舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (5): 166-169    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.05.036   PDF    
基于人工智能技术的船舶主悬架动态性能分析
郑小发1,2     
1. 武汉理工大学,湖北 武汉 430079;
2. 重庆机电职业技术大学,重庆 402760
摘要: 为提高船舶的航行稳定性,可将汽车制造领域中应用的悬架系统引入到船体上,从而使船体变为车轮,驾驶舱变为车身,悬架与船体和船架分别连接。悬架系统中的减震器能够减弱船舶受到的冲击荷载,由此产生的振动也会随之衰减,船舶的行驶性能从而得到改善,因振动减小,乘坐的舒适度大幅度增加。悬架系统原本是用在汽车中,在船舶上应用时,需要分析悬架的动态性能,看是否满足船舶的航行需要。为使动态性能分析结果更加准确,应用人工智能技术。
关键词: 人工智能     船舶     主悬架     动态性能    
Analysis of dynamic performance of ship main suspension based on artificial intelligence technology
ZHENG Xiao-fa1,2     
1. Wuhan University of Technology, Wuhan 430079, China;
2. Chongqing Vocational and Technical University of Mechatronics, Chongqing 402760, China
Abstract: In order to improve the navigation stability of ships, the suspension system used in the field of automobile manufacturing can be introduced to the hull, so that the hull becomes wheels, the cockpit becomes the body, and the suspension is connected to the hull and frame separately. The shock absorber in the suspension system can attenuate the impact load on the ship, and the resulting vibration will also be attenuated. As a result, the ship′s running performance is improved, and the ride comfort is greatly increased due to the reduction in vibration. Suspension systems were originally used in automobiles. When applied on ships, it is necessary to analyze the dynamic performance of the suspension to see if it meets the sailing needs of the ship. In order to make the dynamic performance analysis results more accurate, advanced artificial intelligence technology can be applied.
Key words: artificial intelligence     ship     main suspension     dynamic performance    
0 引 言

船舶中的主悬架系统采用的是左右对称的结构,因两侧的结构相同,所以在开展动态性能分析时,只需要对单侧进行仿真即可[1-3]。利用人工智能技术中的机械系统动力学自动分析(ADAMS)软件,能够使主悬架动态性能分析过程得以简化,结果的准确性将大幅度提升。

1 船舶主悬架的性能要求

为使船舶的主悬架系统满足以下性能要求:行驶平顺、乘坐舒适、易于操纵等,在主悬架设计中,要对如下性能指标加以充分考虑:船舶想要在水面上行驶的平顺,就必须保证行驶时,振动频率要足够低,即振频及幅值应小于相关规范标准中给出的极限值;为最大限度发挥出主悬架在减振方面的作用,要保证减震器的阻尼匹配正确,这样能够使共振频率位置处的振动周期大幅度缩短,振幅也随之显著减小;主悬架可以确保船舶在加速行驶及制动时的稳定性,这是因为主悬架能够使驾驶舱的前倾幅度及后仰幅度显著减小;在保证主悬架系统中关键零部件的结构强度满足使用要求的前提下,减轻零件的重量,同时还能避免船体过度磨损。

2 基于人工智能技术的船舶主悬架运动学分析 2.1 主悬架与船体运动

在船舶的主悬架系统中,运动机构由减振器、支座、摆臂等组成,基座与摆臂构成双曲柄机构,与两杆平行,摆臂为曲柄,2个摆臂能同时转动,转动时的角速度完全相同,减振器与船体之间的固定连接,能够确保船体随主悬架系统运动保持平行移动。减振器与摇臂组成联动装置,活塞杆等同于滑块,可绕铰链作摆动。主悬架运动机构的自由度可用下式表示:

$ {F}=3 {n}-2 {p}_{{L}}-{P}_{{H}} \text{。} $

图1中,设备与基座之间有一个筏架装置,该装置可在凹槽内前后移动。该运动机构的矢量方程如下:

$ l_{1}+s_{1}=l_{2}+s_{2} \text{,} $
图 1 减震器与船体的组成结构图 Fig. 1 The structure diagram of the shock absorber and the hull
2.2 构建运动学模型

采用基于人工智能技术的ADAMS软件构建船舶主悬架运动学模型。该软件能够凭借本身自带的数据接口,与3DS MAX进行数据交换。经过转换后,ADAMS可对模型中的几何信息完整识别,人工智能交互式仿真的效果提升明显。运动学模型几何信息分布图如图2所示。利用ADAMS对船舶主悬架系统进行运动学仿真,要对主悬架中各主要零部件在模型中的位置加以确定,为使初始位置的要求得到满足,可借助CATIA做适当调整,并在不影响主悬架系统运动构件关系的情况下,修改几何结构,增强仿真效率。船舶主悬架系统中,有一部分位置固定的零部件几何模型,对此可通过布尔运算进行合并,使其变成一个整体。同时用平面替代曲面,增强仿真模型的质量。

图 2 运动学模型几何信息分布图 Fig. 2 Kinematics model geometric information distribution map

当几何模型顺利导入到ADAMS软件后,要设置仿真环境,具体包括坐标系定义、单位制选取、材料属性定义、工作目录设置等。本次研究中,全局坐标系为笛卡尔坐标系,导入几何模型后,调整初始位置,并对单位制加以确定。为便于仿真分析,直接运用ADAMS软件中的MMKS单位制,其中包括长度(mm)、质量(kg)、时间(s)、角度(°)、频率(Hz)和力(N)等单位;之后定义材料属性,包括结构钢及铝合金,主要参数有密度和泊松比等。ADAMS软件可以按材料种类,并依据材料的几何形状,自行计算出零部件的质量、质心位置等指标,并为每个零部件分配一个局部坐标系。仿真分析时,随着零部件的移动,局部坐标系也会随之发生改变。在基于ADAMS软件构建的运动学中,可以通过约束,对运动构件的相对运动关系加以限制和定义。约束的类型包括固定副、旋转副、平移副、球面副及圆柱副。向运动学模型中添加约束类型时,要确保位置正确,具体如下:在船架与大地间添加固定副;在前后摆臂与减振器上支座间添加旋转副;在前后摆臂与船架连接处添加旋转副;在减振器与上支座连接处添加旋转装置;在减振器与前后梁连接处添加旋转副;在下支座与船体间添加固定副;缸筒与活塞杆间添加平移副。船舶主悬架是一个较为复杂的机构,由此使其运动学模型中的运动副数量较多,仿真分析时,会出现过约束的现象,所以要对模型加以验证。

2.3 主悬架的运动状态

主悬架一侧的2个减振器,采用前后布置的方式,二者通过船体相连接,它们的运动状态会产生影响。当船舶在复杂的环境中行驶时,会引起主悬架中多个构件产生联动,此时的船体呈现出复杂的运动姿态。动力学仿真时,要确定出船舶主悬架运动姿态的产生情况,以便在模型中,模拟主悬架的运动状态,在对船舶主悬架做运动分析后发现,可将船体不同的运动姿态,等效为主悬架摆臂的摆动过程。对于船舶主悬架系统而言,当减振器支座在垂直方向上做上下移动时,会使摆臂发生摆动,在运动学仿真过程中,为提高结果的直观性,可以对减振器在垂直方向的跳动量加以控制,对船体的运动姿态进行模拟,这样能够得到主悬架系统中其他构件与减振器支座的运动关系。由于本次研究的船舶主悬架系统存在2个自由度,所以要施加2个驱动,一个驱动施加在前减振器上,另一个驱动施加在后减振器上,从而确定主悬架的运动状态。在运动学仿真模型中,需要对驱动函数进行设置,每个函数对应一个运动姿态,具体包括船体相对于船架做上下平移、船体前端往复摆动以及船体两端往复摆动。尽管运动姿态不同,但驱动函数的设置方法却类似,以船体相对于船架做上下平移为例,在运动学仿真中,为使船体能够相对于船架做上下平移运动,要对减振器的上支座施加单向的位移驱动,可将零件的质心设为驱动力的作用点,选用STEP函数作为运动函数。按上述方法便可对其他2个运动姿态的驱动函数进行设置。

2.4 仿真结果

按照设置好的驱动函数,船舶主悬架系统中的减振器就可以依据相应的函数做运动,可得到位移随时间变化的曲线,分别如图3图4所示。

图 3 运动学仿真中船体的位移与时间曲线 Fig. 3 Displacement and time curve of ship hull in kinematic simulation

图 4 运动学仿真中船体的速度与时间曲线 Fig. 4 Velocity and time curve of ship hull in kinematic simulation

可以看出,在垂直方向上,船体的最大位移是80 mm。在上述运动状态下,船体并未产生纵向位移,说明主悬架系统的运动结构合理。

3 船舶主悬架的动力学仿真 3.1 主悬架总成受力

在船舶中,主悬架系统通过机械做功,实现机械能的转换,在这一前提下,主悬架中的主要构件均会受到不同程度的外力作用,如驱动力、阻力、重力、反力、惯性力等。在此需要阐明的一点是,受荷载的影响主悬架中的构件产生低速运动,由此产生的惯性力非常小,为简化分析,可对此忽略不计。在船架上构建直角坐标系,将构件的方位角及方向矢量标出,再对其进行分解,使其变为分力,沿坐标轴分布。

3.2 动力学建模

在船舶主悬架系统动力学建模的过程中,可将主悬架承受的外力作为输入条件,受到外力的作用,主悬架中的构件会做相对运动,进而产生作用力,基于此,在动力学仿真时,要在约束模型中施加不同的力,包括弹簧力、阻尼力、接触力、摩擦力等,通过上述作用力,模拟主悬架构件间的作用力。由于该作用力的性质既可以是线性,也可以是非线性,所以对该作用力定义时,要对其大小、作用方向和作用点位加以明确。在船舶主悬架动力学仿真时,可将悬架系统中的减振器、摆臂、支座等构件视作为刚体,由于刚体具有强度高、硬度大等特点,所以受到荷载作用时,不会变形。除刚体构件外,船舶主悬架系统中,还有一些弹性部件,如螺旋弹簧、橡胶衬套、缓冲块等,这些部件受到荷载后,会产生弹性变形。为确保动力学仿真结果的准确性,需要将主悬架系统中的弹性部件视作为柔性连接,并在仿真过程中,对部件的非线性特点加以充分考虑。在主悬架系统中,柔性连接的存在并不会导致自由度减少,具有柔性连接的部件在外力作用下产生相对运动时,构件间会产生弹性力。

橡胶衬套归属于非线性构件的范畴,在主悬架中的作用是连接运动构件,它的位置在连接轴和孔之间。由于橡胶衬套存在转动刚度与阻尼,如果不考虑它所产生的影响,则可能导致仿真结果不准确。减振器是船舶主悬架系统中的重要构件之一,其归属于弹性构件的范畴,带有阻尼特性,螺旋弹簧为其提供弹性,可以用刚度系数对这个弹性进行定义。由于减振器的阻尼具有非线性特点,所以可通过阻尼系数对其定义。活塞杆与缸筒是减振器的主要组成部分,二者做相对运动时,受到非线性阻尼的影响,会使2个部件产生非线性关系,可用下式表达:

$ {F}_{{a}}=-{C}(\mathrm{d} b/ \mathrm{d}t) \text{。} $

式中:Fa为构件间的相对作用力;db/dt为构件间的相对运动速度;C为阻尼系数。C并非常数,会呈现出非线性变化,对此,可以采用实验的方法获取阻尼系数。

动力学仿真模型在某些方面与运动学仿真模型极为相似,所以可对运动学模型做适当改动,这样便可获得船舶主悬架系统的动力学模型。改动的主要内容包括:对弹簧力的施加位置进行改动,以此来模拟螺旋弹簧在缸筒与活塞杆间的运动,由于这个弹簧的作用比较特殊,所以它没有预压缩,伸长状态为自然伸长,刚度为50 N/mm。通过对实验结果进行拟合,得到减振器的阻尼系数。将衬套力施加在摆臂与耳片连接处,用衬套力替代转动副,并在减振器与前后梁连接处进行改动,以此来替代转动副。按照船舶主悬架动力学仿真需要,设置合理的重力加速度。建模时,只考虑衬套力的轴向刚度,将转动刚度与阻尼忽略不计。处于主悬挂系统中的运动构件,在相对运动时,接触面会产生一定程度的摩擦力,为确保仿真结果与实际情况相符,要在运动副中增加摩擦力,其中静摩擦系数为20 mm,动摩擦系数为80 mm。

3.3 仿真结果

船舶主悬架动力学仿真模型构建完毕后,经过仿真模拟,能够获得冲击荷载作用下,主悬架系统的动力学响应情况。仿真过程中,要进行如下设置:求解器、仿真时长、仿真步数等,其中求解器可以按照主悬架动力学仿真要求合理设置,仿真时长设定为3 s,步数设定为500步。从仿真结果中,取0~2 s的响应曲线进行主悬挂系统动力学分析。船体受到冲击荷载时的动力学响应曲线如图5所示。低冲击力下的船舶稳定性参数分布曲线如图6所示,A状态冲击力为100 kN,B状态冲击力为250 kN,C状态冲击力为150 kN,高冲击力下的船舶稳定性参数分布曲线如图7所示。

图 5 船体在冲击荷载作用下的动力学响应曲线 Fig. 5 Dynamic response curve of hull under impact load

图 6 低冲击力下的船舶稳定性参数分布曲线 Fig. 6 Distribution curve of ship stability parameters under low impact force

图 7 高冲击力下的船舶稳定性参数分布曲线 Fig. 7 Distribution curve of ship stability parameters under high impact force

受到冲击荷载的作用,船体除了在纵向上无位移之外,在其他方向上均产生移动,如垂直方向为上下移动,侧向为左右移动。

船体受冲击荷载后所产生的运动幅度与时间相关,随着时间的推移,运动幅度逐步减小,最终达到平衡。在对主悬架进行动力学仿真分析时,减振器是重点,主要是分析它的非线性阻尼特性。当主悬架系统受到外部荷载后,减振器的弹簧可以使主悬架所受的冲击获得一定程度的缓和,并且减振器的阻尼还能使系统运动时产生的振动进一步衰减,在减小振幅的同时,还能使振动周期大幅度缩短,由此可使主悬架系统在较快的时间内趋于稳定。当减振器处于压缩状态时,阻尼力小,可以使弹簧更好的吸收振动;减振器为伸张状态时,阻尼力大,可使弹簧的振动得到快速衰减,从而在较短的时间内恢复稳定。所以在仿真时,可将弹簧视作为线性构件。因弹簧的阻尼为非线性变化,利用ADAMS软件,通过实验的方法,对阻尼数据进行拟合,作为弹簧的阻尼系数。由动力学仿真结果可知,采用非线性阻尼的船舶主悬架系统,除了能缩短响应时间外,还能减小振幅。

4 结 语

在船舶主悬架动态性能分析的过程中,可以对基于人工智能技术中的ADAMS软件合理运用,依托该软件能够快速完成运动学和动力学模型的创建,为动态性能分析提供支撑。分析结果表明,主悬架系统在船舶中具有良好的动态性能,可以提高船舶的航行稳定性。

参考文献
[1]
王默, 度红望, 熊伟. 小型救助船舶主动式液压互联悬架系统的设计与仿真[J]. 液压与气动, 2021(8): 138-144. DOI:10.11832/j.issn.1000-4858.2021.08.020
[2]
苏云, 胡勇, 苏芳艳. 基于数据库和人工智能的船舶航行性能设计和优化[J]. 舰船科学技术, 2021, 42(20): 46-48.
[3]
朱木清. 基于人工智能的船舶内部齿轮机构转速控制研究[J]. 舰船科学技术, 2021, 42(16): 73-75.