索具和蝴蝶结等气动载荷加剧[1]。因此，舰载平台还应具有一定的运动稳定性，以确保舰载系留气球的天线分系统能安全工作。本研究将基于LMS Virtual.Lab仿真软件对舰载系留气球的动态性能进行仿真研究。

1 舰载系留气球系统结构组成

舰载系留气球系统结构由锚泊回转平台和系留气球组成，其中锚泊设备主要由平台基座、固定平台、回转基座、回转支承、回转驱动装置、回转平台、系留支臂、托架气垫、系留塔、头锥锁、设备室、操纵室、绞盘、储缆绞车、导向滑轮、配电设备、控制设备等[2]，如图1所示。锚泊回转平台与回转支撑固联，并可在360°范围内旋转。

1.系留气球; 2.上平台护栏; 3.固定平台; 4.导向滑轮; 5.托架气垫; 6.缆绳通道; 7.平台基座; 8.系留支臂; 9.辅助绞车; 10.回转平台; 11.回转支承; 12.回转驱动装置; 13.绞盘; 14.储缆绞车; 15.电控柜; 16.回转基座; 17.扶梯; 18.设备室; 19.操纵室; 20.系留塔; 21.塔顶护栏; 22.头锥锁; 23.舰船

图1 锚泊设备示意图

2 舰载系留气球虚拟样机模型的建立

系留气球在锚泊状态及近地面放飞、回收时，通过头锥及气球中部左侧、右侧系留点，与锚泊设备相对的头锥锁及系留支臂固定，并通过辅助绞车进行制动，使系留气球与锚泊设备回转平台保持位置上的相对固定[3]，当风作用到球体上时，球体将会带动锚泊平台一起顺浆与风向一致。

2.1 船舶运动模拟平台样机模型

本研究设计的船舶运动模拟平台采用两自由度平台机构，其包括一个固定平台、一个动平台、4个单伸出液压缸、通过给平台按照实际运动形式添加约束副并给与一定的驱动函数驱动[4]，可实现模拟船舶甲板横摇、纵摇运动。船舶运动模拟平台的虚拟样机模型如图2所示。

图2 船舶运动模拟平台的虚拟样机模型

本文依据GB/T 12932《船用臂架起重机》的设计规范，船体公称回转按横摇5°和纵摇2°考虑设计[5]，同时根据船舶自由横摇周期估算公式，计算得到船舶横摇、纵摇周期分别为15 s和10 s，在LMS Virtual.Lab Motion中对平台添加一定驱动函数即可模拟船舶的横摇、纵摇运动，船舶运动模拟平台的横摇、纵摇仿真曲线如图3、图4所示。

图3 横摇5°动平台运动曲线

图4 纵摇2°动平台运动曲线

由图3、图4所示的角度和时间仿真曲线光滑，振幅和周期满足横摇5°、纵摇2°的设计要求，可以推断的机械运动构件之间未发生干涉，符合本次研究目的。

2.2 舰载系留气球虚拟样机模型

由于锚泊回转平台的回转性能受锚泊平台的质量分布、回转中心位置、球体的影响，为提高模型精确性，在建立起模型时按照现有车载式锚泊平台和球体结构尺寸进行建立。利用软件丰富的约束副和力单元库模型，对各部件按照实际运动关系和受力形式添加约束副和作用力[6]。

建模过程中模型简化及模型参数设置如下：

1) 球体(包含头锥)、回转平台(包含系留塔、系留支臂、托架)、船体结构简化为刚体；

2) 头锥与系留塔之间约束为球铰约束，回转平台与船体上平台添加转动副；

3) 中部机械索具及辅助索具设置为只承受拉力载荷的弹簧单元，索具弹性模量E=5 500 MPa，中部机械索具直径14 mm，辅助索具直径8 mm，计算过程采用各自的整体等效刚度数据；

4) 气垫直径940 mm，气垫与气囊之间设置为接触力，接触刚度20 000 N/m；

5) 假设风速恒定且水平方向保持不变，根据舰载系留气球的使用工况为不高于6级海况风力7级环境使用，风速为13.9～17.1 m/s，本研究仿真设定风速20 m/s，同时根据AC-21-09系留气球适航标准要求考虑风向变化率为10(°)/s，设定在第2 s开始1 s时间内风向变化10°，系留气球气动系数采用风洞试验结果，风向变化过程中每时刻的气动系数依据试验数据通过插值计算得出，根据式(1)和式(2)即可计算其气动力和力矩，在相应的载荷作用点施加浮力、气动阻力、升力、侧力，气动力矩。

Pi=0.5ciρν2S

(1)

Mi=0.5miρν2Sl

(2)

式中：ci，mi为气动系数；ν为风速(m/s)；Pi为与ci对应的某一方向上的气动力；Mi为与mi对应的某一方向上的气动力矩；S为参考面积，取310 m2；l为参考长度，取48 m。

定义好的舰载系留气球的虚拟样机模型如图5所示。仿真时给定风速20 m/s、初始迎角0°，侧滑角1 s变化10°，即可计算得到运动过程中头锥和机械索具的载荷以及球体的姿态变化角度等参数[7]。

图5 舰载系留气球虚拟样机模型

3 舰载系留气球动态仿真结果分析

本研究主要对模型从船舶横摇5°、船舶纵摇2°等两个方面进行仿真分析。仿真结果主要从以下3点进行分析：

1) 球头锥、机械索具等部位受力状态；

2) 球体的偏航角、俯仰角、横滚角等姿态角参数；

3) 系统顺浆响应时间。

3.1 横摇5°系统仿真结果

横摇5°动态仿真结果如图6、图7所示，分析发现在横摇5°的情况下，在风向从第2～3 s时间内变化10°后，气球顺浆重新对准风向所需时间为7 s左右，顺浆时间较短，同时顺浆过程中各锁具以及头锥部分受力最大达到2.6 kN，满足强度设计要求，系统状态稳定后受力呈现一定的周期性变化，周期与舰载周期相同为15 s，在风向瞬时变化10°时，加上船体横摇5°的影响，球体横滚角度较大，但随着球体顺浆重新对准风向，球体整体姿态趋于稳定，并随着船体横摇呈现最大横滚5°周期变化。图8机械左右索具受力交替为0，分析可得当球体随船体进行横摇时，左右索具交替松弛的状态。该结果说明横摇对系统的顺浆性能影响较小，但对左右机械索具影响较大，在设计时可考虑在系留气球与回转平台连接索具末端设置弹簧阻力机构，以减少索具、蝴蝶结等结构的冲击载荷，同时提高索具的抗拉强度。

图6 横摇5°条件下球体姿态-时间变化曲线

图7 横摇5°条件下拉索受力-时间变化曲线

3.2 纵摇2°系统仿真结果

纵摇2°系统仿真结果如图8、图9所示，结果显示在纵摇2°的情况下，气球顺浆重新对准风向所需时间与横摇仿真结果相同，气球顺浆过程中球头锥、机械索具等部位受力曲线与横摇结果曲线相比波动较小，同时当气球顺浆重新对准风向后，整体受力以及球体姿态变化呈现周期变化，周期与船体纵摇周期一致为10 s，该仿真结果与实际情况相符，同时仿真结果显示纵摇对系统的顺浆性能影响较小。

图8 纵摇2°条件下球体姿态-时间变化曲线

图9 纵摇2°条件下拉索受力-时间变化曲线

4 结论

充分考虑了船体横摇、纵摇带来的振动冲击和倾斜的影响，以及风载综合作用下，球体偏转对应的角度变化以及气动载荷的变化。利用LMS Virtual.Lab软件建立了舰载系留气球虚拟样机模型进行动态仿真分析，分别输出了20 m/s风速下船体横摇、纵摇影响下舰载系留气球系留顺浆过程中头锥和中部机械索具的载荷曲线以及球体的姿态角变化曲线，该结果对舰载系留气球的可行性分析和适装性研究具有一定的指导意义，同时对舰载系留气球整个技术领域起到积极的促进作用。