某型應急能源系統(tǒng)收放作動裝置聯合仿真

彭佑君，盧岳良，杜 鑫

(航空工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106)

引言

某型應急能源系統(tǒng)用于在緊急情況下為飛機提供應急電能和應急液壓能[1]，收放作動裝置是該系統(tǒng)的收放機構。當飛機正常飛行時，收放作動裝置將該系統(tǒng)可靠鎖定在回收狀態(tài)；當飛機遭遇緊急情況時，裝置觸發(fā)解鎖展開電信號，使該系統(tǒng)迅速展開至工作位置，為飛機提供應急能源[2-3]。

AMESim是目前液壓系統(tǒng)設計的主流軟件之一，利用圖形化的方式描述系統(tǒng)中各元件的相互關系，能夠直觀反映各元件間的負載效應及系統(tǒng)中功率流動情形，實現液壓泵、液壓馬達、液壓作動器等液壓/機械產品建模、仿真、動態(tài)特性分析和優(yōu)化設計[4]。

ADAMS提供的可選模塊能夠將機械部件、液壓、氣動及控制系統(tǒng)等技術集成在一起，用于構建航空航天產品、汽車工程等試驗虛擬樣機，同時具有開放性程序結構和多種接口，可與先進的CAD軟件(UG，PRO/E)以及CAE軟件(AMESim，ANSYS)進行數據交換[5-6]。

本研究分別采用液壓系統(tǒng)計算機仿真技術和虛擬樣機聯合仿真技術，構建了基于AMESim的收放作動裝置液壓系統(tǒng)仿真模型和基于ADAMS的該型能源系統(tǒng)整機動力學模型，并以兩模型為基礎，構建了更貼近真實工況的裝置虛擬樣機聯合仿真模型[7]，同時得到了240 km/h飛行空速下裝置帶載展開的動態(tài)仿真結果，并通過風洞試驗室完成該空速下的裝置展開性能試驗。仿真結果和試驗結果對比分析，有利于裝置的后續(xù)改進設計等工作。

1 裝置建模

1.1 裝置原理簡介

裝置外形如圖1所示，裝置原理圖如圖2所示，飛機正常飛行時，裝置承受一定的壓縮彈簧力，處于收起狀態(tài)裝載在機艙內，并由回收鎖定機構鎖定。其中，安裝座組件位于裝置尾端，通過前端關節(jié)軸承與飛機上的掛點相連接；前接桿組件位于裝置前端，通過尾端關節(jié)軸承與能源系統(tǒng)的其他部件相連[8-9]。

圖1 某型能源系統(tǒng)收放作動裝置外形圖Fig.1 Outline drawing of actuator in a energy system

當飛機遭遇緊急情況時，飛行員通過計算機自動或手動觸發(fā)收放作動裝置展開電信號，控制裝置內部回收鎖定機構完成機械解鎖。隨后，內缸在展開彈簧的預壓縮力作用下，克服艙門阻力、作用在艙門上的氣動力及摩擦力等向左移動伸出。內缸與活塞桿之間的腔體V1體積不斷減小，其間的油液通過活塞桿壁上的阻尼孔系和回收控制閥等結構排放到液壓系統(tǒng)的低壓油路中；內缸無桿腔V2和外缸與活塞桿之間的腔體V3體積不斷增大，低壓油路中的油液流入V2和V3腔體進行補充[10]。

在裝置展開末程，隨著活塞桿壁上阻尼孔系流通面積的逐漸減少，內缸與活塞桿腔體內油液排油阻尼不斷增大，同時展開彈簧彈力減弱，使展開動作呈現緩沖狀態(tài)。在裝置展開到位瞬間，內缸內部的右側端面與活塞桿左側端面接觸限位，同時展開鎖定機構完成裝置的展開鎖定，使能源系統(tǒng)的渦輪頭穩(wěn)定在工作姿態(tài)，輸出穩(wěn)定的應急電能和液壓能[11]。

1.2 裝置建模

1) 基于AMESim的裝置液壓系統(tǒng)建模

考慮到模型復雜性和分析目標，對模型做合理的簡化：建模時主要考慮裝置從內缸開始動作(開始展開)到內缸右側端面與活塞桿左側端面接觸限位(展開到位)的動態(tài)過程；由于電磁鐵吸合時間、位置鎖定機構動作時間極短，在建模過程中不予考慮。

基于AMESim的裝置液壓系統(tǒng)仿真模型如圖3所示，選擇模型庫中相應元件在草圖模式(Sketch Mode)中搭建裝置液壓系統(tǒng)模型。在建模過程中考慮裝置展開時內部各腔體的體積變化，使用HCD庫中的BRP13，BRP14，BAP11子模型模擬內缸、外缸的腔體體積變化過程；同時用HC00，HC01固定腔體模型、BHC11可變腔體模型、OR0000阻尼孔模型、TK000低壓油箱模型等完成液壓油路的建模[12-16]。

圖3 基于AMESim的裝置液壓系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Hydraulic system simulation model of device based on AMESim

在液壓緩沖功能的建模上，通過裝置實時位移和阻尼孔系位置進行比較，控制可變阻尼孔子模型VOR000的開閉[17]。

需注意的是，該模型僅重點考慮了裝置液壓系統(tǒng)建模，但外負載載荷譜僅作為已知條件輸入模型，并未通過仿真計算進行細致考慮，因而不能完全得到裝置真實展開工況下的仿真結果。因此，需要以該模型為基礎，從該能源系統(tǒng)整體性角度分析，優(yōu)化仿真研究方法，實現實際工況下的仿真分析。

2) 基于ADAMS的裝置動力學模型建模

某型能源系統(tǒng)整機三維模型如圖4所示，由于該型能源系統(tǒng)的零部件數量過多，本研究對模型進行合理簡化，選取系統(tǒng)外殼部位的主要零部件導入ADAMS，再參照系統(tǒng)整機不同位置的質量分布情況，根據質心不變原則對ADAMS中的相關零部件質量重新賦值，使之接近真實情況，從而達到構建簡化三維模型的目的[4]，在ADAMS中經簡化后的系統(tǒng)三維模型如圖5所示。

圖4 UG中的該型能源系統(tǒng)整機三維模型Fig.4 3D model of energy system in UG

圖5 ADAMS中經簡化后的系統(tǒng)整機三維模型Fig.5 Simplified 3D model of energy system in ADAMS

系統(tǒng)模型構件創(chuàng)建后，需定義構件間的連接方式和相對運動方式，通過設置各種約束來限制和建立系統(tǒng)釋放時各個構件間的相對運動關系，使之組成能夠運動的機械系統(tǒng)。

接下來，在相關運動副和構件上施加載荷。從收放作動裝置內部考慮，裝置在展開過程中受到展開彈簧的彈力和來自液壓系統(tǒng)的液壓油阻尼力，因此在ADAMS中分別設置拉壓彈簧阻尼器彈力載荷和液壓阻尼力載荷，如圖6所示；從裝置外部考慮，在動態(tài)展開過程中，前接桿直接受到系統(tǒng)整機的外負載力。外負載力由系統(tǒng)整機的重力、裝置展開時的氣動力組成。由于篇幅有限，本研究僅選取飛行空速240 km/h時基于Fluent得到的系統(tǒng)不同展開角度下渦輪頭受到的氣流軸向推力作為氣動載荷，重力作為已知量輸入模型。

圖6 ADAMS中模型載荷設置Fig.6 Model load setting in ADAMS

在ADAMS/View環(huán)境下創(chuàng)建的能源系統(tǒng)整機動力學模型如圖7所示?；贏DAMS的系統(tǒng)動力學模型雖然能夠對系統(tǒng)收放作動裝置展開過程中外負載端的受力情況進行較為準確的計算仿真，但由于ADAMS本身并不擅長進行液壓管路的建模，所以對液壓阻尼力的計算只能交由不夠準確的經驗公式或參考公式完成，因而該模型并不能充分考慮裝置實際展開過程[18-19]。

圖7 ADAMS中的能源系統(tǒng)整機動力學模型Fig.7 Dynamic model of energy system in ADAMS

接下來，將構建基于AMESim和ADAMS的裝置虛擬樣機聯合仿真模型，優(yōu)化仿真研究方法，實現裝置實際工況下的建模仿真。

3) 裝置虛擬樣機聯合仿真模型建模

首先，需明確AMESim中的液壓模型和ADAMS中的動力學模型中需進行數據交換的變量。本研究將裝置展開時ADAMS中內缸等展開機構的動態(tài)速度和動態(tài)位移輸出到裝置AMESim液壓模型中，同時AMESim模型向ADAMS模型輸出內缸與活塞桿高壓腔體中產生的動態(tài)液壓阻尼力，AMESim和ADAMS模型間輸入輸出關系如圖8所示。

圖8 AMESim和ADAMS間模型輸入輸出關系Fig.8 Model input and output relationships between AMESim and ADAMS

根據上述分析，對裝置AMESim模型和裝置ADAMS模型分別進行修改，建立聯合仿真所需的接口模塊并完成相關設置。在ADAMS中通過“Simulation-Simulate-Run a Scripted Simulation”，在彈出的“Simulation

Control”對話框中運行仿真。該型能源系統(tǒng)展開過程如圖9所示。

圖9 聯合仿真中該型能源系統(tǒng)展開過程Fig.9 Release process of energy system in co-simulation

2 仿真結果與分析

在240 km/h空速下，考慮氣動力、重力等外部條件，得出收放作動裝置展開過程的仿真結果如下：

能源系統(tǒng)整機受到的氣動力F與時間t關系曲線如圖10所示，開始展開時，系統(tǒng)所受氣動力較??；在展開末程，隨著系統(tǒng)接近釋放到位，渦輪頭高速旋轉，氣動力急劇增加。

圖10 系統(tǒng)整機所受氣動力-時間曲線Fig.10 Aerodynamic force-time curve of system

內缸位移s與時間t曲線如圖11所示，裝置展開時間為0.76 s。在展開末程，隨著內缸與活塞桿腔體內油液排油阻尼不斷增大，同時展開彈簧彈力減弱，位移增速變慢，展開過程出現緩沖效果。

圖11 內缸位移-展開時間曲線

內缸高壓腔壓力p與展開時間t曲線如圖12所示，開始展開時，內缸運動速度和加速度不斷提升，由于阻尼孔流通面積的限制，內缸高壓腔產生背壓，壓力峰值約為12.5 MPa；在展開末程，由于氣動載荷對裝置展開的影響和阻尼孔系的流通面積減小，內缸高壓腔壓力增加，使裝置展開呈現緩沖效果，壓力峰值約為17.5 MPa。

圖12 內缸高壓腔壓力-展開時間曲線

內缸高壓腔體液壓阻尼力F1與時間t曲線如圖13所示，裝置展開末程時的液壓阻尼力迅速增大，瞬時峰值約為7000 N，對裝置起到明顯的緩沖作用。

圖13 內缸高壓腔阻尼力-時間曲線Fig.13 Damping force-release time curve of inner cylinder high pressure chamber

內缸高壓腔體流量Q與時間t曲線如圖14所示，開始展開時，隨著內缸速度的增加，流量迅速增加，流量峰值約為50 L/min，隨后流量減小且變化趨緩。在展開末程，隨著阻尼孔的流通面積不斷減小，流量隨之下降。

圖14 內缸高壓腔流量-時間曲線Fig.14 Flow rate-release time curve of inner cylinder high pressure chamber

3 試驗驗證

本研究通過風洞試驗室進行裝置展開性能試驗。在240 km/h風速下：

(1) 試驗中裝置的展開時間為0.81 s；

(2) 展開初期內缸高壓腔壓力峰值為11.7 MPa，流量峰值約為46.8 L/min；

(3) 展開末程內缸高壓腔壓力峰值為16.4 MPa，隨著阻尼孔的流通面積不斷減小，流量隨之下降。

通過仿真結果與試驗結果的對比，裝置展開仿真誤差為6.6%。

4 結論

在對該型應急能源系統(tǒng)收放作動裝置的研究分析上，本研究梳理了裝置釋放過程中各機構的動作過程和工作原理。

同時，采用液壓系統(tǒng)計算機仿真技術和虛擬樣機聯合仿真技術，構建了基于AMESim的裝置液壓系統(tǒng)仿真模型和基于ADAMS的系統(tǒng)整機動力學模型，并以兩模型為基礎，探索構建了同時汲取兩模型優(yōu)點的裝置虛擬樣機聯合仿真模型，得到了裝置展開過程中更接近實際工況的仿真分析結果。

在具體試驗驗證上，本研究通過風洞試驗室進行對應仿真模型的試驗驗證。通過試驗結果和仿真結果的對比分析，相對誤差均控制在較小范圍內，從而驗證了液壓系統(tǒng)仿真模型和聯合仿真模型的正確性。

本研究對該型能源系統(tǒng)收放作動裝置性能仿真平臺的建設工作具有一定的借鑒意義，有利于指導產品正向設計，減少相關同類產品的設計研制成本，縮短產品設計周期，符合企業(yè)降本增效的發(fā)展方向。