航空保障系统钢索力学特性分析与寿命评估
摘要
阻拦钢索是航空保障系统装备中的关重件，特殊的空间结构以及恶劣的工作环境导
致阻拦钢索的性能严重不足，寿命短且分散度大，阻拦钢索的性能问题已成为制约航母
战力的瓶颈和短板。目前关于阻拦钢索力学特性以及寿命评估的相关研究比较匮乏，苛
刻的试验条件和高昂的成本使相关试验难以充分开展，而理论研究通常聚焦于阻拦装置
的系统建模与分析，针对阻拦钢索本身的理论研究和仿真分析很少，尚无研究进行从阻
拦钢索几何建模到疲劳寿命评估的全流程分析。
本文针对航空保障系统阻拦钢索提出了完备的力学性能分析与疲劳寿命评估的全
流程分析方法，深入探究了阻拦钢索的几何建模、着舰过程中的受载规律以及瞬态力学
特性，定量描述了断丝对阻拦钢索力学性能的影响，并分别基于确定性和不确定性疲劳
寿命评估方法求解了危险部位钢丝的疲劳寿命。本文的主要工作如下：
首先，建立了阻拦钢索的精确参数化几何模型与力学分析模型。通过控制螺旋角和
捻距等几何参数求解钢索内不同直径钢丝的质心线参数方程，进而实现了不同构型的阻
拦钢索三维几何建模；通过开展钢丝试样拉伸试验获得了材料性能参数；基于经典力学
理论建立了阻拦钢索的力学分析模型并求解了其力学响应，为后续仿真分析打下了坚实
的理论基础。
其次，基于动力学仿真分析了舰载机着舰过程中阻拦钢索的受载规律。从理论层面
探究了弯折波的形成、传播原理及其运动学参数；建立了阻拦过程的钩-索动力学模型，
利用动力学仿真获得了不同工况下的阻拦钢索张力载荷谱，分析了偏心偏航因素对钢索
受载规律的影响，对着舰阶段舰载机的急动度进行了评估，为阻拦钢索的有限元分析以
及寿命评估提供了关键的数据支撑。
随后，基于有限元仿真分析了阻拦钢索内部钢丝的瞬态力学特性。在精确几何建模
的基础上建立了高精度阻拦钢索有限元模型，为解决收敛困难问题以及提高计算精度，
对模型网格和丝间接触设置进行了深入探究；为简化繁复的前处理操作开发了有限元前
处理插件；定量描述了八种典型工况下各层钢丝的应力与变形规律；定量分析了断丝数
目和位置对钢索力学特性的影响，为阻拦钢索的设计、使用及维护提供了依据。
最后，对阻拦钢索的疲劳寿命进行了预测。通过局部应力应变法求解了某工况下钢
索危险部位的疲劳寿命；基于灰色理论建立了钢索疲劳寿命的广义离散灰色预测模型，
此模型具有较高的准确度和可行性，为阻拦钢索的疲劳寿命理论研究提供了新的思路。
哈尔滨工程大学专业硕士学位论文
关键词：阻拦钢索；动力学仿真；有限元分析；断丝失效；疲劳寿命评估
航空保障系统钢索力学特性分析与寿命评估
Abstract
Thearrestingcableisacrucialpartintheaviationsupportsystem.Specialstructureand
harshworkingenvironmentleadtoseriousshortageofperformance,shortandscatteredlifeof
thearrestingcable.Theperformanceofthearrestingcablehasbecomeaconstraintofaircraft
carrier.Atpresent,relevantresearchonthemechanicalperformanceandlifeevaluationofthe
arrestingcableisrelativelyscarce,andtheharshtestconditionsandhighcostsmakeitdifficult
tofullycarryouttests.Theoreticalresearchusuallyfocusesonthesystematicmodelingand
analysisofthearrestingdevice.Thereareveryfewtheoreticalstudiesorsimulation,