基于AMESim的滑輪緩沖器動力學建模與仿真

畢柯，李想，湯智胤，歐陽斌，何海濤，王琦，吳鋼

1海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033

2海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，湖北武漢430033

基于AMESim的滑輪緩沖器動力學建模與仿真

畢柯1，李想1，湯智胤1，歐陽斌2，何海濤1，王琦1，吳鋼1

1海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033

2海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，湖北武漢430033

［目的］針對傳統滑輪緩沖器的緩沖性能不足以及阻攔索張力峰值過大的問題，［方法］采用基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器替代傳統滑輪緩沖器，應用AMESim軟件對2種滑輪緩沖器進行建模與仿真分析。［結果］結果表明：基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器可以有效提高阻攔裝置的各項攔截指標，且對艦載機沖擊載荷的適應性良好。與傳統滑輪緩沖器相比，其阻攔索張力峰值降低25%，艦載機最大加速度降低23%。［結論］研究結果可為進一步改善艦載機阻攔裝置的性能提供理論參考。

阻攔裝置；滑輪緩沖器；變阻尼；AMESim

Abstract：［Objectives］Considering the shortcomings of the traditional sheave damper in buffer performance and the peak value of the greatest cable tension,［Methods］this paper presents a sheave damper with variable damping according to piston displacement as a replacement for the traditional sheave damper,and AMESim software is used for the modeling and simulation.［Results］The results show that the new sheave damper can significantly improve the arresting gear performance indicators,and has better adaptability for aircraft impact load.Compared with the traditional sheave damper,the new method can reduce cable tension by 25%and reduce the maximum deceleration of aircraft by 23%.［Conclusions］As such,the research in this paper can provide a theoretical reference for improving the performance of aircraft arresting gear.

Key words：arresting gear；sheave damper；various damping；AMESim

0 引 言

在航母艦載機著艦阻攔的初始階段，為了降低艦載機掛鉤時阻攔索的張力峰值并解決攔阻索的松弛問題，需要在甲板滑輪與主阻攔機之間設置液壓緩沖系統，即滑輪緩沖器。滑輪緩沖器可以延長鋼索的使用壽命，提高阻攔系統的可靠性，為阻攔系統的安全運行提供重要保障［1］。傳統的滑輪緩沖器采用固定過流面積的孔口節流來產生阻尼力，圖1所示為Mk7-3滑輪緩沖器，由液壓缸、蓄能器和液壓閥等主要部件組成。國內外關于艦載機阻攔系統的多項研究均涉及滑輪緩沖器［2-6］，但鮮有滑輪緩沖器方面的專項研究，沈文厚等［1］對有、無滑輪緩沖器的艦載機阻攔系統性能進行了深入分析。目前，阻攔系統研究大多基于固定節流面積的滑輪緩沖器展開，這類滑輪緩沖器在活塞運動過程中的阻尼特性基本固定，對阻攔系統阻尼特性需求的適應性較差。基于此，本文擬提出一種節流閥節流面積隨活塞行程變化的滑輪緩沖器，采用AMESim軟件對艦載機捕獲初始階段的阻攔性能進行仿真，并與傳統固定阻尼特性的滑輪緩沖器進行對比分析，可為進一步改善艦載機攔阻系統性能提供理論參考。

圖1 傳統滑輪緩沖器的示意圖Fig.1 Schematic diagram of traditional sheave shock absorber

1 基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器數學模型

1.1 基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器

基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器與傳統滑輪緩沖器的主要區別在于其節流孔面積Ao可以隨活塞位移x實時變化，即Ao=f(x)。在艦載機捕獲初期，阻攔索的運動速度很小，為了建立初期張力，緩沖器應產生較大的阻尼效果；隨著阻攔索的運動速度增加，其張力也逐漸增加，為了緩解阻攔索張力，緩沖器的阻尼力應減小，則相應的節流孔面積應增大；在阻攔作業后期，緩沖器活塞將達到行程終點，阻攔索運動速度減小，為了防止阻攔索振蕩并制動活塞，需要在活塞行程末端形成“液壓墊”，以產生較大的阻尼力。艦載機阻攔過程中對滑輪緩沖器節流閥節流面積的需求為如圖2所示的“反浴盆”曲線。

圖2 節流孔面積隨活塞位移的變化曲線Fig.2 Variation of orifice area with respect to the displacement of piston

1.2 艦載機捕獲初期的動力學模型

圖3所示為艦載機阻攔示意圖。橫置于航母飛行甲板上的攔阻索長度約為20 m，由30根直徑為1.2 mm的高強度鋼絲繩擰成，鋼絲繩之間采用聚酯纖維潤滑［7］。為了簡化研究，提出如下假設：

1）艦載機捕獲初期，主阻攔機緩沖系統為大慣性系統，尚未發揮作用，該階段主要由滑輪緩沖器產生緩沖作用。

2）艦載機著艦時無偏航，阻攔索以艦載機尾鉤為基準，左右兩端受力對稱。

3）忽略艦載機尾鉤與阻攔索、阻攔索與滑輪之間的摩擦力。

4）忽略阻攔索質量及運動過程中的波動。

圖3 艦載機阻攔示意圖Fig.3 Schematic diagram of aircraft arrestment

如圖3所示，艦載機沿甲板跑道中心著艦，其尾鉤勾住甲板阻攔索中心，隨著艦載機向前運動，阻攔索從甲板下方拉出。艦載機在捕獲初期所受的阻尼力由甲板下方的滑輪緩沖器提供。

式中：T為阻攔索張力；θ為初始時刻與移位后某時刻阻攔索位置的夾角；m為艦載機質量；a為艦載機加速度；y為艦載機位移；L為初始時刻甲板上2個導向輪之間阻攔索長度的一半。

此時，滑輪緩沖器的放索長度ΔL為

在阻攔索的帶動下，滑輪緩沖器的活塞位移x為

在滑輪緩沖器動滑輪的帶動下，液壓缸活塞隨之運動并壓縮液壓缸內的液壓油，液壓油通過管路及液壓閥流入蓄能器。液壓缸活塞的受力Fp為

式中：PH為液壓缸有桿腔壓力；Ap為活塞的有效作用面積。

在液壓閥孔口節流及管道的流阻作用下，液壓油產生壓降后進入蓄能器。忽略液壓管路的阻力損失，管路內液壓油的流量q為

式中：Cd=0.66，為小孔流動的流量系數（按照孔前通道與小孔直徑之比，分為完全收縮薄壁孔流量系數和不完全收縮薄壁孔流量系數）；P0為節流閥后壓力；ρ為液壓油密度。

流經管路的液壓油流量等于液壓缸的流出油量，即

式中，vp為液壓缸活塞的速度。

將式（8）代入式（5），可得

忽略管路的阻力損失，則P0近似等于蓄能器壓力，即

式中：Pac0為蓄能器的初始壓力；Vac0為蓄能器的初始氣體體積；n=1.4，為多變指數，由于滑輪緩沖器工作時間短（小于1 s），故液壓油進入蓄能器的氣體壓縮過程可視為絕熱壓縮過程。

艦載機阻攔過程中，阻攔索張力T與活塞運動之間的關系為

2 基于AMESim的滑輪緩沖器建模

為了對艦載機阻攔系統的滑輪緩沖器性能進行仿真分析［8-10］，將基于AMESim液壓元件庫建立液壓系統仿真模型，如圖4所示，其中艦載機的重量為22.7 t，著艦速度為80 m/s。艦載機被捕獲后通過阻攔索帶動滑輪緩沖器活塞運動，通過函數Function 1將艦載機的運動位移轉化為液壓缸活塞的位移，并作為液壓缸的輸入。根據活塞的運動位移，在圖2中通過插值數據表得到變節流閥的設定節流面積。在液壓缸有桿腔的出口設置壓力傳感器Sensor，用以檢測PH。通過函數Function 2將液壓缸有桿腔壓力和活塞運動位移轉化為艦載機承受的阻攔索緩沖力合力，并作為艦載機質量塊模型的輸入。

圖4 AMESim滑輪緩沖器仿真模型Fig.4 Simulation model of sheave damper built by AMESim

3 仿真結果分析

3.1 固定阻尼的滑輪緩沖器

將對采用固定阻尼Mk7-3滑輪緩沖器的艦載機阻攔系統進行仿真，設置3種固定節流面積Ao的仿真工況，仿真結果如圖5所示，其中vj為阻攔過程中的艦載機速度。

1）Ao=4 908 mm2（圖2中的最大值）。

2）Ao=1 267.5 mm2（圖2中的平均值）。

3）Ao=695 mm2（圖2中的最小值）。

由圖5可知，Ao越小，則a，T，PH峰值越大。對于第2種和第3種工況，a，T峰值及相應的PH值均過高，無法滿足攔截指標要求；對于第1種工況，a和T的峰值基本滿足攔截指標要求，PH值也相對較低。但該工況下滑輪緩沖器的吸收能量也最少，在捕獲初期的緩沖作用最小。

圖5 固定阻尼滑輪緩沖器的3種工況仿真結果對比Fig.5 Comparison of simulation results of three case considering sheave damper with fixed damping

3.2 基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器

圖6所示為基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器仿真結果。在艦載機捕獲初期，Ao較小且變化率較大，PH迅速升高，滑輪緩沖器的阻尼力增加，令阻攔索迅速張緊；隨著活塞運動速度的增加，Ao逐漸增大且變化率減小，令T基本穩定。與圖5中的第1種工況相比，圖6中的T峰值降低25%，a峰值降低23%，滑輪緩沖器的吸收能量增加2%，PH值降低24%。

圖6 基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器仿真結果Fig.6 Simulation result of sheave damper with various damping according to displacement of piston

4 結 論

針對傳統艦載機阻攔系統中滑輪緩沖器緩沖能力不足的問題，本文提出一種基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器，建立了艦載機阻攔初期的動力學模型，采用AMESim軟件進行仿真分析，得到以下結論：

1）與傳統的滑輪緩沖器相比，基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器能夠根據艦載機和滑輪緩沖器之間的動力學關系，相應地改變節流閥節流面積，有效降低阻攔索張力等攔截指標的峰值，從而明顯改善艦載機阻攔系統的性能。

2）與傳統的滑輪緩沖器相比，采用基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器時，阻攔索張力峰值可降低25%，艦載機最大加速度降低23%，滑輪緩沖器的吸收能量增加2%，液壓缸有桿腔壓力降低24%。

3）隨著艦載機種類的增加及其著艦載荷的變化，固定阻尼滑輪緩沖器將難以滿足阻攔需求，故基于行程可變阻尼的滑輪緩沖器將為改善艦載機阻攔系統性能提供新的發展方向。

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Dynamic modeling and simulation of sheave damper based on AMESim software

BI Ke1，LI Xiang1，TANG Zhiyin1，OUYANG Bin2，HE Haitao1，WANG Qi1，WU Gang1
1 College of Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China
2 National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

U661.39；V245.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.05.013

2017-03-07< class="emphasis_bold">網絡出版時間：

時間：2017-9-26 10:34

國家部委基金資助項目

畢柯，男，1983年生，博士生。研究方向：艦船新型及特種輔助機械。E-mail：bikefly@aliyun.com

吳鋼（通信作者），男，1958年生，博士，教授，博士生導師。研究方向：艦船新型及特種輔助機械。E-mail：gangwu206@aliyun.com

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170926.1034.012.html期刊網址：www.ship-research.com

畢柯，李想，湯智胤，等.基于AMESim的滑輪緩沖器動力學建模與仿真［J］.中國艦船研究，2017，12（5）：104-108.

BI K，LI X，TANG Z Y，et al.Dynamic modeling and simulation of sheave damper based on AMESim software［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（5）：104-108.