粵海鐵路輪渡履帶式裝備運輸安全性仿真

余貽榮，亢 航，范靈毓

(1.軍事交通學院 聯合投送系，天津300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161；3.96630部隊，北京102206)

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● 軍事運輸 Military Transportation

粵海鐵路輪渡履帶式裝備運輸安全性仿真

余貽榮1，亢 航2，范靈毓3

(1.軍事交通學院 聯合投送系，天津300161； 2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161；3.96630部隊，北京102206)

為驗證粵海鐵路輪渡運輸履帶式裝備的安全性，給粵海鐵路輪渡履帶式裝備運輸提供技術參考，利用多體動力學仿真軟件建立典型履帶式裝備鐵路平車運輸仿真模型，載荷輸入模擬惡劣海況條件，對履帶式裝備粵海鐵路輪渡運輸裝載加固方案進行仿真，并對仿真結果進行安全性分析。結果表明，粵海鐵路輪渡履帶式裝備鐵路運輸裝載加固方案基本可行，安全性可以得到保障。

粵海鐵路輪渡；履帶式裝備；運輸安全性；裝載加固

2006年，粵海鐵路輪渡開通軍事運輸業務，對加強我軍南海方向軍事投送能力建設具有重大意義。自2008年以來，隨著粵海鐵路輪渡軍運任務逐年增加，沿線軍運基礎設施得到極大改善，南海方向鐵路兵力投送網絡已初具雛形。根據原鐵道部鐵運函[2003]47號之規定，粵海鐵路輪渡限制平車和超限貨物通過，這就意味著履帶式裝備無法通過粵海鐵路輪渡進行運輸，這種限制嚴重制約了南海方向兵力投送能力的拓展。通過開展粵海鐵路輪渡履帶式裝備運輸安全性仿真研究，以期為盡快開通履帶式裝備運輸提供技術支撐。

1 虛擬樣機的建立

1.1 裝載加固系統結構分析

“粵海鐵1號”輪渡船有上甲板和鐵路輪渡甲板兩層可用于貨運[1]。在鐵路輪渡甲板上，列車軌道通過嵌入的方式直接安裝在甲板上。甲板上配有快速捆綁系統，用來固定車列，以克服惡劣海況下船舶縱搖、橫搖和垂蕩所產生的慣性力。車列的加固方式主要有3種：①車輪下墊放止輪器，以克服縱向慣性力；②利用垂向螺桿支撐器將列車底部頂住，以克服橫向搖擺；③利用高強度的捆綁裝置在車列左右兩側將其拉住，以克服縱向和橫向慣性力。在先前的研究中[2]，已對上述加固方式進行過計算驗證，驗證結果表明，通過這3種方式加固的車列穩定性良好，不會發生橫向傾覆。

99A坦克是典型的履帶式裝備，由炮塔、車體、懸掛、負重輪、主動輪、誘導輪和履帶系統等部件組成，按照現行的鐵路軍事運輸裝載標準實施裝載和加固。裝載后，99A坦克的縱向中心線與鐵路平車的縱軸線重合，不偏重。履帶板由平車木質地板支撐，使用4塊方木分別抵住左右兩條履帶的前后，并用扒釘將方木固定在地板上，同時通過鋼絲繩進行捆綁加固。海浪載荷作用于船舶，通過鐵路輪渡甲板傳遞到平車，進而作用于坦克，坦克隨船舶做蕩動與搖擺。

1.2 裝載系統三維實體模型的建立

虛擬樣機仿真，首先需要建立各部件的三維實體模型，并裝配成一體，這是建立動力學仿真的基礎。履帶式裝備的裝載加固模型部件數量多，外觀復雜，而ADAMS實體建模功能較弱，不夠完善，在ADAMS/View中難以完成零部件的建模與裝配。因此，本文借助Pro/Engineering(Pro/E)軟件來完成實體建模和裝配工作。

在建立各部件三維實體模型過程中，對模型進行適當簡化。運輸安全重點關注的是各部件的外形尺寸和質量特性，部件的內部結構和局部細節對運輸安全的影響微乎其微，因此，可將運動關系一致且不會影響整個機構或系統動作的構件合并為一個剛體。將99A式坦克簡化為炮塔、車體、懸掛、負重輪、主動輪、誘導輪和履帶系統共7個部分，將鐵路平車視為一個整體。

1.3 模型轉換

完成99A坦克裝載加固系統Pro/E實體建模后，將模型導入到ADAMS軟件中。將Pro/E模型保存成Parasolid、STP等通用的中間格式，然后利用ADAMS中File/Import功能將其導入到ADAMS中，即使用Parasolid文件標準進行三維建模軟件與仿真分析軟件之間的圖形傳遞。

1.4 系統拓撲結構

基于上文履帶式裝備裝載加固系統結構分析，當平車可靠加固后，平車與鐵路輪渡甲板可以視為一體。海浪對船舶的作用等效于作用在平車上，認為將海浪載荷輸入直接作用于平車質心，作為履帶式裝備裝載加固系統的載荷輸入。模型中兩不同部件之間的運動關系有轉動、固定、接觸、彈簧阻尼器以及扭轉彈簧阻尼器等。驅動主要采用點運動的方式施加。履帶式裝備裝載加固系統拓撲關系如圖1所示，C為碰撞接觸，F為固定副，R為轉動副，S為彈簧，M為點驅動，TS為扭轉彈簧。

圖1 系統拓撲結構

2 系統主要模型構建

2.1 碰撞接觸模型

碰撞接觸模型主要用于坦克履帶與鐵路平車底板的接觸。在ADAMS中，碰撞接觸模型將碰撞過程根據Dubosky彈簧-阻尼接觸理論來計算接觸力。采用碰撞函數方法所建立的接觸力模型為

(1)

c=step(g,0,0，Dmax，Cmax)

式中：k為物體之間的接觸剛度；g為兩接觸面間的穿透深度；e為力的非線性作用指數；c為阻尼系數；step( )為一個階梯函數；Dmax為阻尼達到最大值時的穿透深度；Cmax為最大阻尼系數，其大小根據材料特性選定。step( )函數的引入是為了避免非接觸狀態產生阻尼力。

履帶與鐵路平車底板之間接觸的靜摩擦力，是防止99A坦克在平車上移動的主要作用力。利用Coulomb摩擦定律計算切向摩擦力。摩擦系數的計算公式為

(2)

式中：v、vs、vd分別為相對滑移速度、靜摩擦臨界速度和動摩擦臨界速度；μs，μd為靜摩擦系數和動摩擦系數；sign( )為符號函數。

2.2 鋼絲繩捆綁模型

根據加固方案，99A坦克在平車上的固定是利用鋼絲繩分別捆住其前、后端，在兩端各拉成一個八字形(或交叉形)，拴于平車繩栓或支柱槽上。根據鋼絲繩捆綁作用效果，采用彈簧模型來表征。鋼絲捆綁模型為

(3)

2.3 虛擬樣機模型

本文建立的履帶式裝備裝載加固系統虛擬樣機中共有38個剛體，總自由度數為10個。虛擬樣機模型如圖2所示。

圖2 虛擬樣機模型

2.4 載荷輸入

船舶受到海浪的作用后，會圍繞其原始位置做6個自由度的搖蕩運動。其中：圍繞通過船體質心的3個方向往復振蕩分別稱為縱蕩、橫蕩和垂蕩運動；繞上述3個方向的角振蕩則分別稱為橫搖、縱搖和艏搖。根據項目研究的目的，本文主要關注的是橫搖與垂蕩的運動。

船舶搖蕩運動近似接近簡諧振蕩[3]，設定船體在瓊州海峽大海中的橫搖和垂蕩都為諧振動，則有

θ=θ0·sin(2πft)

(4)

s=s0·sin(2πft)

(5)

式中：θ為t時刻船舶橫搖離開平衡位置的角度，且規定向左搖擺的方向為正；θ0為最大橫搖角度；s為t時刻船舶垂蕩離開平衡位置的位移，且規定向上運動的方向為正；s0為最大垂蕩位移；f為振蕩的頻率，與振蕩周期T的關系為f=1/T。

在垂向上，利用式(5)對t求一次導數和二次導數，可得到垂蕩運動的速度和加速度，進而可得到最大垂向加速度：

s′=2πf·s0·cos(2πft)

(6)

s″=-4π2f2·s0·sin(2πft)

(7)

s″max=4π2f2·s0

(8)

式中：s′為垂蕩運動的速度；s″為垂蕩運動的加速度；s″max為最大垂向加速度；f為垂蕩頻率，若已知垂蕩周期T，可按照f=1/T式求出。

因此，當已知s″max、振蕩周期T時，可以計算得出最大垂向位移s0為

(9)

在適航的海況條件下，船舶的搖蕩周期在4～12 s范圍內。仿真試驗分別取周期范圍兩端的極限值進行計算(周期4 s與周期12 s)。通過查閱《貨物堆裝和系固安全操作規則》并進行相應計算，得到在不同風浪等級下，垂蕩最大加速度、垂蕩最大位移、橫搖最大角度與風浪等級的關系(見表1)。

表1 垂蕩最大加速度及位移、橫搖最大角度

根據表1可得出不同風浪等級下渡輪橫搖、垂蕩運動的方程。例如，當風浪等級為6級風/3.0 m浪高，且周期為4 s時，將s0=0.698 1 m，θ0=6.60°，f=1/T=1/4=0.25 Hz代入式(4)、式(5)中，可得該風浪等級下渡輪橫搖、垂蕩的方程：

θ=θ0·sin(2πft)=6．60·sin(1.570 8·t)

(10)

s=s0·sin(2πft)=0.691 8·sin(1.570 8·t)

(11)

將該橫搖和垂蕩運動作為模型載荷，運動曲線如圖3、圖4所示。

圖3 “6級風/3.0 m浪/周期4 s”橫搖的運動曲線

圖4 “6級風/3.0 m浪/周期4 s” 垂蕩的運動曲線

3 動力學仿真

根據《瓊州海峽火車渡船模型耐波性試驗報告》，在極限狀態下輪渡車列及裝備縱向加速度最大值為0.101 g，比鐵路運輸中車列及裝備受到的縱向加速度小得多，裝備按現行《鐵路軍事運輸裝載標準》進行裝載加固，能夠滿足列車上船后縱向穩定性要求。因此，仿真計算時，主要校核渡輪傾角和貨物各向加速度同時達到最大值時裝備的橫向傾覆穩定性與橫向滑動特性。基于表1垂向最大加速度及位移、橫擺角對應的最大位移值，通過給平車質心施加垂向運動位移與橫擺角運動載荷，選取4種風浪等級、2種極限周期，共8種典型海況進行仿真分析。不同海況、不同周期下動力學仿真結果見表2。

4 結 論

(1)在船舶的相同搖擺周期下，隨著海浪等級的增大，99A式坦克的垂直最大位移、橫搖最大角、履帶相對于平車的橫向滑移最大距離以及鋼絲繩的最大受力都增大。

(2)在相同海浪等級下，隨著船舶搖擺周期的下降，搖擺頻率提高，99A式坦克的垂直最大位移變小，而車體橫搖最大角、履帶橫向滑移最大距離以及鋼絲繩的最大受力都增大。

(3)在垂向上，通過對比車體垂直方向最大加速度值，基本符合安全性要求。

(4)在橫向上，從鋼絲繩的最大受力變化可以看出，鋼絲繩的最大受力出現在8級風、4.5 m浪、周期為4 s的海況下，為170.62 kN，比鋼絲繩的破斷抗拉力205 kN小，說明鋼絲繩滿足強度需求。車體在橫向上不會發生傾覆和大幅滑動，滿足安全性要求。

表2 不同海況、不同周期下動力學仿真結果

(5)基于仿真結果分析，粵海鐵路輪渡履帶式裝備鐵路運輸裝載加固方案基本可行，安全性可以得到保障。

[1] 七O八研究所.“粵海鐵1號”船貨物系固手冊[M].上海:七〇八研究所,2002:11-13.

[2] 余貽榮,范靈毓,楊永偉，等.粵海鐵路輪渡輪式裝備運輸安全性研究[J].軍事交通學院學報,2016,18(5):9-14.

[3] 李積德.船舶耐波性[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社,2007：101-102．

(編輯：閆曉楓)

Simulation of Crawler Equipment Transport Security on Yuehai Railway Ferry

YU Yirong1, KANG Hang2, FAN Lingyu3

(1.Joint Projection Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China；>3.Unit 96630, Beijing 102206, China)

To verify the security and provide technical reference for transporting crawler equipment with Yuehai railway ferry, the paper establishes simulation model of typical crawler equipment transport with flat wagon based on multi-body software ADAMS (automatic dynamics analysis of mechanical system), and simulates the loading reinforcement scheme under the simulated harsh sea condition. It also analyzes the security of the result. The result shows that the loading reinforcement scheme of crawler equipment transport with Yuehai railway ferry is feasible and safe.

Yuehai railway ferry; crawler equipment; transport security; loading reinforcement

2016-08-21；

2016-09-21．

總后軍交運輸部科研計劃項目(BJJ13J001).

余貽榮(1970—)，男，副教授，碩士研究生導師．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.12.008

E234

A

1674-2192(2016)12- 0030- 04