基于AMESim的某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)仿真及優(yōu)化

周魏雄,邵明華，商 輝，焦奇峰，張賢錦

(航空工業(yè)洪都,江西 南昌 330024)

0 引言

液壓系統(tǒng)是飛機(jī)至關(guān)重要的功能系統(tǒng)，工作性質(zhì)的好壞直接影響著飛機(jī)的飛行品質(zhì)及任務(wù)完成。液壓系統(tǒng)流量及壓力動(dòng)態(tài)特性是系統(tǒng)各組成零部件的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。因而，系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì)階段需及時(shí)掌握系統(tǒng)流量及壓力特性，以確定并優(yōu)化系統(tǒng)。傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)流量計(jì)算不能反映系統(tǒng)瞬時(shí)流量需求，即流量壓力動(dòng)態(tài)特性，且沒(méi)有綜合考慮成附件對(duì)系統(tǒng)流量及壓力的影響。因而，需要憑借設(shè)計(jì)者的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)用真實(shí)的成附件構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，即飛機(jī)地面液壓試驗(yàn)?zāi)M器，以驗(yàn)證系統(tǒng)流量及壓力特性的匹配性、合理性。但是在方案設(shè)計(jì)階段這項(xiàng)工作將花費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力，并且試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。因此，本文采用AMESim軟件對(duì)液壓系統(tǒng)流量及壓力特性仿真分析，通過(guò)飛機(jī)地面模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化液壓系統(tǒng)方案。

1 軟件AMESim簡(jiǎn)介

AMESim高級(jí)工程系統(tǒng)仿真環(huán)境軟件平臺(tái)是法國(guó)IMAGINE公司于1995年推出的圖形化的開(kāi)發(fā)環(huán)境，為流體動(dòng)力(流體及氣體)、機(jī)械、熱流體和控制系統(tǒng)提供一個(gè)完善、優(yōu)越的仿真環(huán)境及最靈活的解決方案[1]。AMESim可以進(jìn)行系統(tǒng)仿真模型圖的建立、模型的選擇、參數(shù)的設(shè)定、仿真和動(dòng)態(tài)性能的分析。其仿真范圍廣，實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、熱、電和磁等領(lǐng)域的建模和仿真，且不同領(lǐng)域的模塊之間可直接進(jìn)行物理連接。同時(shí)提供了豐富的和其它軟件的接口，如 Matlab/Simulink、adams、Virtual Lab Motion等。

2 液壓系統(tǒng)功能原理

某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)包括多個(gè)子功能系統(tǒng)，在所有飛行狀態(tài)和地面工作狀態(tài)下，應(yīng)能向平尾操縱、方向舵操縱、副翼操縱和前緣襟翼操縱等液壓作動(dòng)裝置提供足夠流量及壓力，以完成飛機(jī)起飛、機(jī)動(dòng)、著陸、停機(jī)等所需的操縱功能。系統(tǒng)功能圖如圖1所示。

經(jīng)分析，某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)工作中最嚴(yán)酷剖面為某飛行任務(wù)剖面，該剖面發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較小，副翼、方向舵、平尾、前緣襟翼等飛行控制系統(tǒng)液壓作動(dòng)裝置復(fù)合動(dòng)作。因此本文分析此剖面液壓系統(tǒng)流量及壓力特性，以驗(yàn)證某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)能否滿足要求。

3 液壓系統(tǒng)仿真

3.1 仿真模型對(duì)象分析

某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)主要包括液壓泵、安全閥、單向閥、蓄壓器、伺服閥等成附件。液壓泵為斜盤式柱塞變量液壓泵，為液壓系統(tǒng)動(dòng)力源。液壓泵排量參數(shù)計(jì)算。液壓泵柱塞最大行程S按下式計(jì)算：

式中，D為柱塞旋轉(zhuǎn)直徑（為柱塞中心與傳動(dòng)軸中心距離的兩倍），其值為59mm；θ為斜盤最大偏轉(zhuǎn)角，其值為15°。代入數(shù)值，可得行程S為15.8mm。

液壓泵排量displ按下式計(jì)算：

式中，d為柱塞直徑，其值為15.2mm；n為液壓泵柱塞個(gè)數(shù)，其值為9。代入數(shù)值，排量displ計(jì)算取值25 cc/rev。

液壓泵轉(zhuǎn)速計(jì)算。液壓泵轉(zhuǎn)速N與發(fā)動(dòng)機(jī)及其狀態(tài)有關(guān)，按下式計(jì)算：

式中，η為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比；n0為發(fā)動(dòng)機(jī)額定狀態(tài)轉(zhuǎn)速；i為發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵傳動(dòng)比。代入數(shù)值，液壓泵轉(zhuǎn)速N取值2610.4r/min。

構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型時(shí)，需對(duì)各液壓作動(dòng)裝置合理簡(jiǎn)化，即負(fù)載模擬（主要包含等效外載荷、等效質(zhì)量和流量需求等）。某飛行任務(wù)最嚴(yán)酷剖面液壓作動(dòng)裝置所受外界載荷、等效質(zhì)量和流量見(jiàn)表1。

表1 各液壓作動(dòng)裝置所受外界載荷

3.2 仿真模型的創(chuàng)建

某飛行任務(wù)最嚴(yán)酷剖面液壓系統(tǒng)同時(shí)向平尾、副翼、方向舵、前襟操縱供壓，系統(tǒng)流量需求最大，因此應(yīng)用AMESim軟件構(gòu)建液壓系統(tǒng)流量及壓力特性仿真模型。在AMESim中系統(tǒng)的建模過(guò)程，需經(jīng)歷四個(gè)模式：草圖模式、子模型模式、參數(shù)定義模式和仿真模式。為了降低模型復(fù)雜度，根據(jù)研究對(duì)象，對(duì)液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，圖2所示為某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型。

模型中平尾、副翼、方向舵以及前緣襟翼等液壓作動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)均使用速度閉環(huán)，采用積分、PID控制，超級(jí)元件包括作動(dòng)模型和質(zhì)量塊模型。外界載荷、質(zhì)量賦值按表1所示。液壓系統(tǒng)內(nèi)漏模型使用可變節(jié)流閥負(fù)載模擬內(nèi)漏，采用PID以及函數(shù)控制，內(nèi)漏量取值為14.8L/min。蓄壓器模型遵守P·Vγ=常數(shù)，絕熱常數(shù)取值1.4，模型充氣壓力為6MPa，有效容積為1.5L。液壓泵模型為變量恒壓液壓泵，額定壓力為20.6MPa，液壓泵排量為25cc/rev，泵轉(zhuǎn)速為2610.4r/min，泵的名義流量按下式計(jì)算（單位為L(zhǎng)/min），式中speed為液壓泵轉(zhuǎn)速r/min；swash為變量調(diào)節(jié)因子。

3.3 液壓系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)仿真模型對(duì)象分析，設(shè)置仿真模型參數(shù)值，運(yùn)行液壓系統(tǒng)仿真模型，獲取液壓系統(tǒng)流量及壓力特性各結(jié)果曲線如圖3～圖5所示。

從上述仿真結(jié)果曲線分析，在該嚴(yán)酷飛行任務(wù)剖面約（0～1.1）s之間系統(tǒng)為蓄壓器充壓至最大值，液壓系統(tǒng)流量約為65L/min，系統(tǒng)處于建壓過(guò)程；在約（1.1～2）s之間，由于各液壓作動(dòng)裝置還沒(méi)有動(dòng)作，無(wú)流量需求，液壓系統(tǒng)流量下降并保持為內(nèi)漏量，系統(tǒng)壓力上升至額定壓力 20.6MPa；在約（2～3.9）s之間，各液壓作動(dòng)裝置復(fù)合動(dòng)作，系統(tǒng)流量需求顯著增大，蓄壓器開(kāi)始瞬時(shí)補(bǔ)充系統(tǒng)流量，因流量需求超過(guò)了液壓泵與蓄壓器輸出流量極限，導(dǎo)致前緣襟翼流量未達(dá)到需求值，且系統(tǒng)壓力連續(xù)下降至約8MPa，此時(shí)液壓系統(tǒng)將報(bào)低壓故障告警；在約3.9 s之后，蓄壓器幾乎喪失補(bǔ)油能力，出現(xiàn)高頻的流量波動(dòng)，各液壓作動(dòng)裝置流量發(fā)生變化（副翼甚至出現(xiàn)負(fù)流量），并出現(xiàn)流量波動(dòng)。由此流量及壓力特性可知，某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

4 液壓系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型流量及壓力特性的正確性，根據(jù)不同型飛機(jī)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將模型仿真數(shù)據(jù)與該型飛機(jī)地面模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表2所示，表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)由傳感器獲取。

表2 液壓系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表2可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的液壓系統(tǒng)流量基本一致，系統(tǒng)壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)為（16～18）MPa滿足設(shè)計(jì)要求，相對(duì)于仿真結(jié)果壓力20.6MPa存在一定差異。無(wú)論是試驗(yàn)數(shù)據(jù)還是仿真結(jié)果均表明各液壓作動(dòng)裝置流量負(fù)載滿足要求。由于軟件仿真時(shí)采用變步長(zhǎng)，并非實(shí)時(shí)仿真，且未考慮系統(tǒng)響應(yīng)頻率及帶寬影響，因而仿真系統(tǒng)沒(méi)有降壓，而地面試驗(yàn)采用真實(shí)液壓泵，液壓泵在全流量工作時(shí)本身就存在一定壓降，并且試驗(yàn)系統(tǒng)響應(yīng)頻率及帶寬受液壓成附件、管路及其布局影響，溫度也會(huì)影響系統(tǒng)壓力，這將使得試驗(yàn)系統(tǒng)出現(xiàn)一定的壓降現(xiàn)象。綜上所述液壓系統(tǒng)仿真模型能夠比較真實(shí)的反映系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果。

5 某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)優(yōu)化

上文通過(guò)仿真分析表明某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)當(dāng)前方案中液壓系統(tǒng)流量及壓力特性不滿足要求，因此需優(yōu)化改進(jìn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。蓄壓器在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)揮著瞬時(shí)補(bǔ)充系統(tǒng)流量的作用。仿真分析發(fā)現(xiàn)蓄壓器有效容積與充氣壓力對(duì)液壓系統(tǒng)流量及壓力特性有較大影響。蓄壓器原有效容積為1.5L，原充氣壓力為6MPa。優(yōu)化后蓄壓器有效容積為8L，充氣壓力為10.5MPa，液壓系統(tǒng)流量及壓力特性得到明顯改善，并滿足技術(shù)要求，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6～圖8。

6 結(jié)語(yǔ)

為了快速驗(yàn)證某型飛機(jī)液壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的合理性，縮短設(shè)計(jì)周期，本文應(yīng)用AMESim軟件，分析并建立了液壓系統(tǒng)仿真模型。通過(guò)與飛機(jī)地面模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)，基于仿真模型優(yōu)化改進(jìn)了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

[1]秦家升.AMESIM軟件的特征及其應(yīng)用[J].工程機(jī)械,2004.