基于AMESim的某型飛機液壓系統(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的飛行品質(zhì)及任務(wù)完成。液壓系統(tǒng)流量及壓力動態(tài)特性是系統(tǒng)各組成零部件的關(guān)鍵技術(shù)指標。因而，系統(tǒng)原理方案設(shè)計階段需及時掌握系統(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)流量計算不能反映系統(tǒng)瞬時流量需求，即流量壓力動態(tài)特性，且沒有綜合考慮成附件對系統(tǒng)流量及壓力的影響。因而，需要憑借設(shè)計者的知識和經(jīng)驗用真實的成附件構(gòu)成一個動態(tài)系統(tǒng)，即飛機地面液壓試驗模擬器，以驗證系統(tǒng)流量及壓力特性的匹配性、合理性。但是在方案設(shè)計階段這項工作將花費大量人力、物力、財力，并且試驗周期較長。因此，本文采用AMESim軟件對液壓系統(tǒng)流量及壓力特性仿真分析，通過飛機地面模擬試驗數(shù)據(jù)驗證仿真模型的準確性，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化液壓系統(tǒng)方案。

1 軟件AMESim簡介

AMESim高級工程系統(tǒng)仿真環(huán)境軟件平臺是法國IMAGINE公司于1995年推出的圖形化的開發(fā)環(huán)境，為流體動力(流體及氣體)、機械、熱流體和控制系統(tǒng)提供一個完善、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、仿真和動態(tài)性能的分析。其仿真范圍廣，實現(xiàn)了多學科的機械、液壓、氣動、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行物理連接。同時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

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

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

3 液壓系統(tǒng)仿真

3.1 仿真模型對象分析

某型飛機液壓系統(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)動力源。液壓泵排量參數(shù)計算。液壓泵柱塞最大行程S按下式計算：

式中，D為柱塞旋轉(zhuǎn)直徑（為柱塞中心與傳動軸中心距離的兩倍），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按下式計算：

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

液壓泵轉(zhuǎn)速計算。液壓泵轉(zhuǎn)速N與發(fā)動機及其狀態(tài)有關(guān)，按下式計算：

式中，η為發(fā)動機轉(zhuǎn)速比；n0為發(fā)動機額定狀態(tài)轉(zhuǎn)速；i為發(fā)動機與液壓泵傳動比。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，需對各液壓作動裝置合理簡化，即負載模擬（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)最嚴酷剖面液壓作動裝置所受外界載荷、等效質(zhì)量和流量見表1。

表1 各液壓作動裝置所受外界載荷

3.2 仿真模型的創(chuàng)建

某飛行任務(wù)最嚴酷剖面液壓系統(tǒng)同時向平尾、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)的建模過程，需經(jīng)歷四個模式：草圖模式、子模型模式、參數(shù)定義模式和仿真模式。為了降低模型復雜度，根據(jù)研究對象，對液壓系統(tǒng)模型進行適當簡化，圖2所示為某型飛機液壓系統(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裝置驅(qū)動均使用速度閉環(huán)，采用積分、PID控制，超級元件包括作動模型和質(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算（單位為L/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)仿真模型對象分析，設(shè)置仿真模型參數(shù)值，運行液壓系統(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)處于建壓過程；在約（1.1～2）s之間，由于各液壓作動裝置還沒有動作，無流量需求，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，各液壓作動裝置復合動作，系統(tǒng)流量需求顯著增大，蓄壓器開始瞬時補充系統(tǒng)流量，因流量需求超過了液壓泵與蓄壓器輸出流量極限，導致前緣襟翼流量未達到需求值，且系統(tǒng)壓力連續(xù)下降至約8MPa，此時液壓系統(tǒng)將報低壓故障告警；在約3.9 s之后，蓄壓器幾乎喪失補油能力，出現(xiàn)高頻的流量波動，各液壓作動裝置流量發(fā)生變化（副翼甚至出現(xiàn)負流量），并出現(xiàn)流量波動。由此流量及壓力特性可知，某型飛機液壓系統(tǒng)無法滿足設(shè)計要求。

4 液壓系統(tǒng)仿真與試驗對比

為了驗證某型飛機液壓系統(tǒng)仿真模型流量及壓力特性的正確性，根據(jù)不同型飛機已有試驗數(shù)據(jù)，將模型仿真數(shù)據(jù)與該型飛機地面模擬試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，見表2所示，表中試驗數(shù)據(jù)由傳感器獲取。

表2 液壓系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比

從表2可知，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的液壓系統(tǒng)流量基本一致，系統(tǒng)壓力試驗數(shù)據(jù)為（16～18）MPa滿足設(shè)計要求，相對于仿真結(jié)果壓力20.6MPa存在一定差異。無論是試驗數(shù)據(jù)還是仿真結(jié)果均表明各液壓作動裝置流量負載滿足要求。由于軟件仿真時采用變步長，并非實時仿真，且未考慮系統(tǒng)響應頻率及帶寬影響，因而仿真系統(tǒng)沒有降壓，而地面試驗采用真實液壓泵，液壓泵在全流量工作時本身就存在一定壓降，并且試驗系統(tǒng)響應頻率及帶寬受液壓成附件、管路及其布局影響，溫度也會影響系統(tǒng)壓力，這將使得試驗系統(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的反映系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果。

5 某型飛機液壓系統(tǒng)優(yōu)化

上文通過仿真分析表明某型飛機液壓系統(tǒng)當前方案中液壓系統(tǒng)流量及壓力特性不滿足要求，因此需優(yōu)化改進系統(tǒng)方案設(shè)計。蓄壓器在液壓系統(tǒng)設(shè)計過程中發(fā)揮著瞬時補充系統(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)果見圖6～圖8。

6 結(jié)語

為了快速驗證某型飛機液壓系統(tǒng)方案設(shè)計的合理性，縮短設(shè)計周期，本文應用AMESim軟件，分析并建立了液壓系統(tǒng)仿真模型。通過與飛機地面模擬試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了仿真模型的準確性。同時，基于仿真模型優(yōu)化改進了液壓系統(tǒng)設(shè)計方案。

[1]秦家升.AMESIM軟件的特征及其應用[J].工程機械,2004.