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{，} $

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。

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和图4所示。

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：F_a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。

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。