基于ANSYS/Workbench/AQWA的新型兩棲裝甲車輛海上航行穩定性分析

許崇銀，孟慶良

(73233 部隊，浙江 舟山 316100)

新型兩棲裝甲車輛具有優越的海上機動性、先進的火控系統和強大的火力，是我軍兩棲機械化部隊的主要作戰裝備［1-2］。隨著其陸續裝備部隊，在實際使用中檢驗裝備性能，提高部隊訓練水平，充分發揮裝備性能，成為部隊和有關單位研究的一個關注點。海上穩定性研究是兩棲車輛設計和使用研究的一個重要方面。由于受到海面風浪、射擊后坐力及爆炸對車的作用，其海上航行狀態將不可避免的產生相應的變化，這將影響航速、航行安全、乘員觀察和操作準確度以及火炮射擊精度，直接關系部隊訓練質量和裝備性能發揮。

1 海上航行穩定性概述及影響因素

1.1 海上航行穩定性概述

新型兩棲裝甲車輛海上航行穩定性指的是其在海上航行過程中受到風浪壓力、火炮射擊后坐力、爆炸、轉向離心力等外力的作用下發生傾斜，產生傾斜力矩，當外力消失后，由于受周圍水介質的作用可產生恢復力矩，能恢復到正常狀態的能力。車輛傾斜搖擺主要有橫搖、縱搖和垂蕩3 種運動狀況，這是考察和衡量兩棲裝甲車輛海上航行穩定性的重要內容。

1.2 影響因素分析

兩棲裝甲車輛海上航行穩定性的影響因素包括:海況環境、射擊后坐力以及整車的質量分布。本文取全車為研究對象，對海上射擊后引起的整體質量分布變化可以忽略，此處不予考慮。海況環境和射擊后坐力是影響其海上航行最重要的外力。其中海況包括海浪與風力，它們是環境主動施加在車輛上的外力，對兩棲車輛海上運動的影響很復雜。根據不同的形成方式，海浪可以分為風浪和涌浪。風浪一般由風形成，是服從一定統計規律的隨機現象，故稱為隨機海浪;涌浪是從風浪區生成區傳播出來的波浪，其形態和排列比較規則，可視為規則波。

2 有限元模型的建立

2.1 模型的簡化處理

1)一般車輛分系統包括車體及內部安裝的動力裝置、傳動裝置、操作裝置，外部安裝的行走裝置等［3］。本文中由于只研究車輛整體的水上運動過程，所以車輛分系統忽略車體內部系統之間、車體和火炮之間的耦合，將包括火炮部分的整個車輛看成一個質量一定、質心位置不變，質量對稱分布，具有確定幾何形狀的剛體，研究這個剛體在水上的運動情況。

2)在結構外形上，首先在建模時忽略首尾滑行板對其海上運動影響，首尾滑行板對其速度調節將通過對模型賦予一定的速度加以取代;其次將其炮塔理想化，以一個等效的長方體取代。實踐證明，這對其海上運動過程模擬影響很小，但在劃分網格時，可以節省大量的計算機資源。

3)有時細小部件對有限元網格劃分有較大的影響，有時甚至無法進行。建模時略去一些產生微小角度的圓角，這些圓角在非受力的部件上，對有限元分析沒有影響。

2.2 海上航行有限元模型的建立

針對其結構特點，在對其進行有限元網格劃分時，采用自由劃分功能［4］，設定最大單元尺寸為0.6 m、最小容忍尺寸為0. 1 m，最大允許頻率為0.658 4 Hz，網格單元數為1 325個，其有限元模型網格劃分如圖1 所示。在有限元模型網格劃分后，輸入ANSYS/Workbench/AQWA 中Hydrodynamic Diffraction 模塊與Hydrodynamic time response 模塊進行模擬計算，如圖2。

圖1 有限元模型

圖2 Hydrodynamic Diffraction 模塊與Hydrodynamic time response 模塊

3 海上航行穩定性分析

3.1 靜水條件下穩定性分析

靜水狀態下穩定性分析是研究車輛僅在射擊后坐力作用下，車輛橫搖、縱搖和垂蕩與射擊角度的關系。按照t0=0.0 s 火炮開始射擊，取積分時間步長0.1 s，積分步點數N=301，計算tc=30 s 時間內其在靜水狀態下的穩定性，給出火炮射擊高低角φc，火炮射擊方位角φc不同的6 種組合工況的海上運動穩定性計算結果。射擊方位角ψc在(0°，45 °，90°)，高低角φc在(0°，15°)中取值來計算。

在靜水條件下，海上射擊產生的橫搖最大值是5.175 8°(工況2)如圖3 所示，縱搖值1.677 7°(工況1)，說明在任何射擊角度火炮射擊后坐產生的縱搖角度較小，不會在縱向產生不穩定;而在橫向產生較大的振動，對海上橫向產生穩定影響。射擊方向角為90°時，橫向搖擺過大可能造成炮口入水，影響車輛的安全。

圖3 靜水狀態下最大橫搖、縱搖及垂蕩圖

3.2 海浪條件下穩定性分析

海浪條件下穩定性分析，主要是研究車輛在海浪干擾力作用下，車輛橫搖、縱搖和垂蕩與海況、車速和航向角之間的關系。

仿真模擬結果顯示，車輛在二級以下海況航行時，可以以最大航速進行航行，其橫搖、縱搖和垂蕩都較小;在二級海況航行時，最大航速為5 m/s，且產生的橫搖和縱搖較顯著;在二級到三級海況航行時，最大航速為4.2 m/s，車輛橫搖和縱搖顯著;在四級海況時，車輛只能以低航速(4 m/s)進行航行，且此時車輛顛簸厲害，最大橫搖角達22°，最大縱搖角達16°，處較危險狀態。

圖4 海浪條件下最大橫搖、縱搖及垂蕩圖

3.3 海浪與火炮射擊雙重激勵下的穩定性分析

海浪和火炮射擊雙重激勵條件下航行仿真，主要研究在海浪干擾力和火炮射擊后坐干擾力雙重激勵作用下，車輛振動狀況與航行狀態、火炮射擊高低角和方向角之間的關系，重點討論火炮射擊對車輛振動影響。根據裝備使用規定分析結論，設定不同風速，航速和航向角、火炮射擊高低角和方向角進行仿真試驗，得到車輛振動仿真結果，以此分析火炮射擊對車輛航行穩定性的影響。由仿真模擬情況得知:當火炮射擊激勵與海浪激勵同向時，會增大車輛振動，反之當火炮射擊激勵與海浪激勵反向時，會產生相互抵消作用。在二級以下海況，車輛可以在任意航速范圍內進行射擊而不會引起傾覆;在二級海況時，車輛只能在4.5 m/s 內進行射擊，由此產生的最大橫搖為9.240 9°，最大縱搖角為2.221 7°;在二級到三級海況時，車輛也可在4.5 m/s 內進行射擊，但此時的最大橫搖為25.478 6°，最大縱搖為13.877 2°，明顯加大;四級海況時，建議不要射擊。

4 結束語

本文利用新型兩棲裝甲車輛海上航行有限元仿真模型，結合其使用規定，把不同的外部環境(海況)和車輛狀態(車輛航速，航行角、火炮射擊高低角和方向角)等初始條件作為其海上航行有限元仿真模型的重要參數，分別從靜水狀態、海浪條件下、海浪和火炮射擊雙重激勵條件下進行了模擬仿真，并根據仿真結果得出結論，對其使用單位提出了相應的使用建議。仿真結果和分析如下:在靜水條件下，其射擊穩定性較好;在海浪條件下，隨著海況變差，車輛振動劇烈;在海浪與火炮射擊雙重激勵下，應按小角度航行，避免火炮射擊特別是橫向射擊。

［1］楊楚泉.水陸兩棲車輛原理與設計［M］.北京:國防工業出版社，2003.

［2］王濤.兩棲車輛水上動態性能數值模擬方法及其應用［M］.北京:國防工業出版社，2009.

［3］居乃鵕.裝甲車輛動力學分析與仿真［M］.北京:國防工業出版社，2002.

［4］康鳳舉.現代仿真技術與應用［M］.北京:國防工業出版社，2006.