CN104765976A - 一种舰载直升机舰面桨毂中心动特性建模方法 - Google Patents

Abstract

一种舰载直升机舰面桨毂中心动特性建模方法，属于直升机理论建模技术，通过建立机体坐标系统，描述机体、舰的运动，确定舰的运动引起的对机体起落架系统的作用力，以及鱼叉系留着舰时鱼叉系统对机体的约束力，结合作用于机体的惯性载荷，采用达朗伯原理建立在固定坐标系的机体运动方程，即机体在舰面的动力学仿真分析模型。本发明可应用于舰载直升机舰面桨毂中心动特性分析及舰面共振建模和分析，可为舰船运动的影响研究提供技术支持。

Description

一种舰载直升机舰面桨毂中心动特性建模方法

技术领域

本发明属于直升机理论建模技术，涉及一种用于舰载直升机舰面桨毂中心动特性分析和舰面共振建模及分析的舰面桨毂中心动特性建模方法。

背景技术

舰面共振问题是直升机舰面起降技术中的关键问题，舰面桨毂中心动特性分析是舰面共振分析的基础，而分析舰面桨毂中心动特性就必然要建立舰面桨毂中心动特性仿真分析模型。

机体着舰状态桨毂中心动特性仿真分析模型中，要考虑直升机舰面自由着舰和引降着舰两种着舰状态。自由着舰时，舰船的上下沉浮、左右摇晃、前后摇晃运动会引起机体重心点处航向、侧向和垂向运动，以及滚转和俯仰运动，对机体产生惯性作用力，使直升机左右、前后起落架压缩量不同。引降着舰时鱼叉处于系留状态，并可使直升机能随舰一起摇晃与沉浮，需考虑引降装置与机和舰的运动关系，以及引降着舰提供的各种约束和动力学特性，建立直升机在舰面起降状态机体在舰面动力学模型时需要综合考虑这些因素。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提出一种舰载直升机舰面桨毂中心动特性建模方法，用于舰载直升机舰面桨毂中心动特性分析和舰面共振建模及分析，可为舰船运动的影响研究提供技术支持。

本发明的技术方案：建立机体坐标系统，描述机体、舰的运动，确定舰的运动引起的对机体起落架系统的作用力，以及鱼叉系留着舰时鱼叉系统对机体的约束力，结合作用于机体的惯性载荷，采用达朗伯原理建立在固定坐标系的机体运动方程，即机体在舰面的动力学仿真分析模型。

一种舰载直升机舰面桨毂中心动特性建模方法，包括：

(1)以机体重心处为坐标系原点建立所述描述机体在舰面上运动的坐标系，X轴为航向，向后为正；Y轴为侧向，向右为正；Z轴为垂向，向上为正；

(2)根据所述机体坐标中机体与舰的运动关系对单个起落架载荷平衡进行计算 $M_T{\stackrel{\·\·}{Z}}_T+C{\stackrel{\·}{Z}}_T+K{Z}_T=F_S+C{\stackrel{\·}{Z}}_J+K{Z}_J,$ 其中Z_J表示舰的运动，Z_T表示机轮的运动(每个机轮是独立的)，F_S是缓冲器作用于机轮的力，M_T是机轮质量，K和C是机轮的垂向刚度和阻尼，Z_J＝Z_J0sinω_Jt，Z_J0为着舰点沉浮初始幅值，ω_J为舰船沉浮频率；

(3)基于所述单个起落架载荷平衡，根据机体运动受力情况，根据达朗伯原理，建立机体在起落架上运动方程，式中，通过矩阵与组合的形式将质量、阻尼、刚度和外力进行联立，建立的运动方程，其中M为质量，C为阻尼，K为刚度，F为外力；X为位移。

优选的是，机体在重心处包括六个自由度的运动：航向位移、侧向位移、垂向位移、横滚运动、俯仰运动和偏航运动。

在上述任一方案中优选的是，所述单个起落架载荷平衡计算，单个起落架受到的机体对其的载荷F_Z与缓冲器轴向力F_S平衡，而缓冲器轴向力F_S又与机轮垂向刚度阻尼力F_T和舰面对其的作用力P达到平衡，舰的运动对起落架的影响，直接考虑舰和起落架的运动关系，由达朗伯原理，机轮受到机体和缓冲器作用力与惯性力平衡，建立前起、左右主起单个机轮垂向运动方程。

在上述任一方案中优选的是，直升机在舰面起飞和着陆状态，即采用鱼叉系留装置时，建立鱼叉装置坐标，分析鱼叉对机体垂向、滚转和俯仰运动施加的约束力F_yu＝K_yu(Z_G+φ_XY_yu-φ_YX_yu)，将所述约束力加入机体垂向、滚转和俯仰运动方程中，获得机体在舰面上运动方程，式中，K_yu为鱼叉杆轴向刚度，φ_Xφ_Y为X、Y上的位移，Z_G表示舰的Z向的重心位移，X_yu，Y_yu分别为作用点至机体重心的X和Y向距离。

本发明关键点是：

建立一种舰载直升机舰面桨毂中心动特性模型，该模型考虑了自由着舰时舰的运动对机体起落架系统的作用力，以及鱼叉系留着舰时鱼叉系统对机体的约束力，利用该模型可进行舰面桨毂中心动特性分析、舰面共振建模及分析，可为舰船运动的影响研究提供技术支持。

所述的建立描述机体在舰面上运动的坐标系。

所述的单个起落架载荷平衡计算。

所述的机体在舰面上运动分析，分析机体受力，建立机体在舰面上运动方程。

本发明的有益效果：本发明舰载直升机舰面桨毂中心动特性建模方法，利用该舰载直升机舰面桨毂中心动特性模型可进行舰面桨毂中心动特性分析、舰面共振建模及分析，该模型考虑了自由着舰时舰的运动对机体起落架系统的作用力，以及鱼叉系留着舰时鱼叉系统对机体的约束力，可为舰船运动的影响研究提供技术支持。

附图说明

图1是按照本发明所述的舰载直升机舰面桨毂中心动特性建模方法的一优选实施例的机体坐标系示意图。

图2是图1所示实施例的单个起落架垂向受力平衡图。

图3是图1所示实施例的单个机轮运动示意图。

图4是图1所示实施例的机体受力模型。

图5是图1所示实施例的鱼叉坐标。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的舰载直升机舰面桨毂中心动特性建模方法做进一步详细说明。

第一步：建立描述机体在舰面上运动的坐标系，采用三点式、立柱式起落架布局，其它构型可类似简化为这种型式，见图1。定义机体坐标系原点在机体重心处；X轴为航向，向后为正；Y轴为侧向，向右为正；Z轴为垂向，向上为正。机体在重心处有六个自由度的运动：航向、侧向和垂向的位移，及横滚、俯仰和偏航运动。(X_G，Y_G，Z_G)为全机重心位移；(φ_x，φ_y，φ_z)为全机中心绕X、Y、Z轴的转角，描述机体在舰面上的运动，定义各起落架的坐标，确定各起落架在着地点处的的位移。

第二步：单个起落架载荷平衡计算，直升机舰面甲板上起降时，舰船上下沉浮运动、左右摇晃、前后摇晃运动，舰船会对起落架产生一个垂向的作用力，作用点为起落架机轮在舰面上的着陆点。单个起落架受到的机体对其的载荷F_Z与缓冲器轴向力F_S平衡，见图2，而缓冲器轴向力F_S又与机轮垂向刚度阻尼力F_T和舰面对其的作用力P达到平衡。舰的运动对起落架的影响，直接考虑舰和起落架的运动关系，见图3，图3中Z_J表示舰的运动，Z_T表示机轮的运动(每个机轮是独立的)，F_S是缓冲器作用于机轮的力，M_T是机轮质量，K和C是机轮的垂向刚度和阻尼。对于该机轮，其运动方程为： $M_T{\stackrel{\·\·}{Z}}_T+C{\stackrel{\·}{Z}}_T+K{Z}_T=F_S+C{\stackrel{\·}{Z}}_J+K{Z}_J,$ 平衡计算时，三个着舰点处的运动Z_J是各自不同的，Z_J可表示为：Z_J＝Z_J0sinω_Jt，Z_J0为着舰点沉浮初始幅值，ω_J为舰船沉浮频率。由达朗伯原理，机轮受到机体和缓冲器作用力与惯性力平衡，建立前起、左右主起单个机轮垂向运动方程。

第三步：机体在舰面上运动分析，考虑机体的六个运动自由度，图4是机体运动模型，分析机体的运动受到的惯性力、起落架作用于机体的弹性载荷和阻尼力、舰对机体的作用力，根据达朗伯原理，建立机体在起落架上运动方程，式中，通过矩阵与组合的形式将质量、阻尼、刚度和外力进行联立，建立的运动方程，其中M为质量，C为阻尼，K为刚度，F为外力；X为位移。

对于直升机不是自由着舰的情况，即直升机在舰面起飞前和着陆状态，采用了系留装置，目前常用装置为鱼叉，其它装置可通过建模简化表示为该型式。鱼叉是由液压控制的轴向二力杆，当鱼叉钓住舰面的格栅后，液压系统立即收缩将直升机往下拉，使起落架压缩，这样不论舰如何摇晃都不会出现机轮离开甲板，出现倾倒的可能。鱼叉系留时，无论升力大小，起落架受到的载荷始终都较大，基本上设定到一个确定的工作压缩状态下，这样就确定了直升机在舰面的稳定性特性基本不变，从而有效控制了舰面共振的发生。

图5为鱼叉装置坐标，鱼叉装置与机身连接点为A,B和C点。对于鱼叉着舰状态，当鱼叉锁紧后，即伺服阀关闭后，鱼叉杆对机体运动提供了一个垂向约束(方向向下)，该约束的刚度较高，需要在模型中考虑。假设鱼叉杆轴向刚度为Kyu，它的作用点至机体重心的X和Y向距离分别为Xyu，Yyu(＝0)，由此，计算出各机轮着舰面点的距离。鱼叉作用点至机体重心的X和Y向距离用于计算机体运动时，鱼叉提供的约束力；而鱼叉作用点到机轮着舰面点的距离用于计算鱼叉施加给各机轮的静载，用于整机平衡计算。机体运动受到的鱼叉约束力为：F_yu＝K_yu(Z_G+φ_XY_yu-φ_YX_yu)，鱼叉对机体垂向、滚转和俯仰运动施加了约束力，因此，在机体垂向、滚转和俯仰运动方程中需要加入以下项：

机体垂向方程中约束力为K_yu(Z_G+φ_XY_yu-φ_YX_yu)

机体滚转方程中约束力为K_yu(Z_G+φ_XY_yu-φ_YX_yu)Y_yu

机体俯仰方程中约束力为-K_yu(Z_G+φ_XY_yu-φ_YX_yu)X_yu。

其中，K_yu为鱼叉杆轴向刚度，φ_Xφ_Y为X、Y上的位移，Z_G表示舰的Z向的重心位移，X_yu，Y_yu分别为作用点至机体重心的X和Y向距离，通过以上垂向、滚转和俯仰运动施加的约束力，即可全面了解舰面桨毂中心动特性。

需要说明的是，本发明所述的舰载直升机舰面桨毂中心动特性建模方法包括上述实施例中的任何一项及其任意组合，但上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种舰载直升机舰面桨毂中心动特性建模方法，其特征在于：

(1)以机体重心处为坐标系原点建立所述描述机体在舰面上运动的坐标系，X轴为航向，向后为正；Y轴为侧向，向右为正；Z轴为垂向，向上为正；

(2)根据所述机体坐标中机体与舰的运动关系对单个起落架载荷平衡进行计算 $M_T{\stackrel{..}{Z}}_T+C{\stackrel{.}{Z}}_T+K{Z}_T=F_S+C{\stackrel{.}{Z}}_J+K{Z}_J,$ 其中Z_J表示舰的运动，Z_T表示机轮的运动(每个机轮是独立的)，F_S是缓冲器作用于机轮的力，M_T是机轮质量，K和C是机轮的垂向刚度和阻尼，Z_J＝Z_J0sinω_Jt，Z_J0为着舰点沉浮初始幅值，ω_J为舰船沉浮频率；

(3)基于所述单个起落架载荷平衡，根据机体运动受力情况，根据达朗伯原理，建立机体在起落架上运动方程，式中，通过矩阵与组合的形式将质量、阻尼、刚度和外力进行联立，建立的运动方程，其中M为质量，C为阻尼，K为刚度，F为外力；X为位移。

2.根据权利要求1所述的舰载直升机舰面桨毂中心动特性建模方法，其特征在于：机体在重心处包括六个自由度的运动：航向位移、侧向位移、垂向位移、横滚运动、俯仰运动和偏航运动。

3.根据权利要求2所述的舰载直升机舰面桨毂中心动特性建模方法，其特征在于：所述单个起落架载荷平衡计算，单个起落架受到的机体对其的载荷F_Z与缓冲器轴向力F_S平衡，而缓冲器轴向力F_S又与机轮垂向刚度阻尼力F_T和舰面对其的作用力P达到平衡，舰的运动对起落架的影响，直接考虑舰和起落架的运动关系，由达朗伯原理，机轮受到机体和缓冲器作用力与惯性力平衡，建立前起、左右主起单个机轮垂向运动方程。

4.根据权利要求3所述的舰载直升机舰面桨毂中心动特性建模方法，其特征在于：直升机在舰面起飞和着陆状态，即采用鱼叉系留装置时，建立鱼叉装置坐标，分析鱼叉对机体垂向、滚转和俯仰运动施加的约束力F_yu＝K_yu(Z_G+φ_XY_yu-φ_YX_yu)，将所述约束力加入机体垂向、滚转和俯仰运动方程中，获得机体在舰面上运动方程，式中，K_yu为鱼叉杆轴向刚度，φ_Xφ_Y为X、Y上的位移，Z_G表示舰的Z向的重心位移，X_yu，Y_yu分别为作用点至机体重心的X和Y向距离。