一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法

摘要

本发明涉及一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，基于给定气动力矩，根据全船升沉和横摇运动自由度上力和力矩平衡获得左、右气室气垫压力，求解左、右气室的流量、艇的横倾角和重心高度；计算围裙变形，进而获得由于围裙变形导致气垫面积增大引起的恢复力矩；同时艇体的横倾和重心高度变化导致产生了重力的倾斜力矩；重复上述步骤获得无因次外力矩与横倾角的曲线可作为衡量气垫船陆上静横稳性的标准。本发明通过提出一种三维气垫船稳性的数值计算方法，能够在设计围裙、风机及气垫参数的过程中提供指导，对于提升气垫船总体性能具有很大的工程实用价值。

权利要求

1.一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获得气垫船在初始平衡状态下的气垫特性参数，其中，气垫船处于初始平衡状态时，气垫船的横倾角为0°；

步骤2、建立气垫船有限元模型，并分别施加步骤1获得的气垫特性参数后获得设计状态下的围裙几何成型，提取围裙特征参数；

步骤3、在给定的气垫分割力矩Mc下，根据升沉自由度上和横摇自由度上力、力矩平衡计算左气室垫压PcL和右气室垫压PcR，升沉自由度以重心高度变化表征，横摇以横倾角表征；

根据风机特性曲线和风机‑风道‑大囊‑气垫流量连续性方程求解得到左气室囊压PbL和右气室囊压PbR以及气垫船的横倾角α和重心高度hg；

步骤4、将步骤3获得的左气室垫压PcL、右气室垫压PcR、左气室囊压PbL、右气室囊压PbR、气垫船的横倾角α、气垫船的重心高度hg作为边界条件和载荷施加至步骤2建立的气垫船有限元模型后，提取围裙特征参数；

步骤5、基于步骤4获得的围裙特征参数及步骤2获得的围裙特征参数，计算围裙变形，进而获得由于围裙变形导致气垫面积增大引起的恢复力矩Ms；同时获得气垫船由于横倾和重心高度变化所产生的重力倾斜力矩Mg；

步骤6、给定不同的气垫分割力矩Mc，重复步骤3至步骤5，即可获得无因次外力矩M/(GB)与横倾角α的曲线，基于该曲线获得无因次稳性高可作为衡量气垫船静态垫升稳性的标准。

2.如权利要求1所述的一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，其特征在于，步骤1中，根据气垫船气垫几何参数和风机特性参数，基于风机特性曲线方程、风机‑流道‑大囊‑气垫流量连续性方程得到所述气垫船在初始平衡状态下的所述气垫特性参数。

3.如权利要求1所述的一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，其特征在于，步骤1中，所述气垫特性参数包括左气室垫压PcL0和左气室囊压PbL0、右气室垫压PcR0和右气室囊压PbR0、平衡泄流高度he0。

4.如权利要求3所述的一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，其特征在于，步骤2中，建立气垫船有限元模型时，选取气垫船纵向分隔裙对应的侧部围裙典型分段，根据围裙型线通过CATIA建立气垫船围裙典型分段几何模型，基于Abaqus建立所述气垫船有限元模型。

5.如权利要求4所述的一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，其特征在于，步骤1中，以Matlab编程为平台，通过调用气垫动力学模块获得所述气垫特性参数，并将其传递给围裙动力学模块；

步骤2中，围裙动力学模块通过调用CATIA二次开发模块进行围裙几何结构参数化建模，将几何模型导入Abaqus中基于Python二次开发实现参数化有限元模型建模，获得所述气垫船有限元模型，并施加所述气垫特性参数，生成计算文件；

步骤3中，调用Abaqus结构求解器进行求解，通过采用Python的二次开发实现对结果文件的数据分析，并通过调用艇姿态模块获得气垫船的所述横倾角α和所述重心高度hg。

6.如权利要求5所述的一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，其特征在于，步骤3中，通过Abaqus基于Python的二次开发进行非线性有限计算，采用显示动力学进行求解。

7.如权利要求1所述的一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，其特征在于，步骤2中，采用动态显示求解法获得所述设计状态下的围裙几何成型，提取所述围裙特征参数，所述围裙特征参数包括左舷围裙裙高hsL0和左舷围裙宽度xsL0、右舷围裙裙高hsR0和右舷围裙宽度xsR0。

8.如权利要求1所述的一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，其特征在于，步骤4中，所述围裙特征参数包括左舷围裙裙高hsL和左舷围裙宽度xsL、右舷围裙裙高hsR和右舷围裙宽度xsR；步骤5中，通过Abaqus计算所述围裙变形。

9.如权利要求1所述的一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，其特征在于，所述气垫船陆上静横稳性计算方法基于气垫动力学、围裙动力学、艇的姿态及三者需要互相交换信息的围裙‑气垫‑艇姿态交互信息平台实现。

10.如权利要求1所述的一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，其特征在于，所述气垫船有限元模型中，围裙采用薄膜单元，地面采用3D分析刚体平面表征，气垫船船体则采用刚性体表征；围裙与地面、围裙与围裙、围裙与船体之间的接触采用通用接触设置，围裙与地面的接触为有摩擦接触，摩擦系数取0.03。

说明书

一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，尤其是基于气垫动力学、围裙动力学和艇运动的三维围裙稳性计算方法。

背景技术

[0002] 气垫船是具有航速高、水陆两栖性、水下物理场小等优点，广泛用于抢滩登陆、救援、边境巡逻、扫雷、物资人员运输等领域。围裙是确保气垫船具有两栖特性的关重设备，与
气垫船的垫升性、稳性、适航性和安全性密切相关。

[0003] 稳性是与气垫船航行安全性密切相关的重要特性，主要由气垫分割恢复力矩、围裙变形恢复力矩等提供。稳性作为气垫船总体性能的重要特性，关系到气垫船在使用中的
安全性，与常规船的稳性由浮力提供不同，气垫船的稳性主要通过气垫恢复力矩和围裙变
形产生的恢复力矩等提供，因此稳性与气垫船的气垫参数和围裙成变形性能密切相关。气
垫船稳性应满足一定范围要求，稳性太小将会影响气垫船垫态航行的安全性，太大则导致
气垫船响应性能变差，导致适航性较差。因此，稳性的计算对于确保气垫船总体性能至关重
要。气垫船一般以一定艉倾角航行，因此纵向稳性一般易于满足要求，而横向宽度较短，且
在航行中易于发生侧漂，因此横稳性是气垫船围裙设计中密切关注点。

[0004] 气垫船静横稳性主要分为陆上和水上静横稳性，由于存在气体‑水‑柔性围裙的三相耦合作用，水上静横稳性的计算仿真难度较大。通过试验对比分析，一般情况下水上静横
稳性约为陆上静横稳性的0.7，因此，通过计算陆上静横稳性，可掌握气垫船的静横稳性特
性。

[0005] 目前，在公开文献中对稳性估算时，将气垫近似为矩形，基于二维围裙典型剖面计算围裙变形，进而计算气垫船在不同姿态下的倾斜力矩，得到气垫船的无因次稳性高。但实
际上气垫船围裙为三维复杂曲面结构，通过二维围裙典型剖面计算围裙变形存在误差，且
难以对围裙的变形及触地特征进行形象对比分析，因此，在工程设计中，最终需通过气垫船
船模试验对气垫船的稳性进行验证，费时费力，经济性差。因此，在工程上迫切需要提出一
种基于气垫船三维围裙稳性计算方法，从而能够根据总体性能需求，有效地指导围裙设计。

发明内容

[0006] 本发明的目的是：提供一种气垫船陆上静横稳性计算方法，能够对气垫船的静态垫升稳性进行定量分析，从而指导围裙及气垫系统设计。

[0007] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0008] 步骤1、获得气垫船在初始平衡状态下的气垫特性参数，其中，气垫船处于初始平衡状态时，气垫船的横倾角为0°；

[0009] 步骤2、建立气垫船有限元模型，并分别施加步骤1获得的气垫特性参数后获得设计状态下的围裙几何成型，提取围裙特征参数；

[0010] 步骤3、在给定的气垫分割力矩Mc下，根据升沉自由度上和横摇自由度上力、力矩平衡计算左气室垫压PcL和右气室垫压PcR，升沉自由度以重心高度变化表征，横摇以横倾角
表征；根据风机特性曲线和风机‑风道‑大囊‑气垫流量连续性方程求解得到左气室囊压PbL
和右气室囊压PbR以及气垫船的横倾角α和重心高度hg；

[0011] 步骤4、将步骤3获得的左气室垫压PcL、右气室垫压PcR、左气室囊压PbL、右气室囊压PbR、气垫船的横倾角α、气垫船的重心高度hg作为边界条件和载荷施加至步骤2建立的气垫
船有限元模型后，提取围裙特征参数；

[0012] 步骤5、基于步骤4获得的围裙特征参数及步骤2获得的围裙特征参数，计算围裙变形，进而获得由于围裙变形导致气垫面积增大引起的恢复力矩Ms；同时获得气垫船由于横
倾和重心高度变化所产生的重力倾斜力矩Mg；

[0013] 步骤6、给定不同的气垫分割力矩Mc，重复步骤3至步骤5，即可获得无因次外力矩M/(GB)与横倾角α的曲线，基于该曲线获得无因次稳性高可作为衡量气垫船静态垫升稳性
的标准。

[0014] 优选地，步骤1中，根据气垫船气垫几何参数和风机特性参数，基于风机特性曲线方程、风机‑流道‑大囊‑气垫流量连续性方程得到所述气垫船在初始平衡状态下的所述气
垫特性参数。

[0015] 优选地，步骤1中，所述气垫特性参数包括左气室垫压PcL0和左气室囊压PbL0、右气室垫压PcR0和右气室囊压PbR0、平衡泄流高度he0。

[0016] 优选地，步骤2中，建立气垫船有限元模型时，选取气垫船纵向分隔裙对应的侧部围裙典型分段，根据围裙型线通过CATIA建立气垫船围裙典型分段几何模型，基于Abaqus建
立所述气垫船有限元模型。

[0017] 优选地，步骤1中，以Matlab编程为平台，通过调用气垫动力学模块获得所述气垫特性参数，并将其传递给围裙动力学模块；

[0018] 步骤2中，围裙动力学模块通过调用CATIA二次开发模块进行围裙几何结构参数化建模，将几何模型导入Abaqus中基于Python二次开发实现参数化有限元模型建模，获得所
述气垫船有限元模型，并施加所述气垫特性参数，生成计算文件；

[0019] 步骤3中，调用Abaqus结构求解器进行求解，通过采用Python的二次开发实现对结果文件的数据分析，并通过调用艇姿态模块获得气垫船的所述横倾角α和所述重心高度hg。

[0020] 优选地，步骤3中，通过Abaqus基于Python的二次开发进行非线性有限计算，采用显示动力学进行求解。

[0021] 优选地，步骤2中，采用动态显示求解法获得所述设计状态下的围裙几何成型，提取所述围裙特征参数，所述围裙特征参数包括左舷围裙裙高hsL0和左舷围裙宽度xsL0、右舷
围裙裙高hsR0和右舷围裙宽度xsR0。

[0022] 优选地，步骤4中，所述围裙特征参数包括左舷围裙裙高hsL和左舷围裙宽度xsL、右舷围裙裙高hsR和右舷围裙宽度xsR；步骤5中，通过Abaqus计算所述围裙变形。

[0023] 优选地，所述气垫船陆上静横稳性计算方法基于气垫动力学、围裙动力学、艇的姿态及三者需要互相交换信息的围裙‑气垫‑艇姿态交互信息平台实现。

[0024] 优选地，所述气垫船有限元模型中，围裙采用薄膜单元，为提高计算效率，地面采用3D分析刚体平面表征，气垫船船体则采用刚性体表征；围裙与地面、围裙与围裙、围裙与
船体之间的接触采用通用接触设置，围裙与地面的接触为有摩擦接触，摩擦系数取0.03。

[0025] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：气垫船稳性是关系气垫船航行安全的重要特性，在气垫船围裙气垫系统设计过程中，稳性计算可以指导围裙、气垫参数和风
机设计，以提升气垫船总体性能。因此需通过气垫系统和围裙系统设计以保证气垫船稳性
符合标准要求，但同时稳性过高也会导致气垫船适航性变差，因此需要对气垫船稳性进行
综合考虑。本发明提出的气垫船三维围裙稳性计算方法基于气垫动力学、围裙动力学、艇姿
态及三者之间的耦合作用平台，能够对气垫船的稳性进行定量分析，且考虑了三维围裙真
实构型，对于指导气垫船围裙气垫系统设计具有指导作用。

附图说明

[0026] 图1是气垫船陆上静横稳性数值计算流程图；

[0027] 图2是气垫船稳性计算程序实现框架图；

[0028] 图3是气垫船全船三维围裙模型图；

[0029] 图4是气垫船侧部围裙典型分段(对应纵隔裙，5个手指长度)，图中，1‑围裙，2‑船体，3‑地面；

[0030] 图5是气垫船三维围裙典型分段有限元模型图，图中，1‑围裙，2‑船体，3‑地面；

[0031] 图6是气垫船三维围裙有限元变形计算图；

[0032] 图7是气垫船陆上静横稳性曲线(M/(GB)‑α)。

具体实施方式

[0033] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人
员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定
的范围。

[0034] 结合图1，本发明提供的一种基于三维围裙变形的气垫船陆上静横稳性计算方法包括如下步骤：

[0035] 步骤1、根据气垫船气垫几何参数和风机特性参数，基于风机特性曲线方程、风机‑流道‑大囊‑气垫流量连续性方程得到气垫船在初始平衡状态下(横倾角为0°)的气垫特性
参数，如左气室垫压PcL0和囊压PbL0、右气室垫压PcR0和囊压PbR0及泄流高度he0等。

[0036] 步骤2、选取纵向分隔裙对应的侧部围裙典型分段，根据围裙型线通过CATIA建立气垫船围裙典型分段几何模型。基于Abaqus建立气垫船有限元模型，并分别施加步骤1获得
的气垫特性参数，如左气室垫压PcL0和囊压PbL0、右气室垫压PcR0和囊压PbR0及泄流高度he0等，
采用动态显示求解法获得设计状态下的围裙几何成型，提取围裙特征参数，如左舷围裙裙
高hsL0和左舷围裙宽度xsL0、右舷围裙裙高hsR0和右舷围裙宽度xsR0。

[0037] 步骤3、在给定的气垫分割力矩Mc下，根据升沉和横摇自由度上力、力矩平衡计算左气室垫压PcL及右气室垫压PcR。根据风机特性曲线和风机‑风道‑大囊‑气垫流量连续性方
程求解左气室囊压PbL、右气室囊压PbR以及艇的横倾角α和重心高度hg。

[0038] 步骤4、将左气室垫压PcL、右气室垫压PcR、左气室囊压PbL、右气室囊压PbR及艇的横倾角α和重心高度hg等参数作为边界条件和载荷施加至气垫船有限元模型，通过Abaqus计
算围裙变形，提取围裙特征参数，如左舷围裙裙高hsL和左舷围裙宽度xsL、右舷围裙裙高hsR
和右舷围裙宽度xsR。进而获得由于围裙变形导致气垫面积增大引起的恢复力矩Ms，同时艇
体的横倾和重心高度变化导致产生了重力的倾斜力矩Mg。

[0039] 步骤5、给定不同气垫分割力矩Mc，即可获得无因次外力矩与横倾角的曲线(M/(GB)‑α)，获得无因次稳性高可作为衡量气垫船静态垫升稳性的标准。

[0040] 结合图2，气垫船陆上静横稳性的计算程序框架流程如下所述：

[0041] 围裙‑气垫‑艇姿态交互信息平台主要以Matlab编程为平台，通过调用艇姿态模块、气垫动力学模块和柔性围裙结构动力学模块进行信息交换。

[0042] 在艇姿态模块中，在给定的压力和围裙几何参数基础上，通过横摇和升沉自由度上的力和力矩平衡方程，获得气垫船的横倾角α和重心高度hg，提交给气垫动力学模块和柔
性围裙结构动力学模块。

[0043] 在气垫动力学模块中，在给定艇姿态和围裙几何参数的基础上，基于风机特性曲线方程和风机‑气道‑大囊‑气垫流量连续性方程得到气垫船气动力特性参数，如垫压Pc和
囊压Pb等，并提交给柔性围裙结构动力学模块和艇姿态模块。

[0044] 在柔性围裙结构动力学模块中，通过调用CATIA二次开发模块进行围裙几何结构参数化建模(stp格式几何模型文件)。将几何模型导入Abaqus中，基于Python二次开发实现
有限元模型建模，并施加垫压、囊压及边界条件，生成计算文件(inp格式有限元计算文件)。
然后调用Abaqus结构求解器进行求解，通过采用Python的二次开发实现结果文件(odb格式
结果文件)进行数据分析，输出分析后的结果文件(dat格式结果文件)提交给气垫动力学和
艇姿态模块。

[0045] 针对典型的气垫船及囊指式围裙采用本办法对气垫船稳性进行了计算，气垫船三维几何模型如图3所示。由于稳性计算主要取决于纵隔裙对应的侧部围裙分段，因此选取其
纵隔裙对应的侧部典型分段，长度为5个手指长度，建立了如图4所示的三维几何模型，根据
此模型建立了如图4所示的围裙典型分段有限元模型，左侧围裙和右侧围裙分别连接在船
体上；围裙采用薄膜单元。

[0046] 按照上述计算流程，对气垫船陆上静横稳性进行了计算，图6为某一横倾角时围裙触地计算云图，采用显示动力学进行求解，为提高计算效率，采用3D分析刚体平面表征地
面，采用刚性体表征刚性船体。

[0047] 给定不同Mc的此时即可获得无因次外力矩与横倾角的曲线(M/(GB)‑α)，如图7所示。同时采用气垫船缩尺船模稳性试验对稳性数值计算方法进行了验证，通过图7表明理论
仿真计算与试验结果符合性较好，可用于气垫船围裙稳性设计。