鄭翔玉，房凌暉，王 琛，吳 剛

(陸軍軍官學(xué)院，合肥 230031)

為了應(yīng)對當(dāng)前復(fù)雜的國內(nèi)外形勢，我國進(jìn)行兩棲作戰(zhàn)的概率大幅度提高。兩棲登陸作戰(zhàn)階段主要采用兩棲車輛作為主戰(zhàn)裝備，因此對兩棲車輛的戰(zhàn)場生存能力有了更高的要求［1］。水上行駛的快速性是影響兩棲車輛生存能力的重要因素，也就成為目前國內(nèi)外兩棲裝備研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域［2-3］。

兩棲車輛的突出優(yōu)勢在于:在水上和陸上行駛時(shí)都具有較高的機(jī)動(dòng)性能、在水上行駛時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)能過快速通過水陸交界處。為了提高兩棲車輛水上行駛的快速性，目前有很多種途徑可以實(shí)現(xiàn)，本研究著重從減阻增速方面進(jìn)行探討和研究，為兩棲車輛的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考。

1 兩棲車輛水上阻力分析

影響兩棲車輛水上快速性的因素比較多，比如航行阻力、推進(jìn)器效率和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率等［4-10］。目前，提高兩棲車輛機(jī)動(dòng)性的研究主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上，通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率來達(dá)到增速的目的。如果一味地增大發(fā)動(dòng)機(jī)功率，就是使裝甲裝備的體積和質(zhì)量不斷增大，使武器系統(tǒng)的整體效能達(dá)到極限狀態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)測定，兩棲車輛在水上以速度v 行駛時(shí)，功率P=f(v3)，而阻力F=f(v2)，因此本文通過減阻增速的途徑來提高兩棲車輛的水上快速性。

“減阻增速”技術(shù)是通過減小兩棲車輛的航行阻力來提高其水上快速性。水上行駛速度是影響兩棲車輛航行阻力的首要因素。航行阻力隨航行速度的增加而快速增長。其次車型和附件。因?yàn)閮蓷嚮陉懙匦旭傂枰哂械奶囟ㄍ庑魏托旭傃b置，極其嚴(yán)重地制約其水上航行速度的提高。兩棲車輛為了兼顧水上和陸上行駛性能，致使與船舶的外形有較大的差異，不僅長度短、流線型差，而且突出部件較多，比如車輪、平衡肘和懸掛系統(tǒng)等行動(dòng)裝置。

參照船舶領(lǐng)域阻力分類方法和前人慣用的分類方法，兩棲車輛在水中行駛的總阻力可以分為空氣阻力、黏性阻力和興波阻力3 大部分，其中黏性阻力包括形狀阻力和摩擦阻力，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明:摩擦阻力所占比重很小，約占5% ～10%，形狀阻力所占比重很大，約占80% ～70%，興波阻力所占比重較大，約占15% ～20%。

因此“減阻”的主要任務(wù)是減小行動(dòng)裝置突出部位的阻力。對于輪式車輛來說，當(dāng)車輛在水中行駛時(shí)，將車輪盡可能收起至水面以上，減小形體阻力; 當(dāng)車輛駛?cè)胨懡唤缣帟r(shí)，放下車輪，恢復(fù)車輛的陸地行駛功能。

2 兩棲車輛車輪收放設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)車輪收放方案時(shí)應(yīng)綜合考慮車輛的陸上和水上行駛功能，盡可能減小對陸上行駛功能的影響，使車輛在水中能夠平穩(wěn)快捷地收起車輪，在陸上能夠安全有效地行駛。

2.1 結(jié)構(gòu)分析

兩棲車輛車輪的收放是通過轉(zhuǎn)動(dòng)平衡肘來實(shí)現(xiàn)的。車輪收放方法有多種。從收放順序上可以分為分階段收放和平衡肘齊轉(zhuǎn)同時(shí)收放。分階段收放方案控制方案復(fù)雜，同時(shí)調(diào)平方案有利于車輛的整體穩(wěn)定性、控制方便、結(jié)構(gòu)簡單。本設(shè)計(jì)選擇了同時(shí)調(diào)平方案。如圖1 所示，兩棲車輛每側(cè)的3 個(gè)平衡肘分別通過固定桿與杠桿聯(lián)接在一起，這樣只要通過電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)平衡肘繞上軸轉(zhuǎn)動(dòng)，車輛一側(cè)的平衡肘就能同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車輪的收放。

圖1 平衡肘連接示意圖

平衡肘升降機(jī)構(gòu)是以電機(jī)為動(dòng)力源，通過平衡肘的旋轉(zhuǎn)達(dá)到平衡肘的升降。在提升的過程中，不能影響到原有動(dòng)力的傳遞，這樣才可以實(shí)現(xiàn)在不中斷動(dòng)力的前提下，完成平衡肘的快速升降。動(dòng)力輸出時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)一級變速傳遞到變速箱，再經(jīng)傳動(dòng)軸到平衡肘內(nèi)，利用肘內(nèi)動(dòng)力傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。考慮到平衡肘上軸通過軸承座與車輛底盤固定，在設(shè)計(jì)該升降機(jī)構(gòu)時(shí)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)平衡肘上軸，就可以實(shí)現(xiàn)平衡肘的轉(zhuǎn)動(dòng)。平衡肘升降機(jī)構(gòu)動(dòng)力方式采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平衡肘升降的目的。平衡肘升降機(jī)構(gòu)的分析示意圖如圖2所示。

圖2 收放車輪機(jī)構(gòu)的分析示意圖

2.2 傳動(dòng)方式選擇

由于電機(jī)的動(dòng)力以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方式輸出，而平衡肘的升降也是通過旋轉(zhuǎn)平衡肘來實(shí)現(xiàn)的。因此在設(shè)計(jì)中，通過中間加一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的平穩(wěn)傳遞。利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)平衡肘轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)方式有很多種，如滾珠絲杠方式和蝸輪蝸桿方式等。在兩棲車輛的設(shè)計(jì)中，要求升降機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作后能夠自鎖。蝸輪蝸桿的傳動(dòng)方式具有傳動(dòng)比大、工作較平穩(wěn)、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、可以自鎖等優(yōu)點(diǎn)，因此平衡肘升降的動(dòng)力傳遞就采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。

2.3 收放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用三維設(shè)計(jì)軟件，完成平衡肘升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。蝸輪與蝸輪結(jié)合盤固定成一體，平衡肘上軸與蝸輪結(jié)合盤采用花鍵連接，蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)平衡肘的旋轉(zhuǎn)，如圖3 所示。

圖3 平衡肘與蝸輪的裝配示意圖

對蝸輪蝸桿以及連接固定裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選取合適的軸承，并組成裝配體。圖4 為蝸輪蝸桿裝配后形成的裝配結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

平衡肘升降機(jī)構(gòu)由電機(jī)、渦輪渦桿減速器、渦輪渦桿旋轉(zhuǎn)裝置組成，特點(diǎn)是:

1)動(dòng)力傳動(dòng)在平衡肘內(nèi)部進(jìn)行，保證在車輪收放時(shí)不切斷動(dòng)力的傳遞。在水上航行時(shí)，可將車輪抬高到水面之上，減小車輪產(chǎn)生的水上阻力;

2)陸地行駛時(shí)，可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)車體距地高調(diào)整，提高車輛的越障能力;

3)車輪在任何高度位置具有可靠的機(jī)械自鎖功能。

3 航行阻力數(shù)值模擬分析

采用數(shù)值模擬的方法對兩棲車輛在車輪放下和車輪收起兩種情況下的航行阻力進(jìn)行計(jì)算，可以定量地分析車輪收起后的減阻效果。

3.1 計(jì)算網(wǎng)格的劃分

為了便于仿真模型的計(jì)算，首先要對流場區(qū)域劃分網(wǎng)格。為了提高計(jì)算速度，整個(gè)流場應(yīng)當(dāng)盡可能減少網(wǎng)格的數(shù)量，因此網(wǎng)格劃分采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(六面體)相混合的方案，內(nèi)部為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，外部為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。兩棲車輛在航行過程中，車體周圍水域的形狀復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)興波等現(xiàn)象，為了能較好地模擬出水面波面的形狀，提高計(jì)算的準(zhǔn)確度，應(yīng)當(dāng)在車體附近采用加密網(wǎng)格，遠(yuǎn)離車體的流域網(wǎng)格可以適當(dāng)?shù)南∈?。整個(gè)流場區(qū)域的網(wǎng)格劃分如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)格劃分

3.2 模型選擇和參數(shù)的確定

控制方程采用有限體積法離散，對流項(xiàng)使用二階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)使用中心差分格式離散; 離散后的方程組采用Gauss-Seidel 法結(jié)合代數(shù)多重網(wǎng)格法迭代計(jì)算;流體采用不可壓縮流體，壓力速度耦合采用SIMPLEC 法處理，兩相問題采用流體體積函數(shù)法處理。

FLUENT 提供了分離式(segregated solver)和耦合式(coupled solver)兩類求解器。coupled solver 由于在計(jì)算中耦合了流動(dòng)能量方程，因此收斂速度很快，但是coupled solver所需內(nèi)存大約是segregated solver 的1.5 到2 倍?？紤]到現(xiàn)有的機(jī)器配置，也考慮到VOF 模型只能用segregated solver。

對于控制條件的設(shè)定(operation conditions)，由于本文模擬的是有自由液面的情況，所以必須設(shè)定重力加速度，這樣才能看到自由液面的變化。對于參考壓力位置的設(shè)定是比較重要的，它設(shè)定的好壞影響到收斂速度，一般設(shè)定在邊界處，本文選擇的是控制域的上邊界的中心處。在兩棲車輛運(yùn)動(dòng)的過程中，由于速度較小，車體周圍空氣的密度變化很小，可近似為一常數(shù)，設(shè)定空氣的密度是1.225 kg/m3。

對于邊界條件的設(shè)定，由于在GAMBIT 中已經(jīng)標(biāo)記出具有不同邊界條件類型的邊界和區(qū)域，在FLUENT 中分別給予設(shè)置即可。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

針對兩棲車輛在車輪放下和車輪收起兩種不同車體結(jié)構(gòu)下的航行阻力進(jìn)行仿真，計(jì)算水上行駛速度節(jié)點(diǎn)分別為:1.8 km/h、3.6 km/h、5.4 km/h、7.2 km/h、9.0 km/h、10.8 km/h。

3.3.1 速度矢量分布及分析

兩棲車輛以9.0 km/h 的速度航行時(shí)，車輪放下和車輪收起兩種狀態(tài)下的兩棲車輛繞流場的速度分布差異較大。兩棲車輛的吃水深用h 表示，距離水面h/2 處取一橫剖面，剖面上的速度分布如圖6 所示。

圖6 剖面處的流場速度

圖6表明，車輛處于車輪放下和車輪收起兩種行駛狀態(tài)下，在車輪周圍的流場都產(chǎn)生了不規(guī)則的渦流，而車輪放下時(shí)車體周圍的流場流動(dòng)更加復(fù)雜。車體周圍的渦流是由于負(fù)壓的存在，使車體的尾部有較大尺度的渦流出現(xiàn)。而渦流的存在使該區(qū)域的壓力驟降。在壓差的作用下，便產(chǎn)生壓差阻力。

車輪放下時(shí)，車輪對車體周圍流場的影響更加明顯，使車體周圍出現(xiàn)很多不規(guī)則的渦流，流場更加復(fù)雜。車輪收起后，車輪對附近流域的影響降低，車體附近的渦流減少。

3.3.2 行駛阻力與航速的關(guān)系分析

車輛在車輪放下和車輪收起兩種狀態(tài)下，通過仿真，行駛阻力隨航速的變化規(guī)律如圖7 所示。

圖7 水上行駛總阻力

圖7表明，兩棲車輛不管處于車輛放下還是車輪收起狀態(tài)，行駛阻力都是隨著速度的增加而增大。同時(shí)表明，車輪收起后，兩棲車輛的行駛阻力較車輛放下有所減小，且隨著速度的增加減阻效果更加明顯。分析表明:車輪收起是兩棲車輛“減阻增速”行之有效的方法。

4 結(jié)論

快速性是衡量兩棲車輛戰(zhàn)場生存能力的重要指標(biāo)。為了減小兩棲車輛的水上行駛阻力，本文對兩棲車輛的車輪收放進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并通過數(shù)值模擬的方法對減阻效果進(jìn)行分析，從研究結(jié)果可得出如下結(jié)論:

1)設(shè)計(jì)時(shí)采用數(shù)值模擬的方法代替部分實(shí)物試驗(yàn)，可以節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力;

2)對于過渡型車體，兩棲車輛的水上行駛阻力隨著速度的增加而增大;

3)車輪收放是兩棲車輛“減阻增速”的有效方法。車輪收放的設(shè)計(jì)研究是對兩棲車輛減阻技術(shù)的一項(xiàng)有益探索。

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