艦載直升機(jī)艦上停放范圍計(jì)算方法與研究

趙悅 周琪琛

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001）

0.引言

艦載直升機(jī)是指搭載在艦船上的直升機(jī)，是我國(guó)海軍的重要組成部分，主要遂行反潛反艦、空中預(yù)警、布雷掃雷、垂直補(bǔ)給、以及偵察救護(hù)等任務(wù)[1]。

當(dāng)艦船在海上航行時(shí)，由于受海浪特性、自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，艦船自身會(huì)出現(xiàn)橫搖、縱搖、橫蕩、縱蕩等運(yùn)動(dòng)。與陸地上相比，艦載直升機(jī)停留在艦船甲板上，不僅要承受環(huán)境風(fēng)帶來(lái)的風(fēng)載，還要承受艦船給艦載直升機(jī)的慣性載荷[2-3]。因此，若要使艦載直升機(jī)能夠平穩(wěn)、安全地停留在艦船上，就必須對(duì)直升機(jī)進(jìn)行系留，尤其在海況較差時(shí)，艦載直升機(jī)機(jī)體將會(huì)承受各個(gè)方向的過(guò)載，且載荷較大。如果某一方向載荷超出了機(jī)體結(jié)構(gòu)或者系留裝置的承載能力，則直升機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)、系留裝置都可能遭到破壞。

當(dāng)前，直升機(jī)艦面系留普遍采用的是定點(diǎn)系留的方式，即先確定艦載直升機(jī)在艦船上的停放位置，再根據(jù)系留窩分布確定直升機(jī)系留方案并進(jìn)行評(píng)估。但在實(shí)際使用中，艦載直升機(jī)一般不能準(zhǔn)確停放在系留方案中要求的位置，導(dǎo)致實(shí)際系留方案與理論系留方案存在偏差，可能使直升機(jī)結(jié)構(gòu)和系留裝置的受力超過(guò)其承載能力，如圖1所示。因此，在系留方案設(shè)計(jì)階段，需給出直升機(jī)的停放范圍，作為艦上系留操作的限制條件，以避免直升機(jī)結(jié)構(gòu)和系留裝置發(fā)生破壞。本文通過(guò)建立艦載直升機(jī)系留載荷計(jì)算模型，給出了一種艦載直升機(jī)艦上停放范圍的計(jì)算方法。

1.艦載直升機(jī)系留載荷計(jì)算模型

1.1 有限元模型

采用有限元的方法計(jì)算直升機(jī)艦面系留載荷，有限元模型如圖2所示。以直升機(jī)重心為系留對(duì)象的中心，分別連接各起落架接地點(diǎn)與各系留環(huán)，作為一個(gè)剛體進(jìn)行分析。各系留環(huán)與對(duì)應(yīng)的系留窩之間建立桿單元，用于模擬系留繩；建立系留索力學(xué)分析模型，并能施加預(yù)拉伸力載荷。輪胎采用彈簧來(lái)模擬，彈簧在Z方向設(shè)置剛度，3個(gè)輪胎剛度均可調(diào)整。在起落架接地點(diǎn)Z向坐標(biāo)處建立解析剛體作為甲板，建立甲板與起落架之間的接觸關(guān)系。直升機(jī)受到的外部載荷施加在直升機(jī)重心處。

1.2 外部載荷

對(duì)于系留于飛行甲板的艦載直升機(jī)，受到的外力包括：（1）重力。作用在機(jī)體重心，豎直向下。（2）風(fēng)力。作用在風(fēng)載中心處，設(shè)定方向?yàn)樗?，與直升機(jī)航向垂直。（3）慣性力。作用在機(jī)體重心，與艦船的搖晃模式、加速度有關(guān)。

將重力、風(fēng)力和慣性力等載荷統(tǒng)一通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式施加到直升機(jī)重心上。

設(shè) Fx0，F(xiàn)y0，F(xiàn)z0為風(fēng)力在 x、y、z 方向的力 ；Mx0，My0，Mz0為風(fēng)力在x、y、z方向的力矩；需將Fx0，F(xiàn)y0，F(xiàn)z0的作用點(diǎn)由風(fēng)載中心平移到直升機(jī)重心處，平移后會(huì)產(chǎn)生額外的力矩，平移后的風(fēng)載力矩公式如下所示：

其中，MwindX，MwindY，MwindZ為轉(zhuǎn)換后的風(fēng)載；Xg，Yg，Zg為直升機(jī)重心的坐標(biāo)；Xw，Yw，Zw為風(fēng)載作用點(diǎn)的坐標(biāo)。

直升機(jī)系留在艦船上，受艦船縱搖、橫搖等運(yùn)動(dòng)的影響，會(huì)產(chǎn)生橫向、縱向、垂向3個(gè)方向的慣性載荷。一般艦船給出的橫向、縱向、垂向加速度的參考系為艦船坐標(biāo)系，在直升機(jī)系留載荷計(jì)算時(shí)，需將艦船加速度轉(zhuǎn)化為機(jī)體坐標(biāo)系下直升機(jī)重心處的加速度，轉(zhuǎn)換公式如下所示：

其中，nx、ny、nz分別為直升機(jī)坐標(biāo)系下X、Y、Z 3個(gè)方向慣性載荷；φ為艦船縱搖角，θ為艦船橫搖角，ax'、ay'、az'分別為艦船坐標(biāo)系3個(gè)方向的加速度載荷，g為重力加速度。

綜上，將重力、風(fēng)載、慣性載荷疊加，得出直升機(jī)受到的合力和合力矩，公式如下所示：

其中，F(xiàn)X，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z，MX，MY，MZ為直升機(jī)重心處3個(gè)方向上的合力和合力矩；mH為直升機(jī)質(zhì)量。

2.艦載直升機(jī)艦上停放范圍計(jì)算

根據(jù)以上建立的系留載荷計(jì)算模型，可計(jì)算出在當(dāng)前系留方案下每條系留索具的系留載荷。若系留載荷滿(mǎn)足系留裝置和直升機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，則可繼續(xù)計(jì)算當(dāng)前系留方案下艦載直升機(jī)所能?？康姆秶?/p>

圖3 某型艦載直升機(jī)示意圖

2.1 理論停放位置系留載荷計(jì)算

某型艦載直升機(jī)共有4個(gè)系留環(huán)，每個(gè)系留環(huán)連接2根系留索具，共8根系留索具，艦面系留物理模型如圖4所示。

圖4 直升機(jī)艦上系留示意圖

艦載直升機(jī)數(shù)據(jù)如表1所示。使用表1數(shù)據(jù)，利用有限元方法可求得理論系留方案下的各索具的系留載荷。

表1 某型艦載直升機(jī)計(jì)算數(shù)據(jù)

根據(jù)以上直升機(jī)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到的系留載荷如表2所示。在此風(fēng)載和艦船運(yùn)動(dòng)下，直升機(jī)航向右側(cè)系留載荷為0，僅左側(cè)系留索受力。

表2 系留載荷計(jì)算結(jié)果

2.2 停靠范圍設(shè)置

系留點(diǎn)位置分布和系留方案確定之后，艦載直升機(jī)?？康木_位置由3個(gè)參數(shù)決定，即艦載直升機(jī)實(shí)際停放位置相對(duì)于系留方案規(guī)定的理論停放位置的X方向偏移距離、Y方向偏移距離和繞Z軸的轉(zhuǎn)角。確定艦載機(jī)?？糠秶褪且_定這3個(gè)變量的取值區(qū)間。

以直升機(jī)理論停放位置的旋翼中心建立局部坐標(biāo)系，確定艦載直升機(jī)在2個(gè)方向上可能偏移的最大距離X和Y與可能偏移的最大角度θz，以此確定直升機(jī)的初始計(jì)算范圍。根據(jù)計(jì)算的精度要求，對(duì)計(jì)算范圍進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。設(shè)X方向網(wǎng)格步長(zhǎng)為Δx，Y方向網(wǎng)格步長(zhǎng)為Δy，偏移量網(wǎng)格步長(zhǎng)Δθz，則網(wǎng)格點(diǎn)：

圖5 計(jì)算區(qū)域設(shè)置

2.3 停放范圍計(jì)算

根據(jù)以上設(shè)置，將計(jì)算區(qū)域劃分為大小i×j×k的三維網(wǎng)格，若對(duì)所有網(wǎng)格點(diǎn)全部計(jì)算，則計(jì)算量較大，在工程上不具備可實(shí)施性。為解決此問(wèn)題，在計(jì)算時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，優(yōu)化計(jì)算流程，減少計(jì)算量。

首先計(jì)算在偏移角度不變時(shí)，直升機(jī)的停放范圍。在停放范圍計(jì)算前，理論系留位置的系留載荷已知且滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。因此，可從理論停放位置開(kāi)始，沿網(wǎng)格逐層向外，進(jìn)行計(jì)算，直至不滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，如圖6（a）所示。根據(jù)?？糠秶挠?jì)算結(jié)果，可以畫(huà)出最大系留力F在參數(shù)空間上的分布云圖。當(dāng)參數(shù)θz不變時(shí)，分布云圖為一個(gè)二維柵格數(shù)據(jù)，通過(guò)二維柵格數(shù)據(jù)生成等值線(xiàn)的算法，取系留索極限強(qiáng)度值為等值線(xiàn)的值，可以得到F=Fmax的等值線(xiàn)，等值線(xiàn)所包圍的范圍，即為艦載機(jī)固定偏移角度時(shí)的最大停靠范圍，如圖6（b）所示。

圖6 艦載機(jī)無(wú)偏移角度時(shí)的最大停靠范圍計(jì)算

隨后計(jì)算直升機(jī)允許的停放偏移角度。改變直升機(jī)停放偏移角度，在每個(gè)角度下計(jì)算直升機(jī)當(dāng)前停放角度下的最大停放范圍，形成各角度下直升機(jī)停放范圍。再將各角度下停放范圍疊加，得出最終的直升機(jī)停放范圍，如圖7所示。

圖7 直升機(jī)停放范圍計(jì)算

3.結(jié)論

本文利用有限元方法建立了艦載直升機(jī)艦上系留載荷計(jì)算模型，計(jì)算分析了不同停放偏差下系留載荷，并給出了直升機(jī)停放范圍的計(jì)算方法。在艦上理論系留方案基礎(chǔ)上，應(yīng)用此方法能快速給出艦載直升機(jī)允許的停放范圍，減少系留風(fēng)險(xiǎn)，簡(jiǎn)化艦上系留操作，有效提升艦載直升機(jī)艦面保障作業(yè)的效率。