0 引　言

气垫船是一种利用垫升风机在船舶底部产生高压气垫使船与接触的介质分离开行驶的船舶^[1]。气垫船具有多栖行驶、航速高等优点，但在一些环境复杂的情况下，气垫船难以携带和应用，将气垫船定点空投可以有效解决这一问题，空投气垫船的研究在民用领域有着广阔的前景。

气垫船有限元分析的难点为气囊的橡胶尼龙复合材料和内部空气的耦合，而气垫船入水砰击的研究较少，只能采用将其和其他结构的气囊研究进行类比分析。张傲^[2]采用ALE 流固耦合方法对气垫船砰击水面和地面的过程分别进行模拟，并进行对比分析；赵昶旭等^[3]利用Abaqus流体腔功能对输液袋跌落进行模拟，并用高速摄像机获得实际跌落冲击瞬时袋体的变形特点，实验结果与仿真结果相符。李法林等^[4]对空投舱体的着陆冲击性能进行仿真，结果表明装救援装备加速度最大值均在许用脆值 50 g 内，舱体仿真着陆冲击过程加速度、速度、位移曲线与实际物理过程相符。杨彬^[5]分别从单个轮胎、1/4车身系统出发和前轮悬架系统角度出发，分析车辆在不同胎压、不同速度时着陆在不同路况的过程。Wang等^[6]应用控制体积法研究不同情况下柔性管道在充气过程中的相关问题。通过计算，得到了柔性管道在整个充气过程中管道体积以及内部压力的时间特性曲线，表明控制体积法在研究柔性体的充气问题中能够发挥很好的作用并得到可靠准确的结果。刘志波^[7]参考某型号火星探测器的缓冲着陆系统，基于超算平台对气囊式缓冲系统着陆过程进行研究。将气囊初始压力、内部以及系统间排气孔直径和航天器加速度作为优化目标，应用遗传算法进行优化，得到了合理的缓冲系统相关设计参数。

本文应用有限元分析方法对气垫船充气后空投入水砰击过程进行分析，研究气垫船在不同气囊初始条件下入水过程中的运动特性，分析其姿态变化，为气垫船空投入水在更广阔实践中的应用提供理论基础。

1 空投气垫船模型建立 1.1 几何模型的建立

本文只对气垫船的入水进行分析，舍去整流罩、发动机等部件，将舍弃的部件转化为对应的应力加载到底板后部。气垫船的整体尺寸为5000 mm×2000 mm×450 mm，并用S4R单元进行网格划分。底板的尺寸为2924 mm×1100 mm×100 mm，用C3D4单元进行网格划分。在气垫船下方建立水池模型，赋予其水的材料属性，模拟气垫船空投入水的过程。水池的尺寸为10000 mm×6000 mm×1650 mm，用EC3D8R单元对其进行网格划分。图1为空投气垫船模型图。

1.2 材料模型的建立

气垫船气囊普遍采用橡胶材料，内嵌有尼龙材料作为加强结构^[8]，橡胶材料在碰撞后会产生大变形，因此在模拟的过程前要建立对应的超弹性材料本构模型。

徐伟^[9]采用实验对某橡胶尼龙复合材料进行单轴拉伸试验，并在Abaqus中对其实验结果估算超弹性行为，发现Mooney-Rivlin模型结果与实验结果拟合较好。因此，本文亦采用其材料属性和超弹性模型进行模拟，橡胶的材料参数如表1所示。Mooney-Rivlin 模型的应变式能为^[10]：

$ U = {C_{10}}\left( {\overline {{I_1}} - 3} \right) + {C_{01}}\left( {\overline {{I_2}} - 3} \right) + \frac{1}{{{D_1}}}{\left( {{J_{el}} - 1} \right)^2} 。$

(1)

式中：C₁₀、C₀₁和D₁为温度相关的材料参数；初始剪切模量和体积模量的公式为：

$ \mu = 2\left( {{C_{10}} + {C_{01}}} \right)，{K_0} = \frac{2}{{{D_1}}} 。$

(2)

Abaqus中气囊采用壳单元建模，气囊厚度设为1.5 mm，赋予其属性时用rebar单元对帘线层进行尼龙材料的定义。尼龙材料的参数和rebar单元的布置分别如表2和表3所示。

在显示动力学分析中，水的材料属性如表4所示。

1.3 相互作用模型的建立

气垫船在充气后和撞击水面的过程中会产生非线性变形，可能存在自接触行为，因此在显性分析步下建立通用接触，定义法向和切向方向的行为。对底板周围表面和气囊外表面分别建立2个表面，通过面面接触行为建立Tie连接，使二者在仿真过程中一起运动。

流体腔的定义是气垫船建模的关键，通过流体腔模拟气囊内部空气对气囊内表面压力的作用，气囊内部空气和压力的存在使气垫船在入水时的受力能很好地符合真实情况。流体腔模型建立时每个腔体需指定参考节点，对称模型需在对称面上，非对称的完整模型参考点可以在任意位置，本文选中每个气室的中心位置作为参考点；另外需指定一封闭表面为流体腔的参考面，参考面的法向都要指向于内，本文分别选中每个气室的内表面作为参考面。

本模拟模型较为复杂，根据气囊的结构并结合模拟的便捷性将其分为10个气室：气囊前端7个气室，两侧各一个大气室，呈对称分布，尾部1个气室，气囊气室模型如图2所示。

Abaqus流体腔要用到F3D4静水流体单元，它是覆盖参考面的表面单元，当空腔的参考点被定义时，静水流体单元则由面单元变为体单元，所有气体单元共用此参考节点^[11]。图3为F3D4静水流体单元示意图。

在建立流体腔过程中对空气气体分子量、摩尔热容、绝对零度、理想气体常数的指定并输入环境压力就可实现流体腔的设置。

1.4 载荷模型的建立

气垫船在高空坠落过程主要受重力和内部相互作用的影响，为方便计算，对一些力进行简化和换算加载到模型中。

1）对所有模型添加-Y方向的重力。

2）忽略充气泵等零件，只将发动机和整流罩等关键模型简化为力加载到底板后端。

3）约束水除入水面外其他面的速度。

4）对分割的各个气室都添加大小相同的空气压力。

5）气垫船从50 m高空落下，在降落伞的作用下接触到水面的速度为8 m/s，对气垫船模型施加一个8 m/s的预速度。

6）仿真过程忽略侧向风对空投气垫船的影响。

2 结果分析 2.1 相同气压不同部件运动分析

以气囊充气压力为0.15 MPa为例，在部件质心位置建立set监测点，分别与底板、气囊和气垫船的底面进行耦合，显示动力学仿真0.1 s，分析入水过程中气囊和底板的运动。

由图4可知，3个监测目标在接触水面的短时间内速度都急剧降低，底板速度衰弱最为明显，降到2000 mm/s左右，气囊速度衰弱较弱，降到3500 mm/s左右，二者装配在一起的整体模型速度在短时间衰弱为二者的均值。在0.03 s后，速度以一个较为平缓的加速度再次衰减，经过0.03 s几乎衰减到0，随后因为弹性势能的原因，气垫船在水面上上下振荡。值得注意的是，气囊的速度变化较底板更为剧烈，这是因为气囊内部存在空气使其形成空气弹簧，弹性势能和动能的转化使运动更为剧烈，刚接触水面时气囊速度衰减较慢也和这一特性有关。

由图5可知，气囊位移变化比底板剧烈，其原因和速度变化有关。气囊和底板在前0.05 s分别以线性变化入水120 mm和95 mm，之后因弹性势能和浮力的作用而稍微上浮，不过上浮的距离不大。结合速度变化曲线可知，气垫船在入水后反弹其的速度和位移都不是很高。

2.2 不同气压时气囊的运动分析

设置气囊气压分别为0.15 MPa、0.2 MPa、0.25 MPa和0.3 MPa，显示动力学仿真0.1 s，记录气囊质心位置随入水过程速度和位移变化情况，分析气囊在不同气压下入水砰击的运动过程。图6和图7分别为气囊在不同气压下速度和位移随时间的曲线图。

可知，气囊内压为0.2 MPa、0.25 MPa和0.3 MPa时气囊的运动变化几乎一致，由此可知，气囊内压达到一定值时，其质心的运动几乎维持在一定的规律上；气压为0.15 MPa时，气囊的弹性势能较小，速度衰减较慢，充气压力较小造成整体质量和浮力较小，入水后吃水更深。

2.3 不同气压时气垫船入水姿态分析

根据速度和位移曲线，选取0.03 s、0.055 s和0.1 s三个气垫船速度和位移变化较明显时刻，分析气囊不同气压时气垫船在入水过程中的姿态变化情况。图8～图10为不同气囊气压气垫船在不同时刻的入水姿态变化图。

可以看出，0.03 s时不同气压的气垫船姿态几乎都一样，船首吃水较船尾略多一点，船两侧溅起小水花。0.06 s时4种情况的姿态较0.03 s变化不大，气垫船两侧都激起的水波变高，气垫船下方开始出现空气层，说明气垫船挤压下方水开始回弹。在0.1 s时刻，气垫船回弹维持一个较稳定的状态，气压为0.15 MPa和0.2 MPa时，气垫船船首吃水较船尾大很多，出现明显的前倾；气压为0.25 MPa时气垫船整体姿态没有大的变化，前后吃水差距不大；气压为0.3 MPa时气垫船船船尾吃水大于船首，出现明显的后倾。4种情况气垫船四周都激起等船高的水波，下方空气层变厚，前倾的后侧空气层厚度大于前侧，后倾的正好相反。

3 结　语

本文对气垫船的关键部件-气囊通过Abaqus流体腔功能建立空气弹簧模型，对气垫船不同气压的入水过程的运动特性和运动姿态进行仿真分析。结果表明：

1）在同一气压下，气垫船气囊因空气弹簧的原因造成其弹性势能更大，使其运动较底板更为剧烈。

2）气囊压力在一定的区间内运动特性相近，但在此区间内，压力过小导致弹性势能和浮力都较小，空投入水过程速度衰减较慢、稳定后的吃水较大；压力过大又会造成入水过程船身的不稳定，会产生一定的后倾。因此，合适地选择气囊充气压力能一定程度地减少气垫船空投入水后倾覆的情况，增加空投成功率。