Ian航行横向补给高架索张力及张力波动控制参数仿真
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[ 5] 洪嘉振. 计 算多 体动 力学 [M ]. 北 京: 高等 教育 出 版社, 1999: 49~ 52
[ 6] 李军, 邢俊 文, 覃文 洁等. A DAM S实 例 教程 [ M ]. 北京: 北京理工大学出版社, 2002: 12~ 18
[ 7] 郑建荣. ADAM S- 虚拟样机技术入门 与提高 [ M ]. 北京: 机械工业出版社, 2001: 10~ 200
参考文献
[ 1] 陶尧森. 船 舶耐 波性 [ M ]. 上 海交 通大 学出 版社, 1985, 7
[ 2] D r. A ndrew S. E lliott. Effic ient M ode ling of Ex tens-i b le Cab les and Pu lley System s in ADAM S[ J]. ADAM S U sers C on feren ce
[ 8] 毛保全, 陈 云生, 敖 勇. 多刚 体动 力学 参数 优化 设 计 [ J]. 弹道学报, 1997, 9( 4): 29~ 33
( 上接第 71页 ) 对陀螺漂移进行卡尔曼滤波, 结果如上图, 很
好的消除了随机漂移对系统的影响。
5 结论
光纤陀螺的随机漂移通常由线路噪声和不确 定的环境因素引起。通过对光纤陀螺的漂移信号 进行分析和建模, 研究了一种减小光纤陀螺噪声的 有效建模方 法。由对光纤 陀螺的建模结 果可知, AR ( 4) 模型具有很好的效果。而 Ka lm an滤波器可 以有效地抑制光纤陀螺零漂数据 AR 模型中的随
[ 4] 王立冬, 张春熹. 光纤陀螺在惯 导系统 中的建 模及 其应用 [ J]. 中国惯性技术 学报, 2002, 4
6
Sh ip Electron iNo. 5)
ject appea rs in one mi age. A pa ralle l a lgo rithm is p roposed in th is paper to au toma tic extract bu ild ings from rem ote sensing mi age. K ey word s rem o te sense mi age, ob ject de tection
美海军在开展重型航行补给系统研究的同时, 为 进一 步提 高 未来 航 行横 向 补给 装 置水 平, 在 2001年, 美海军水面作 战中心专门下达了航行横
向补给关键技术研究招标书, 对补给过程中的船舶 水运力学、张力索受力控制模型、高海况下重载高 速货物自动传送控制、成套补给装备及补给装备陆 地试验等关键技术进行研究。
摘 要 采用多体动力学 分析软件, 建立航行横向补给高架索系统计算机仿真 模型, 对高架 索张力和 由于高架索 张力 波动引起的货物振动进行分析 , 提出高架索最优张力和张力控制参数, 并分析重锤式一级张力补 偿装置和 液压绞车式 高架 索张力补偿装置的性 能。
关键词 横向补 给; 高架索; 张力控制; 仿真 中图分类号 TP391. 9
在航行横向补给时, 由于船舶运动, 会引进高 架索张力变化, 如果高架索张力过小, 其上传输的 货物会碰到海面, 如果高架索张力过大, 高架索就 会被拉断。因此, 必须对高架索进行张力补偿, 维 持高架索张力在一定的范围内。
目前, 各国采 用的张力补偿 方法主要 有重锤 式、液压绞车和张力作用筒等几种补偿方法, 其工 作原理都是通过主动或被动补偿技术来维持高架 索张力。由于各装置具体的补偿方法比较复杂, 我 们对其进行简化处理, 认为补偿装置的主动或被动 反应速度很快, 其张力补偿控制模型如下:
节点处, 如图 2所示。
时的高架索张力进行了计算机模拟, 货物距离海面 高度和高架索张力与货物质量比间的变化关系如 图 3所示。
图 2 高架索离散模型
高架索在操作过 程中, 会根 据需求进 行收放 索, 从而会改变钢丝绳的长度, 则节点 i和 j间钢丝 绳长度变化后的张力计算公式为:
f = - EA / ( L0 + d l)* [DM ( i, j) - (L 0 + dl ) ] 式中: EA - 钢丝绳弹性模量; L0 - 钢丝绳节点 i和 j间的初始长度; d l- 由于钢丝绳收放引起的节点 i 和 j间的钢丝绳长度变化量; DM ( ,i j) - 钢丝绳节 点 i和 j间受力后的长度。 2. 2 船舶运动模型
3 航行横向补给高架索的最优张力
为确定高架索的最优张力, 对补给横距为 50m
图 3 货物离海面高度和高 架索张力与 货物质量比间的变化关系
从模拟结果可见, 高架索张力与货物质量比 越大, 高架索越绷紧, 其上承载的货物离海面越高, 反之, 高架索越松驰, 其上承载的货物离海面越低, 从货物离海面高度和高架索张力与货物质量比的 变化曲线上看, 高架索张力与货物质量比为 4- 5 时为最优。
2007年第 5期
舰船电子工 程
1 17
内。依次增大重锺质量, 进行模拟分析, 可以确定 重锤最大质量和最大货物传输量。
传输设备重量的 4- 5倍; ( 2)航行横向补给高架索张力波动应控制在
设定值的 20% 以内。
6 下一步工作
图 5 重锺式补偿高架索张力波动范围
4. 2 液压绞车式补偿高架索张力分析 首先假设高架索最大张力值和最小张力值, 然
本文拟就高架索受力进行研究, 建立航行横向 补给高架索系统计算机模型, 对高架索张力和由于 高架索张力波动引起的货物振动进行分析, 从而提 出高架索最优张力和张力控制参数。
2 航行横向补给高架索系统计算机 模拟模型
航行横向补给高架索系统计算机模型见图 1
所示, 模型采用多体动力学分析软件 ( ADAM S) 建
4 高架索最优张力波动控制参数
在高架索系统实际工作时, 由于张力补偿控制 系统的滞后效应, 高架索张力不可能保持恒定, 会 围绕设定值上下波动, 高架索张力的波动会引起悬 挂在高架索上货物振动, 过大的振动会使货物掉入 海里, 或使传送货物的加速度过大, 损坏货物。因 此, 高架索张力波动必须控制在一定的范围内, 通 过模拟, 可以得到高架索张力波动与货物振动幅度 的关系见图 4所示。
立, 分为三个部分, 一是高架索模型, 二是船舶运动 模型, 三是高架索张力补偿控制模型。
2. 1 高架索模型
高架索材料为钢丝
绳, 由于钢丝 绳为高度
柔性体, 具有 不可压缩
性, 是一个典 型的几何
图 1 航行横向补给高架 非线性 问题, 从理论上
索系统计算机模型
讲可用几何非线性有限
元法求解, 但在实际工作中, 经常会遇到求解的收
后输入模型进行分析。图 6为在 5级海况下, 假设 最大张力为 115000n, 最小张力值为 85000n 时高 架索张力随时间波动变化的模拟结果, 从模拟结果 可以 看 出, 张 力 最 大 为 115290n, 张 力 最 小 为 84922n, 平均为 99918n, 张力 波动范围为 15. 4% , 在最佳范围内。
[ 3] 任鸿, 严梅 剑, 马网 扣. 某型 综合 补给 船补 给门 架 的设计 [ J]. 船舶, 2006, ( 2): 45~ 53
[ 4] 王 国 强, 张 进 平, 马 若 丁. 虚 拟 样 机 技 术 及 其 在 A DAM S上的实践 [M ] . 西安: 西北工业大学出 版社, 2002: 1 ~ 28
1 前言
舰船海上航行横向补给, 是补给船和接收舰以 同向同速并列航行, 通过跨接于两舰船间的索具所 进行的补给, 是海上补给的主要补给方式。航行横 向补给装置从发明到现在已经历了 100多年的发 展历史, 经过各国多次改进。
目前, 各国海军补给舰上装备了形式各异的航 行横向补给装置, 但其工作原理基本相同, 都采用 索具系统来实现航行横向干液货补给, 只不过是索 具系统张力的控制方法有所区别。
( Page: 112)
U nd erw ay R ep len ishm en t R igs T en sion and T en sion F luc-
tuating Controls Parame ter S imu lation by Zhao X iaobing
Abstrac t T his paper uses the dynam ics analysis so ft-
图 4 高架索张力 波动与货物振幅关系
从模拟结果可见, 张力波动范围越大, 货物振 荡幅度越大, 从变化趋势来分析, 张力波动范围控 制在 20% 内为最佳。 4. 1 重锺式补偿高架索张力分析
假设重锺质量为 5000Kg, 模拟在 5级海况下 高架索张力随时间波动, 结果如图 5 所示, 高架索 张 力 最 大 为 27417n, 最 小 为 22168n, 平 均 为 24792n, 其张 力波动 范围为 10. 6% , 在最 佳范围
纵观世界各国的航行横向补给系统其张力补 偿主要有重锤式、液压绞车和张力作用筒等几种补 偿方法, 其工作原理都是通过主动或被动补偿技术 来维持高架索张力。
虽然国外航行横向补给装置已基本成熟, 但各 国海军对航行横向补给技术的研究却从未停止过, 要提高现有航行横向补给装置性能或研制性能更 好的横向补给装置, 必须深入了解航行横向补给的 规律, 随着计算机模拟技术的发展, 采用计算机模 拟仿真技术对横向补给关键技术进行研究分析得 到广泛应用, 这方面, 美海军的研究最令人关注。
图 6 高架索张力波动
5 结论
通过计算机模拟, 可以得出如下结论: ( 1) 航行横向补给高架索张力的最优值为所
本文建立的重锤式补偿系统计算机模型没有 考虑二级补偿模型, 液压绞车补偿张力控制模型没 有考虑液压控制系统性能。因此, 下一步工作需要 对以上两个模型进行细化和完善, 进一步提高仿真 的精确性。
敛性和计算时间过长等问题, 另外由于涉及到高架
索的控制模型很难用有限元来表达, 因此, 本文采
* 收稿日期: 2007年 3月 12日, 修回日期: 2007年 7月 18日
11 6
赵小兵等 : Ian航行横向补给高架索张力及张力波动控制参数仿真
总第 161期
用多体动力学来建立高架索的求解模型。 将钢丝绳离散成 n小段, 每小段的质量集中到
船舶在波浪中的运动可用 6个自由度来表示, 3个平移位移 ( 纵荡、横荡、垂荡 ) 和 3个转动角 (纵 摇、横摇、艏摇 ) , 船舶运动中心 O0在波浪中的运 动可表示为:
R = RA Ok a sin( 2TPt + < ) 式中: RAO k 为船舶在 k个自由度上的幅值影响因 子 ( k= 1, 6) , a 为波高; T 为波周期; Æ为相位角。 在 5级海况下, 波浪高度为 4m, 周期为 12s。 2. 3 高架索张力补偿控制模型
当高架索张力 f大于规定的张力上限 fm ax时, 系统放索, 维持高架索张力在张力上限; 当高架索 张力小于规定的张力下限 fm in时, 系统收索, 维持高 架索张力在张力下限; 当高架索张力在规定的张力 上限和下限之间时, 系统不放索也不收索。即:
f > fmax 时, f = fm ax f < fm in 时, f = fm in
机噪声。
参考文献
[ 1] H erve C. L efevre. 光纤陀螺仪 [M ] . 北 京: 国防 出版 社
[ 2] 柳贵福, 张树侠. 光纤陀螺零漂 数据滤 波方法 的研 究 [ J]. 中国惯性技术学报 , 2001, ( 9)
[ 3] 施浩. 基方位捷联平台误差测试、分析和建模 [ D ]. 南京: 东南大学, 2001, 4
总第 161期 2007年第 5期
舰船电子工程 Ship E lectronic Eng inee ring
V o .l 27 N o. 5 1 15
Ian航行横向补给高架索张力及 张力波动控制参数仿真*
赵小兵1 ), 2) 赵 伟2 ) 马良荔 1) 汪厚祥1 )
(海军工程大学计算机工程系 1) 武汉 430033) (海军后勤技术装备研究所 2) 北京 100072)
[ 6] 李军, 邢俊 文, 覃文 洁等. A DAM S实 例 教程 [ M ]. 北京: 北京理工大学出版社, 2002: 12~ 18
[ 7] 郑建荣. ADAM S- 虚拟样机技术入门 与提高 [ M ]. 北京: 机械工业出版社, 2001: 10~ 200
参考文献
[ 1] 陶尧森. 船 舶耐 波性 [ M ]. 上 海交 通大 学出 版社, 1985, 7
[ 2] D r. A ndrew S. E lliott. Effic ient M ode ling of Ex tens-i b le Cab les and Pu lley System s in ADAM S[ J]. ADAM S U sers C on feren ce
[ 8] 毛保全, 陈 云生, 敖 勇. 多刚 体动 力学 参数 优化 设 计 [ J]. 弹道学报, 1997, 9( 4): 29~ 33
( 上接第 71页 ) 对陀螺漂移进行卡尔曼滤波, 结果如上图, 很
好的消除了随机漂移对系统的影响。
5 结论
光纤陀螺的随机漂移通常由线路噪声和不确 定的环境因素引起。通过对光纤陀螺的漂移信号 进行分析和建模, 研究了一种减小光纤陀螺噪声的 有效建模方 法。由对光纤 陀螺的建模结 果可知, AR ( 4) 模型具有很好的效果。而 Ka lm an滤波器可 以有效地抑制光纤陀螺零漂数据 AR 模型中的随
[ 4] 王立冬, 张春熹. 光纤陀螺在惯 导系统 中的建 模及 其应用 [ J]. 中国惯性技术 学报, 2002, 4
6
Sh ip Electron iNo. 5)
ject appea rs in one mi age. A pa ralle l a lgo rithm is p roposed in th is paper to au toma tic extract bu ild ings from rem ote sensing mi age. K ey word s rem o te sense mi age, ob ject de tection
美海军在开展重型航行补给系统研究的同时, 为 进一 步提 高 未来 航 行横 向 补给 装 置水 平, 在 2001年, 美海军水面作 战中心专门下达了航行横
向补给关键技术研究招标书, 对补给过程中的船舶 水运力学、张力索受力控制模型、高海况下重载高 速货物自动传送控制、成套补给装备及补给装备陆 地试验等关键技术进行研究。
摘 要 采用多体动力学 分析软件, 建立航行横向补给高架索系统计算机仿真 模型, 对高架 索张力和 由于高架索 张力 波动引起的货物振动进行分析 , 提出高架索最优张力和张力控制参数, 并分析重锤式一级张力补 偿装置和 液压绞车式 高架 索张力补偿装置的性 能。
关键词 横向补 给; 高架索; 张力控制; 仿真 中图分类号 TP391. 9
在航行横向补给时, 由于船舶运动, 会引进高 架索张力变化, 如果高架索张力过小, 其上传输的 货物会碰到海面, 如果高架索张力过大, 高架索就 会被拉断。因此, 必须对高架索进行张力补偿, 维 持高架索张力在一定的范围内。
目前, 各国采 用的张力补偿 方法主要 有重锤 式、液压绞车和张力作用筒等几种补偿方法, 其工 作原理都是通过主动或被动补偿技术来维持高架 索张力。由于各装置具体的补偿方法比较复杂, 我 们对其进行简化处理, 认为补偿装置的主动或被动 反应速度很快, 其张力补偿控制模型如下:
节点处, 如图 2所示。
时的高架索张力进行了计算机模拟, 货物距离海面 高度和高架索张力与货物质量比间的变化关系如 图 3所示。
图 2 高架索离散模型
高架索在操作过 程中, 会根 据需求进 行收放 索, 从而会改变钢丝绳的长度, 则节点 i和 j间钢丝 绳长度变化后的张力计算公式为:
f = - EA / ( L0 + d l)* [DM ( i, j) - (L 0 + dl ) ] 式中: EA - 钢丝绳弹性模量; L0 - 钢丝绳节点 i和 j间的初始长度; d l- 由于钢丝绳收放引起的节点 i 和 j间的钢丝绳长度变化量; DM ( ,i j) - 钢丝绳节 点 i和 j间受力后的长度。 2. 2 船舶运动模型
3 航行横向补给高架索的最优张力
为确定高架索的最优张力, 对补给横距为 50m
图 3 货物离海面高度和高 架索张力与 货物质量比间的变化关系
从模拟结果可见, 高架索张力与货物质量比 越大, 高架索越绷紧, 其上承载的货物离海面越高, 反之, 高架索越松驰, 其上承载的货物离海面越低, 从货物离海面高度和高架索张力与货物质量比的 变化曲线上看, 高架索张力与货物质量比为 4- 5 时为最优。
2007年第 5期
舰船电子工 程
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内。依次增大重锺质量, 进行模拟分析, 可以确定 重锤最大质量和最大货物传输量。
传输设备重量的 4- 5倍; ( 2)航行横向补给高架索张力波动应控制在
设定值的 20% 以内。
6 下一步工作
图 5 重锺式补偿高架索张力波动范围
4. 2 液压绞车式补偿高架索张力分析 首先假设高架索最大张力值和最小张力值, 然
本文拟就高架索受力进行研究, 建立航行横向 补给高架索系统计算机模型, 对高架索张力和由于 高架索张力波动引起的货物振动进行分析, 从而提 出高架索最优张力和张力控制参数。
2 航行横向补给高架索系统计算机 模拟模型
航行横向补给高架索系统计算机模型见图 1
所示, 模型采用多体动力学分析软件 ( ADAM S) 建
4 高架索最优张力波动控制参数
在高架索系统实际工作时, 由于张力补偿控制 系统的滞后效应, 高架索张力不可能保持恒定, 会 围绕设定值上下波动, 高架索张力的波动会引起悬 挂在高架索上货物振动, 过大的振动会使货物掉入 海里, 或使传送货物的加速度过大, 损坏货物。因 此, 高架索张力波动必须控制在一定的范围内, 通 过模拟, 可以得到高架索张力波动与货物振动幅度 的关系见图 4所示。
立, 分为三个部分, 一是高架索模型, 二是船舶运动 模型, 三是高架索张力补偿控制模型。
2. 1 高架索模型
高架索材料为钢丝
绳, 由于钢丝 绳为高度
柔性体, 具有 不可压缩
性, 是一个典 型的几何
图 1 航行横向补给高架 非线性 问题, 从理论上
索系统计算机模型
讲可用几何非线性有限
元法求解, 但在实际工作中, 经常会遇到求解的收
后输入模型进行分析。图 6为在 5级海况下, 假设 最大张力为 115000n, 最小张力值为 85000n 时高 架索张力随时间波动变化的模拟结果, 从模拟结果 可以 看 出, 张 力 最 大 为 115290n, 张 力 最 小 为 84922n, 平均为 99918n, 张力 波动范围为 15. 4% , 在最佳范围内。
[ 3] 任鸿, 严梅 剑, 马网 扣. 某型 综合 补给 船补 给门 架 的设计 [ J]. 船舶, 2006, ( 2): 45~ 53
[ 4] 王 国 强, 张 进 平, 马 若 丁. 虚 拟 样 机 技 术 及 其 在 A DAM S上的实践 [M ] . 西安: 西北工业大学出 版社, 2002: 1 ~ 28
1 前言
舰船海上航行横向补给, 是补给船和接收舰以 同向同速并列航行, 通过跨接于两舰船间的索具所 进行的补给, 是海上补给的主要补给方式。航行横 向补给装置从发明到现在已经历了 100多年的发 展历史, 经过各国多次改进。
目前, 各国海军补给舰上装备了形式各异的航 行横向补给装置, 但其工作原理基本相同, 都采用 索具系统来实现航行横向干液货补给, 只不过是索 具系统张力的控制方法有所区别。
( Page: 112)
U nd erw ay R ep len ishm en t R igs T en sion and T en sion F luc-
tuating Controls Parame ter S imu lation by Zhao X iaobing
Abstrac t T his paper uses the dynam ics analysis so ft-
图 4 高架索张力 波动与货物振幅关系
从模拟结果可见, 张力波动范围越大, 货物振 荡幅度越大, 从变化趋势来分析, 张力波动范围控 制在 20% 内为最佳。 4. 1 重锺式补偿高架索张力分析
假设重锺质量为 5000Kg, 模拟在 5级海况下 高架索张力随时间波动, 结果如图 5 所示, 高架索 张 力 最 大 为 27417n, 最 小 为 22168n, 平 均 为 24792n, 其张 力波动 范围为 10. 6% , 在最 佳范围
纵观世界各国的航行横向补给系统其张力补 偿主要有重锤式、液压绞车和张力作用筒等几种补 偿方法, 其工作原理都是通过主动或被动补偿技术 来维持高架索张力。
虽然国外航行横向补给装置已基本成熟, 但各 国海军对航行横向补给技术的研究却从未停止过, 要提高现有航行横向补给装置性能或研制性能更 好的横向补给装置, 必须深入了解航行横向补给的 规律, 随着计算机模拟技术的发展, 采用计算机模 拟仿真技术对横向补给关键技术进行研究分析得 到广泛应用, 这方面, 美海军的研究最令人关注。
图 6 高架索张力波动
5 结论
通过计算机模拟, 可以得出如下结论: ( 1) 航行横向补给高架索张力的最优值为所
本文建立的重锤式补偿系统计算机模型没有 考虑二级补偿模型, 液压绞车补偿张力控制模型没 有考虑液压控制系统性能。因此, 下一步工作需要 对以上两个模型进行细化和完善, 进一步提高仿真 的精确性。
敛性和计算时间过长等问题, 另外由于涉及到高架
索的控制模型很难用有限元来表达, 因此, 本文采
* 收稿日期: 2007年 3月 12日, 修回日期: 2007年 7月 18日
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赵小兵等 : Ian航行横向补给高架索张力及张力波动控制参数仿真
总第 161期
用多体动力学来建立高架索的求解模型。 将钢丝绳离散成 n小段, 每小段的质量集中到
船舶在波浪中的运动可用 6个自由度来表示, 3个平移位移 ( 纵荡、横荡、垂荡 ) 和 3个转动角 (纵 摇、横摇、艏摇 ) , 船舶运动中心 O0在波浪中的运 动可表示为:
R = RA Ok a sin( 2TPt + < ) 式中: RAO k 为船舶在 k个自由度上的幅值影响因 子 ( k= 1, 6) , a 为波高; T 为波周期; Æ为相位角。 在 5级海况下, 波浪高度为 4m, 周期为 12s。 2. 3 高架索张力补偿控制模型
当高架索张力 f大于规定的张力上限 fm ax时, 系统放索, 维持高架索张力在张力上限; 当高架索 张力小于规定的张力下限 fm in时, 系统收索, 维持高 架索张力在张力下限; 当高架索张力在规定的张力 上限和下限之间时, 系统不放索也不收索。即:
f > fmax 时, f = fm ax f < fm in 时, f = fm in
机噪声。
参考文献
[ 1] H erve C. L efevre. 光纤陀螺仪 [M ] . 北 京: 国防 出版 社
[ 2] 柳贵福, 张树侠. 光纤陀螺零漂 数据滤 波方法 的研 究 [ J]. 中国惯性技术学报 , 2001, ( 9)
[ 3] 施浩. 基方位捷联平台误差测试、分析和建模 [ D ]. 南京: 东南大学, 2001, 4
总第 161期 2007年第 5期
舰船电子工程 Ship E lectronic Eng inee ring
V o .l 27 N o. 5 1 15
Ian航行横向补给高架索张力及 张力波动控制参数仿真*
赵小兵1 ), 2) 赵 伟2 ) 马良荔 1) 汪厚祥1 )
(海军工程大学计算机工程系 1) 武汉 430033) (海军后勤技术装备研究所 2) 北京 100072)