舰船上牵引车——飞机系统稳定性研究

摘要

飞机在甲板上的移动与陆地上相同，多数由牵引车来完成。各级海况下牵引车-飞机系统在甲板上行驶的运动特性和稳定性直接关系到甲板的作业安全和可作业条件。船摇运动的不确定性、海洋环境的随机性和牵引结构的非线性使牵引车-飞机系统极易出现侧滑、摆振和折叠等危险工况，造成严重的甲板事故。因此对甲板上牵引系统稳定性的研究是十分重要和必要的。
　　 本文首先基于动力学理论，结合汽车理论相关知识，建立摇动甲板上牵引车-飞机系统的非线性动力学模型。模型中描述了船舶运动和牵引系统运动的耦合关系，充分考虑了甲板运动对牵引系统侧向作用力、纵向作用力以及轮胎作用力的影响，并对牵引车和飞机铰接点处的非线性关系进行了分析。所建立的系统动力学模型为后续甲板上牵引系统行驶稳定性的研究提供了基础。
　　 研究摇动甲板上牵引系统的直线行驶稳定性。基于针对周期系数运动方程的Floquet运动稳定性理论，推导出系统运动稳定性扰动方程，提出系统直线行驶稳定性判据。得到不同海况下，牵引车牵引飞机的临界行驶速度，进一步探讨了轮胎刚度、飞机型号等结构参数对系统稳定性的影响。
　　 研究摇动甲板上牵引系统的转弯行驶和转弯制动稳定性。选用仿真试验的方法开展各级海况中，不同转向角下甲板上牵引系统的瞬态响应和稳态响应特性研究，得到系统稳定转向的边界值。在给出牵引车轮胎制动力和前后轮理想制动力分配比的基础上，选择船摇运动、制动力、运动时间点和附着系数等主要因素作为试验的参变量，通过弯道制动稳定性试验，揭示各级海况下，牵引系统在不同时刻的临界制动力。
　　 以牵引车横摆角速度和相对横摆角速度为控制逻辑，提出牵引系统稳定性控制策略。引入二阶牵引车转向子系统，建立牵引系统转向控制模型。考虑不确定因素对系统稳定性的影响，基于适应于非线性不确定系统的扩展反演变结构控制方法，提出牵引系统稳定性控制算法。采用牵引车后轮主动转向+前轮动态补偿转向的控制模式，实现提高牵引系统操纵稳定性和增强驾驶员操纵感的双重控制目的。
　　 建立甲板上牵引车-飞机系统虚拟试验平台。在建立逼真的牵引系统虚拟模型和虚拟环境的基础上，通过系统数学模型实时驱动虚拟环境中的牵引系统和甲板，使设计人员具有更好的沉浸感。通过人机交互界面，对试验数据和系统参数进行设定，并输出试验结果曲线。