基于AMESim的滑轮缓冲器动力学建模与仿真

毕柯，李想，汤智胤，欧阳斌，何海涛，王琦，吴钢

1海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033

2海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，湖北武汉430033

基于AMESim的滑轮缓冲器动力学建模与仿真

毕柯1，李想1，汤智胤1，欧阳斌2，何海涛1，王琦1，吴钢1

1海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033

2海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，湖北武汉430033

［目的］针对传统滑轮缓冲器的缓冲性能不足以及阻拦索张力峰值过大的问题，［方法］采用基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器替代传统滑轮缓冲器，应用AMESim软件对2种滑轮缓冲器进行建模与仿真分析。［结果］结果表明：基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器可以有效提高阻拦装置的各项拦截指标，且对舰载机冲击载荷的适应性良好。与传统滑轮缓冲器相比，其阻拦索张力峰值降低25%，舰载机最大加速度降低23%。［结论］研究结果可为进一步改善舰载机阻拦装置的性能提供理论参考。

阻拦装置；滑轮缓冲器；变阻尼；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

在航母舰载机着舰阻拦的初始阶段，为了降低舰载机挂钩时阻拦索的张力峰值并解决拦阻索的松弛问题，需要在甲板滑轮与主阻拦机之间设置液压缓冲系统，即滑轮缓冲器。滑轮缓冲器可以延长钢索的使用寿命，提高阻拦系统的可靠性，为阻拦系统的安全运行提供重要保障［1］。传统的滑轮缓冲器采用固定过流面积的孔口节流来产生阻尼力，图1所示为Mk7-3滑轮缓冲器，由液压缸、蓄能器和液压阀等主要部件组成。国内外关于舰载机阻拦系统的多项研究均涉及滑轮缓冲器［2-6］，但鲜有滑轮缓冲器方面的专项研究，沈文厚等［1］对有、无滑轮缓冲器的舰载机阻拦系统性能进行了深入分析。目前，阻拦系统研究大多基于固定节流面积的滑轮缓冲器展开，这类滑轮缓冲器在活塞运动过程中的阻尼特性基本固定，对阻拦系统阻尼特性需求的适应性较差。基于此，本文拟提出一种节流阀节流面积随活塞行程变化的滑轮缓冲器，采用AMESim软件对舰载机捕获初始阶段的阻拦性能进行仿真，并与传统固定阻尼特性的滑轮缓冲器进行对比分析，可为进一步改善舰载机拦阻系统性能提供理论参考。

图1 传统滑轮缓冲器的示意图Fig.1 Schematic diagram of traditional sheave shock absorber

1 基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器数学模型

1.1 基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器

基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器与传统滑轮缓冲器的主要区别在于其节流孔面积Ao可以随活塞位移x实时变化，即Ao=f(x)。在舰载机捕获初期，阻拦索的运动速度很小，为了建立初期张力，缓冲器应产生较大的阻尼效果；随着阻拦索的运动速度增加，其张力也逐渐增加，为了缓解阻拦索张力，缓冲器的阻尼力应减小，则相应的节流孔面积应增大；在阻拦作业后期，缓冲器活塞将达到行程终点，阻拦索运动速度减小，为了防止阻拦索振荡并制动活塞，需要在活塞行程末端形成“液压垫”，以产生较大的阻尼力。舰载机阻拦过程中对滑轮缓冲器节流阀节流面积的需求为如图2所示的“反浴盆”曲线。

图2 节流孔面积随活塞位移的变化曲线Fig.2 Variation of orifice area with respect to the displacement of piston

1.2 舰载机捕获初期的动力学模型

图3所示为舰载机阻拦示意图。横置于航母飞行甲板上的拦阻索长度约为20 m，由30根直径为1.2 mm的高强度钢丝绳拧成，钢丝绳之间采用聚酯纤维润滑［7］。为了简化研究，提出如下假设：

1）舰载机捕获初期，主阻拦机缓冲系统为大惯性系统，尚未发挥作用，该阶段主要由滑轮缓冲器产生缓冲作用。

2）舰载机着舰时无偏航，阻拦索以舰载机尾钩为基准，左右两端受力对称。

3）忽略舰载机尾钩与阻拦索、阻拦索与滑轮之间的摩擦力。

4）忽略阻拦索质量及运动过程中的波动。

图3 舰载机阻拦示意图Fig.3 Schematic diagram of aircraft arrestment

如图3所示，舰载机沿甲板跑道中心着舰，其尾钩勾住甲板阻拦索中心，随着舰载机向前运动，阻拦索从甲板下方拉出。舰载机在捕获初期所受的阻尼力由甲板下方的滑轮缓冲器提供。

式中：T为阻拦索张力；θ为初始时刻与移位后某时刻阻拦索位置的夹角；m为舰载机质量；a为舰载机加速度；y为舰载机位移；L为初始时刻甲板上2个导向轮之间阻拦索长度的一半。

此时，滑轮缓冲器的放索长度ΔL为

在阻拦索的带动下，滑轮缓冲器的活塞位移x为

在滑轮缓冲器动滑轮的带动下，液压缸活塞随之运动并压缩液压缸内的液压油，液压油通过管路及液压阀流入蓄能器。液压缸活塞的受力Fp为

式中：PH为液压缸有杆腔压力；Ap为活塞的有效作用面积。

在液压阀孔口节流及管道的流阻作用下，液压油产生压降后进入蓄能器。忽略液压管路的阻力损失，管路内液压油的流量q为

式中：Cd=0.66，为小孔流动的流量系数（按照孔前通道与小孔直径之比，分为完全收缩薄壁孔流量系数和不完全收缩薄壁孔流量系数）；P0为节流阀后压力；ρ为液压油密度。

流经管路的液压油流量等于液压缸的流出油量，即

式中，vp为液压缸活塞的速度。

将式（8）代入式（5），可得

忽略管路的阻力损失，则P0近似等于蓄能器压力，即

式中：Pac0为蓄能器的初始压力；Vac0为蓄能器的初始气体体积；n=1.4，为多变指数，由于滑轮缓冲器工作时间短（小于1 s），故液压油进入蓄能器的气体压缩过程可视为绝热压缩过程。

舰载机阻拦过程中，阻拦索张力T与活塞运动之间的关系为

2 基于AMESim的滑轮缓冲器建模

为了对舰载机阻拦系统的滑轮缓冲器性能进行仿真分析［8-10］，将基于AMESim液压元件库建立液压系统仿真模型，如图4所示，其中舰载机的重量为22.7 t，着舰速度为80 m/s。舰载机被捕获后通过阻拦索带动滑轮缓冲器活塞运动，通过函数Function 1将舰载机的运动位移转化为液压缸活塞的位移，并作为液压缸的输入。根据活塞的运动位移，在图2中通过插值数据表得到变节流阀的设定节流面积。在液压缸有杆腔的出口设置压力传感器Sensor，用以检测PH。通过函数Function 2将液压缸有杆腔压力和活塞运动位移转化为舰载机承受的阻拦索缓冲力合力，并作为舰载机质量块模型的输入。

图4 AMESim滑轮缓冲器仿真模型Fig.4 Simulation model of sheave damper built by AMESim

3 仿真结果分析

3.1 固定阻尼的滑轮缓冲器

将对采用固定阻尼Mk7-3滑轮缓冲器的舰载机阻拦系统进行仿真，设置3种固定节流面积Ao的仿真工况，仿真结果如图5所示，其中vj为阻拦过程中的舰载机速度。

1）Ao=4 908 mm2（图2中的最大值）。

2）Ao=1 267.5 mm2（图2中的平均值）。

3）Ao=695 mm2（图2中的最小值）。

由图5可知，Ao越小，则a，T，PH峰值越大。对于第2种和第3种工况，a，T峰值及相应的PH值均过高，无法满足拦截指标要求；对于第1种工况，a和T的峰值基本满足拦截指标要求，PH值也相对较低。但该工况下滑轮缓冲器的吸收能量也最少，在捕获初期的缓冲作用最小。

图5 固定阻尼滑轮缓冲器的3种工况仿真结果对比Fig.5 Comparison of simulation results of three case considering sheave damper with fixed damping

3.2 基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器

图6所示为基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器仿真结果。在舰载机捕获初期，Ao较小且变化率较大，PH迅速升高，滑轮缓冲器的阻尼力增加，令阻拦索迅速张紧；随着活塞运动速度的增加，Ao逐渐增大且变化率减小，令T基本稳定。与图5中的第1种工况相比，图6中的T峰值降低25%，a峰值降低23%，滑轮缓冲器的吸收能量增加2%，PH值降低24%。

图6 基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器仿真结果Fig.6 Simulation result of sheave damper with various damping according to displacement of piston

4 结 论

针对传统舰载机阻拦系统中滑轮缓冲器缓冲能力不足的问题，本文提出一种基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器，建立了舰载机阻拦初期的动力学模型，采用AMESim软件进行仿真分析，得到以下结论：

1）与传统的滑轮缓冲器相比，基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器能够根据舰载机和滑轮缓冲器之间的动力学关系，相应地改变节流阀节流面积，有效降低阻拦索张力等拦截指标的峰值，从而明显改善舰载机阻拦系统的性能。

2）与传统的滑轮缓冲器相比，采用基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器时，阻拦索张力峰值可降低25%，舰载机最大加速度降低23%，滑轮缓冲器的吸收能量增加2%，液压缸有杆腔压力降低24%。

3）随着舰载机种类的增加及其着舰载荷的变化，固定阻尼滑轮缓冲器将难以满足阻拦需求，故基于行程可变阻尼的滑轮缓冲器将为改善舰载机阻拦系统性能提供新的发展方向。

［1］沈文厚，赵治华，任革学，等.拦阻索冲击的多体动力学仿真研究［J］.振动与冲击，2015，34（5）：73-77，94.SHEN W H，ZHAO Z H，REN G X，et al.Multi-body dynamic simulation of impact on cross deck pendant［J］.Journal of Vibration and Shock，2015，34（5）：73-77，94（in Chinese）.

［2］周建斌，金栋平，张澎森.舰载机拦阻系统动力学建模与控制［J］.动力学与控制学报，2009，7（4）：352-357.ZHOU J B，JIN D P，ZHANG P S.Dynamic modeling and control of carrier-based aircraft arresting system［J］.Journal of Dynamics and Control，2009，7（4）：352-357（in Chinese）.

［3］徐胜，徐元铭.基于机体—拦阻器建模的舰载机着舰拦阻仿真分析［J］.航空科学技术，2009（6）：12-16.XU S，XU Y M.Dynamic analysis and simulation of carrier aircraft arrested deck-landing based on aircraft body and arresting modeling［J］.Aeronautical Science and Technology，2009（6）：12-16（in Chinese）.

［4］ZHANG Z Q，YANG J L，LI Q M.An analytical model of foamed concrete aircraft arresting system［J］.International Journal of Impact Engineering，2013，61：1-12.

［5］黄胜，孟祥印，常欣.航母舰载机降落制动滑跑距离分析及预报［J］.中国舰船研究，2009，4（2）：11-14.HUANG S，MENG X Y，CHANG X.Prediction and analysis on sliding distance of carrier-borne aircraft landing［J］.Chinese Journal of Ship Research，2009，4（2）：11-14（in Chinese）.

［6］MIKHALUK D，VOINOV I，BOROVKOV A.Finite element modeling of the arresting gear and simulation of the aircraft deck landing dynamics［C］//7th European LS-DYNA Conference.Saint Petersburg，Russia：DYNAmore GmbH，2009：1-3.

［7］LIANG L H，CHEN W，XUN P P.Dynamic analysis of aircraft arresting gear based on finite element method［C］//Proceedings of 2011 International System Science，Engineering Design and Manufacturing Informatization（ICSEM）.Guiyang，China：IEEE，2011：118-121.

［8］夏极，廖义德，杨凯.基于AMESim的超高压气动吹除阀仿真与实验研究［J］.中国舰船研究，2015，10（5）：117-122.XIA J，LIAO Y D，YANG K.Simulation and experimental investigation of an extra-high pressure pneumatic blowing valve based on AMESim［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（5）：117-122（in Chinese）.

［9］赖浩凯，楼京俊，孙炯，等.基于ADAMS和AMESim软件的舰艇某装置启闭建模及优化［J］.中国舰船研究，2014，9（3）：105-108，122.LAI H K，LOU J J，SUN J，et al.Simulation and optimization of the opening and closing device on ships based on ADAMS and AMESim［J］.Chinese Journal of ShipResearch，2014，9（3）：105-108，122（inChinese）.

［10］周小军.基于AMESim液压系统泄漏仿真与故障诊断研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2012.ZHOU X J.Simulation and diagnosis research of leaky malfunction for hydraulic system based on AMESim［D］.Changsha：National University of Defense Technology，2012（in Chinese）.

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">网络出版时间：

时间：2017-9-26 10:34

国家部委基金资助项目

毕柯，男，1983年生，博士生。研究方向：舰船新型及特种辅助机械。E-mail：bikefly@aliyun.com

吴钢（通信作者），男，1958年生，博士，教授，博士生导师。研究方向：舰船新型及特种辅助机械。E-mail：gangwu206@aliyun.com

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

毕柯，李想，汤智胤，等.基于AMESim的滑轮缓冲器动力学建模与仿真［J］.中国舰船研究，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.