基于AMESim飛機液壓能源系統(tǒng)用戶可用壓力仿真計算

夏鶴鳴，王鴻鑫

(上海飛機設計研究院，上海 210201)

基于AMESim飛機液壓能源系統(tǒng)用戶可用壓力仿真計算

夏鶴鳴，王鴻鑫

(上海飛機設計研究院，上海 210201)

對飛機液壓能源系統(tǒng)中存在的壓力損失進行了理論分析，并運用AMESim軟件建立了飛機液壓能源系統(tǒng)元件、管路以及用戶的流量壓降模型。基于仿真模型對典型飛行階段液壓能源系統(tǒng)各用戶支路的壓力損失進行仿真計算。該仿真分析模型可用于飛機液壓能源系統(tǒng)用戶可用壓力計算。

液壓;性能;仿真

第二次世界大戰(zhàn)以來，液壓技術在飛機上得到了廣泛的應用[1]，直至今日液壓能源系統(tǒng)仍然是飛機上最有效動力源，為飛行控制系統(tǒng)、高升力系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)以及反推力系統(tǒng)等負載提供動力，是飛機的二次能源之一[2]，在保證飛機的飛行安全上有著非常重要的地位[3]。飛機液壓用戶可用壓力計算是飛機液壓能源系統(tǒng)設計的重要組成部分，其計算結果是飛行控制系統(tǒng)的重要設計輸入。

AMESim軟件是專門用于機械液壓系統(tǒng)建模、仿真及動力學分析，并能夠面向工程交互設計的可視化仿真軟件[4]，其中液壓系統(tǒng)建模庫中有大量常用的液壓元件、液壓源和液壓管路等模型。該軟件在建立液壓系統(tǒng)數(shù)字模型的過程中充分考慮到液壓油的物理特性和液壓元件的非線性特性。本文基于AMESim軟件建立飛機液壓能源系統(tǒng)元件、管路以及用戶流量壓降模型，并進行了飛機液壓能源系統(tǒng)中壓力損失計算。

1 飛機液壓能源系統(tǒng)的組成

為保證飛機安全可靠工作，大型民用飛機液壓能源系統(tǒng)一般由3套(或3套以上)相互獨立的液壓能源子系統(tǒng)組成，為飛機液壓用戶提供動力。每套液壓能源子系統(tǒng)由液壓泵、液壓油箱、液壓管路、蓄能器、油濾以及液壓用戶等裝置組成。其中液壓泵主要包括作為主液壓泵的發(fā)動機驅動泵，作為應急泵的電動泵；液壓用戶主要包括液壓作動筒、液壓馬達、液壓作動器以及助力器等。

2 飛機液壓能源系統(tǒng)中的壓力損失

飛機液壓能源系統(tǒng)中的壓力損失主要包括沿程壓力損失和局部壓力損失。沿程壓力損失是液體流經直管中的壓力損失，而局部壓力損失是液體流經管徑突變或管路突然彎曲等局部地方的壓力損失。

a.沿程壓力損失。

液壓油在管路中流動與管路內壁發(fā)生摩擦，造成沿程壓力損失，而液壓能源系統(tǒng)管路遍布整個飛機，管路長且數(shù)量多，因此飛機液壓能源系統(tǒng)管路的沿程壓力損失是液壓能源系統(tǒng)主要壓力損失之一，沿程壓力損失ΔPy計算如下：

(1)

式中：Re為液體雷諾數(shù)；l為管路長度；d為管路直徑；γ為液體運動黏度；ν為液體流速。

b.局部壓力損失。

液壓油流經管路的彎頭、接頭、突然變化的截面以及閥口等處時，流速的大小和方向將發(fā)生急劇變化，產生漩渦，并發(fā)生強烈的紊動現(xiàn)象，形成局部壓力損失，而飛機中液壓能源系統(tǒng)管路管徑變化多，走向不規(guī)則，管路彎曲、彎頭以及變徑接頭眾多。因此，飛機液壓能源系統(tǒng)中的局部壓力損失也是液壓能源系統(tǒng)主要壓力損失之一，局部壓力損失ΔPr計算如下：

(2)

式中：ξ為局部阻力系數(shù)。

c.油濾的壓差特性。

液壓油流經油濾時，由于過濾介質對液壓油的阻力，因而在油濾進出口之間產生一定的壓差。一般計算公式如下：

(3)

式中：δ為過濾介質的厚度；η為流體動力黏度；Q為流經過濾器介質的流量；a為過濾介質的透氣性；A為過濾介質的有效面積。

基于以上分析可知，飛機液壓能源系統(tǒng)中的壓力損失主要來源于液壓能源系統(tǒng)中管路的沿程壓力損失、局部壓力損失以及相關元件的壓力損失。根據(jù)計算公式(1)、(2)、(3)可知，液壓能源系統(tǒng)的壓力損失主要與液壓油流速相關。液壓油流速取決于液壓用戶運動的設計需求，即液壓用戶的流量需求，而不同飛行階段單個液壓用戶的流量需求以及各用戶間流量需求組合情況也不同。此外，液壓能源系統(tǒng)的壓力損失與液壓油的黏度以及系統(tǒng)管路的管徑、長度相關。飛機液壓能源系統(tǒng)的液壓油類型相對統(tǒng)一，性能計算時黏度一般選用系統(tǒng)最低全性能工作溫度進行分析。系統(tǒng)管路的管徑以及長度取決于飛機液壓管路的布置情況以及液壓系統(tǒng)性能計算分析結果。因此，液壓能源系統(tǒng)用戶可用壓力的計算首先需要對液壓能源系統(tǒng)用戶進行流量需求統(tǒng)計，基于統(tǒng)計計算結果分析液壓能源系統(tǒng)中的壓力損失，進而分析各用戶的可用壓力，基于可用壓力計算結果，分析各用戶流量壓力需求的滿足情況以及用戶的性能，進而進行系統(tǒng)管徑以及管路布置的優(yōu)化。

3 飛機液壓能源系統(tǒng)用戶流量需求建模

飛機的液壓用戶包括飛行控制系統(tǒng)、高升力系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)以及反推力系統(tǒng)等。本文基于AMESim液壓模塊,通過控制可變節(jié)流孔實現(xiàn)對液壓用戶流量需求模擬，如圖1所示。通過控制三位四通伺服閥與作動筒組合來實現(xiàn)擾流板需求的模擬，三位四通伺服閥控制擾流板的開啟與關閉，作動筒上施加相應的氣動載荷，作動筒相應參數(shù)按設計參數(shù)設置。擾流板流量需求子模型如圖2所示。

圖1 主舵面流量需求子模型

圖2 擾流板流量需求子模型

4 飛機液壓能源系統(tǒng)建模

本文基于AMESim模塊中恒壓變量電動泵模擬發(fā)動機驅動泵，以及備用電動泵，基于泵流量壓力特性曲線進行參數(shù)設置。運用AMESim軟件中C-R管路模型，并基于某型飛機管路實際布置情況，進行了管路長度與管徑的設置?？紤]到飛機上液壓管路的不規(guī)則，因此通過增加液壓油黏度來模擬部分管路的局部壓力損失。飛機某子系統(tǒng)模型如圖3所示。

5 飛機液壓能源系統(tǒng)用戶可用壓力仿真計算

基于以上仿真分析模型，分析著陸階段液壓能源系統(tǒng)用戶流量需求以及可用壓力。模擬著陸階段過程為：0～1.5s僅為該子系統(tǒng)液壓用戶的內泄漏流量需求；1.5s后假設飛機處于進場狀態(tài)，副翼、升降舵以及方向舵組合運動，系統(tǒng)流量需求增加；3.0s時飛機主機輪著地并展開擾流板。著陸階段單個液壓用戶的流量需求詳見表1。經仿真分析，該飛行階段泵的輸出流量以及壓力如圖4所示，各液壓用戶流量需求仿真結果如圖5所示，對應的各液壓用戶入口可用壓力以及出口回油壓力仿真結果如圖6、圖7所示。由圖4、圖5可以看出,1.5～3.0s液壓能源系統(tǒng)的流量需求為18.9L/min，系統(tǒng)工作壓力在193bar以上。3.0s時飛機著陸擾流板展開，系統(tǒng)流量需求瞬間進一步增大，達到83.3L/min，各用戶可用壓力快速下降，右5#擾流板離泵源最遠，其可用工作壓力最低，為158.6bar。由仿真分析結果可知：各用戶在著陸階段的可用壓力可以滿足相應用戶流量與壓力設計需求，并可以根據(jù)計算結果的余量相應優(yōu)化部分液壓管路管徑以及管路布置，提高系統(tǒng)使用效率，降低系統(tǒng)質量。

圖3 某子系統(tǒng)模型圖

表1 著陸階段液壓用戶流量需求表

圖4 著陸階段泵出口壓力及流量曲線

圖5 著陸階段各液壓用戶流量需求曲線

圖6 著陸階段各液壓用戶入口可用壓力曲線

6 結束語

本文對飛機液壓能源系統(tǒng)中的壓力損失情況進行了分析與總結，并基于AMESim軟件分析了典型階段飛機液壓能源系統(tǒng)中壓力損失，計算出液壓能源系統(tǒng)用戶可用壓力。用戶可用壓力結果表明,目前該機型液壓能源系統(tǒng)性能能滿足液壓用戶的設計需求。本文實現(xiàn)了運用仿真軟件對飛機液壓能源系統(tǒng)用戶的可用壓力仿真計算，仿真計算能夠更全面及時地了解飛機液壓能源系統(tǒng)性能狀態(tài)，今后擬通過試驗數(shù)據(jù)對該模型進行進一步驗算與修正。

圖7 著陸階段各液壓用戶出口回油壓力曲線

[1] 酈正能．基于 AMESim 的某型飛機武器艙門液壓系統(tǒng)設計與仿真分析[D]．南京：南京航空航天大學，2009.

[2] 王占林．飛機高壓液壓能源系統(tǒng)[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3] 李艷軍．飛機液壓傳動與控制[M]．北京：科學出版社，2009.

[4] 郭軍，吳亞峰，儲妮晟.AMESim仿真技術在飛機液壓系統(tǒng)中的應用[J].計算機輔助工程，2006，15(2)：42-45.

TheSimulationofPressureAvailabletotheUserinAircraftHydraulicEnergySystemBasedonAMESim

XIA Heming,WANG Hongxin

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai, 210201, China)

It analyzes the theory of pressure loss in aircraft hydraulic power system, builds the model of the aircraft hydraulic users based on AMESim system. Based on the simulation models, it describes the tubing pressure loss of each user in typical flight phase. The simulation models can be used to analyze the pressure and performance of hydraulic users.

Hydraulic Performance Simulation

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.005

2014-05-23

夏鶴鳴(1983—)，男，江蘇如皋人，上海飛機設計研究院工程師，碩士，主要從事民用飛機液壓能源系統(tǒng)的設計工作。

V37

A

2095-509X(2014)07-0020-04