基于AMESim的飛機液壓系統仿真技術的應用研究

李巍

摘要：現代飛行器中幾乎全部的節能與釋放能量系統都是由液壓驅動的，對飛行器中液壓控制系統的需求也愈來愈高。在飛機液壓控制系統的設計中，傳統的工程設計方式首先通過設計者的專業知識和經驗，并考慮了結構參數及其對系統動作特征產生的影響。但隨著電腦仿真技術的進展，數值模擬已經能夠在工程控制系統方案設計中直接模擬實際控制系統的動作特征。數字計算機模擬技術已廣泛應用于飛機液壓系統的設計、開發和改進中。

Abstract： Almost all energy-saving and energy-releasing systems in modern aircraft are driven by hydraulic pressure， and the demand for hydraulic control systems in aircraft is also increasing. In the design of the aircraft hydraulic control system， the traditional engineering design method firstly adopts the designer's professional knowledge and experience， and considers the structural parameters and their influence on the action characteristics of the system. However， with the development of computer simulation technology， numerical simulation has been able to directly simulate the action characteristics of the actual control system in the design of the engineering control system. Digital computer simulation technology has been widely used in the design， development and improvement of aircraft hydraulic systems.

關鍵詞：飛機液壓系統;仿真技術;建模;飛機起落架;現狀分析

Key words： aircraft hydraulic system;simulation technology;modeling;aircraft landing gear;status analysis

中圖分類號：V262.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0233-03

0 ?引言

由于需要改裝飛機，原空調系統由油壓系統驅動。液壓系統是飛機的主要控制系統，具有高度的安全性和機動性。更換液壓系統不會影響原有液壓系統的性能。更換系統：飛機的油壓泵和空調泵安裝在左右發動機的輔助傳動機構上，這就是為什么旁通管從兩個主油壓泵的輸出中抽出，空調系統通過將控制閥連接到發動機機油壓力來驅動。因為飛機在飛行和著陸過程中通常是高效的液壓系統，液壓系統對飛機的操縱性和安全性有重大影響。在更換液壓系統之前，有必要確定仿真是否影響液壓系統的操作和安全。由于液壓系統的輸出性能不同，用于計算液壓系統的最大輸出狀態。如果液壓系統現在可以正常工作，則認為校正成功。隨著計算機技術的發展，數字計算機模擬已成為一種重要手段，計算機仿真必須具備兩個主要條件。首先，仿真模型創建并仿真數學模型，以準確描述液壓系統的動態性能。目前，隨著流體力學的發展，現代控制理論、算法理論和可靠性理論，特別是計算機技術，液壓仿真技術也在迅速發展并日趨成熟，目前國外共有全自動、hopneo、 EASY5、 ADAMS/Hydrolography、 Matlab/Simulink、

simulzd、dsplus、20sim、AMESim等。AMESim軟件是一款基于Bon Chart的液壓/機械系統建模、仿真和動態分析軟件，由imaging 1995發布。該軟件包括imaging technology，這是一種強大的投影工具，系統分析與工程應用。

1 ?AMESim的飛機液壓系統仿真技術現狀

1.1 液壓系統仿真技術

經過幾十年的研發，液壓系統仿真技術積累了許多寶貴的經驗，始于1950年代。此時，漢普（1953）和南丁格爾（1957）分別對液壓系統進行了動態性能分析。此時，采用經典控制理論中的傳遞函數方法，在一定范圍內具有獨特的優點。不僅能夠反映時域分析的系統特征，并且還可以在一定頻率區間中，功能參數也直接和系統特性相關。另外，在系統過去多年的發展中形成的系統規范也十分完備，是成熟、簡單、適用廣泛的系統方案，并一直被人們普遍采用。但是，由于這些方案僅限于線性系統，因此需要線性化非線性的控制系統。今天，該方法主要應用在單輸入、單出口和零初始條件。由于液壓壓力系統的很多非線條元件，限制了利用轉移函數方法分析的動態特征。在一九七零年代初期，世界各國都進行了液壓控制系統和元件的電腦數字模擬研制。一九七三年，美國俄克拉荷馬學院成功研制了和液壓及壓力技術領域直接有關的模擬軟件系統hydsim程序，它能夠實現動態特性的數字模擬運算，數據輸入更加復雜。一九七零年代后期，人們通過研究液壓流體力學，控制理論，優化設計，仿真，計算機技術，以及其他領域，尤其是計算機技術的實際應用，已經能夠利用理論或實踐方法構建液壓控制系統的高解析數學模型。并通過計算機仿真，優化設計有關數值，從而預測控制系統特性，為液壓控制系統工程設計提供了有力的工具。從一九七零年代后期至今，西歐和美國相繼開發了許多具有高精度、高速和簡便功能的各種液壓系統的靜態和動態特性的通用模擬軟件。

1.2 AMEsim液壓系統建模

液壓控制系統的組成部分主要由四大部分構成：電源、執行機、控制調整設備以及輔助設備，在電源設備當中，液壓泵是最常用的動力裝置。執行機構和裝置的液壓缸，使液壓發動機所控制的液壓能量轉化為機械能。換向閥和其他壓力/流量控制/方向調節/油缸、濾清器、油管，以及輔助導熱體。在日常使用的液壓控制系統的建模過程則主要分為以下四個過程，在AMSIM應用庫中，對液壓控制系統壓力調節的仿真建模主要基于液壓管壓力庫，液壓元件庫和信號庫。液壓壓力控制是指控制整個或部分液壓系統壓力的回路。本實用新型由液壓壓力控制回路、放電回路、平衡回路、壓力平衡回路和減壓回路組成，壓力控制回路是壓力管路中最重要的回路，因此，在壓力控制回路中先導閥的配置調整為時鐘先導閥的配置，主采集原理主要由先導閥和主閥組成，遠程控制口K位于主閥的左腔室。主進料和先導閥上的系統壓力。如果先導閥未打開，腔室中的液體不會流動，并影響主進料的上下壓力平衡。主進料由主彈簧按壓，關閉閥門連接。當系統壓力升高且先導閥打開時，線圈上端的壓力高于下端的壓力。主閥根據壓差向下移動并打開，溢流壓力可通過調節先導閥的彈簧壓力調節器進行調節。在分析控制滴管閥的結構和工作原理后，美國軟件建模的具體步驟如下：要構建液壓壓力開關，包括液壓缸液壓和負載，選擇液壓存儲模塊。在草圖模式結束時，在子模型模式中，單擊工具欄中的子模型模式，進入子模型模式。該模型主要用于為每個組件選擇合適的數學假設。在這一步中，檢查模型嵌入方案的合理性。通常，系統的標準子模式具有強大的數學建模程序和特殊功能要求。模式參數：模式參數主要用于定義特定的參數，在此模式下設置的參數數據必須與內置液壓系統的實際參數相對應。在此模式下，液壓系統需要特定的理論基礎。但是，液壓媒體的參數設置不包含任何文檔。首先選擇介質油壓參數模式圖標，然后選擇介質屬性和輔助模式。最后，根據所用流體的特征值設置參數，完成調整后的機油壓力介質。給出了含95%水和納米材料的水產品的參數。關鍵是模擬結果。其合理性決定了模擬的可靠性。在“操作參數”對話框中，可以指定開始時間、結束時間、通信間隔，設定仿真的最大運行時間和誤差限制，對仿真結果進行仿真和分析。

1.3 該軟件具有的特點

①圖形物理建模可以讓用戶從數學建模中解放自己，并聚焦于物理系統本身的設計。②智能求解器可以根據用戶構建的模型的數學特性自動選擇17種算法中的最佳集成算法，并動態切換集成算法，積分步驟可以在不同的模擬時間根據系統特性來調整。縮短模擬時間，提高模擬精度。③仿真范圍廣，機械、液壓、空氣、熱學、電磁場上實現多個領域的建模和模擬，可以物理上直接連接不同領域的模塊。④基本元素概念確保用戶可以以較少為單位盡可能地構建多個系統。⑤AmeSet向用戶提供標準化、標準化、圖形化的二次開發平臺。⑥保留數理方程水平，框圖水平，基本元素水平的建模方法，并且根據每個特征和專業知識，不同的用戶可以綜合選擇獨特的建模方法和多種方法。⑦線性化分析工具（系統特征值解、板線圖、尼科爾線圖、尼克斯特線圖、根軌跡分析等）提供模態分析工具、快速傅立葉變換FFT、順序分析、光譜圖等。并且，用戶分析他們自己的系統，促進優化的模型簡化工具。⑧動態模擬，穩態模擬，不連續模擬，批量模擬的多模擬操作模式。⑨控制軟件接口，多維軟件接口，3dvirtual lab motion，3dvirtual，編程語言接口，實時仿真接口，提供豐富的接口，例如優化工具界面。

2 ?AMESim的飛機液壓系統仿真技術的應用研究

2.1 飛機液壓系統的構成

飛機液壓系統由兩個系統組成，這種類型的飛機液壓系統包括兩個獨立的系統：主要液壓系統和制動液壓系統。主要的液壓系統通常用于撤回著陸裝置，使之后退。并打開包廂門，關閉，控制前擋風刷，控制前擋風刷制動液壓系統，用于控制制動器（包括通常的制動和緊急制動）;當主要的液壓系統不能正常供應壓力時，它還可以用來撤消、后退潛水艇框架，緊急時關閉包廂門。飛機油壓系統的工作狀態可以分為地面起飛、飛行和著陸等幾個階段。在接地鐵環階段，液壓系統主要用于工作縱向前輪旋轉和制動系統。在空中飛行階段，液壓系統主要用于操作發射前玻璃刷和切換艙門。起降時，主要使用將著陸齒輪輕壓后后退的液壓系統。由于牽引著陸裝置后退所需的巨大動力，容易導致液壓系統的輸出不足，能夠使飛行中的著陸齒輪后退并后退，影響飛機的安全性能。在這項研究中，以開工階段為調查對象，研究了修正液壓系統的操縱性和可靠性。

2.2 前起落架收放系統的工作原理

飛機著陸后，使著陸裝置下降的工作如下。高壓液壓首先進入解鎖界面，推上活塞打開著陸齒輪的鎖鉤。鎖解除后，活塞打開液壓電路，高壓通過解鎖使活塞下降前方的運轉齒輪。同時，啟動齒輪致動器鎖通過螺線管閥返回到油箱。上下移動時，在液壓、自重、空氣壓力的聯合作用下，當執行機活塞磨損或移動至最后時，易與外筒產生撞擊。所以，在致動器的出口設有單向節氣門閥，當油由致動器排出時形成較大的液壓阻力，因而減小齒輪的下降速率和沖擊。

現場起落架的運輸順槽超前支架結構特點：

①運輸順槽超前液壓支架采用為左右兩架一組、兩組一套結構型式，各組支架結構形式相同;

②每組支架由鉸接前梁、頂梁、上連桿、底座、前后連桿、立柱、推移千斤頂等組成，上連桿、前后連桿和底座之間構成一個四連桿機構，保證了支架的穩定性，同側支架前后底座之間連接推移千斤頂，實現支架邁步式向前移動;

③單組支架結構特點：

1）采用支撐掩護式結構型式;

2）轉載機安裝在兩個底座的中間;

3）頂梁為鉸接結構，帶中間梁;

4）頂梁安裝有護頂板，對頂板進行防護并保證行人安全;

5）左右架頂梁之間配置與推移步距相適應的調架千斤頂，使得支架具有防倒調直功能;

6）底座前端設計為船頭形式，以防止推移鉆底，并適應底板起伏變化。

使用的結構件鋼板均為厚度系列均選用GB709-88熱軋鋼板尺寸系列中常用優選規格如見表1，支架結構件使用Q690高強度板比例不低于10%，Q550高強板比例不少于70%，Q460高強度板比例為20%。

2.3 液壓系統收放起落架的性能要求

液壓系統正常工作時，液壓泵處于卸載狀態，液壓系統的壓力維持在15MPa，油通過孔口返回，液壓壓泵自身的潤滑及散熱得以維持。當開關處于中性位置時，油電路在被切斷的下降位置處，在著陸齒輪下降的退避位置處，著陸齒輪后退。在正常的著陸齒輪釋放過程中，系統要求如下：系統的壓力首先從最大減小到7～8MPa，然后隨著著陸齒輪的釋放而逐漸增加。當壓力達到13MPa時，必須完全配置著陸齒輪。此時，油已經進入回收、釋放致動器，系統壓力急速上升至15MPa。通常著陸裝置的下降時間不超過45秒。在著陸裝置正常后退期間，系統要求如下：按下收縮按鈕，系統壓力從最大減小到7～8MPa。由于著陸傳動輪的后退，系統氣壓逐漸增加。當氣壓超過13MPa時，啟動的齒輪后退。此時，油不再進入后退的致動器，系統氣壓迅速增加至15MPa。著陸設備的正常后退時間和系統電壓的改變仍然在規定范圍之內。但是，水力控制系統必須43秒才能修復在預定性能參數的下限處一直存在的著陸傳動齒輪。由于液壓泵的性能老化泄漏量增加，如果輸出油降低的話，就會造成飛下車機的正常降落時間超時，嚴重危害航空器的操縱特性，成為航空安全的隱患。為保證航空器的可靠性和空中穩定性，在正常保養中做好檢測。發現液壓泵性能下降時，維修或更新液壓泵。或考慮改變液壓泵，提高液壓泵的輸出功率，保證飛機的操作性，減少潛在安全隱患。

2.4 武器艙門液壓系統的方案設計

隨著先進的空中武器和飛機設計要求的出現，現代戰斗機的武器裝備系統逐漸優化。因此，當戰斗機在空中戰斗，轟炸機扔下炸彈時，必須打開武器的艙門并放下武器。武器艙門的開閉在流場引起復雜的變化，不同場所的武器艙門的空氣動力學負荷隨流場的變化而變化。武器艙門開閉過程中不均勻的空氣動力學會對武器艙門的正常開閉產生非常惡劣的影響。根據飛機的構造要求，在其任務期間，必須設計一套液壓系統來完成武器艙門的開閉動作。飛機油壓系統由三個獨立的油壓系統組成：左側一般系統、右側通用系統和飛行控制系統以及手泵電泵系統。左右一般油壓系統都有自己的油箱、油泵和分配配飾。左右的一般油壓系統可以獨立啟動各致動器，工作油返回工作后的各油箱。左右通用系統可在待機時作為緊急運轉使用，并通過通信開關連接。手泵電泵可以用于操作地面的各個部分。在空中作為緊急時的待機系統使用。左邊的一般系統由兩個液壓泵驅動，工作壓力為15.2±0.49MPa。左側系統的功能是在操作著陸齒輪、車輪緊急剎車、自動剎車和起飛線靜態剎車上陸齒輪、緊急控制升壓器和電梯升壓器等時關閉。右邊一般的系統是由油壓泵供給的，工作壓力為15.2±0.49MPa。右面一般系統的功能是，通常的輪轂、剎車、緊急剎車、發動機停止，打開前艙的緊急艙口，撤回襟翼和緊急著陸齒輪，撤回降落齒輪艙口等。

2.5 未來展望

由于系統外部環境，管道布局等振動數據不足，模擬結果不能很好地反映系統的脈動壓力。波動壓力是系統瞬時壓力變化的表現。如果能將軟件與應用軟件組合起來，就可以提高系統模擬的精度。從理想氣流中測得的實驗數據中獲得系統負荷。但是，在飛機的實際飛行過程中，會產生各種氣候條件。在模擬分析過程中，應充分考慮由于氣流不穩定性引起的負載變化。油壓系統的壓力波動和波動應力是系統故障的主要原因之一。目前，準確分析和預測系統中的壓力脈動和脈動應力是困難的，國內外這個領域的研究主要通過大量時間的實驗來驗證。因此，通過模擬軟件和理論研究來預測液壓系統的壓力脈動和脈動應力的方法是液壓系統分析的方向之一。

3 ?小結

①amesim以良好的效果和簡單的方法提供仿真方法。應用amesim圖形建模方法可以避免麻煩的公式推導。仿真結果令人滿意，與實驗結果基本一致。

②為了設定模型部件的參數值，通過使用AMEsim的批處理功能，為了促進系統參數的優化，可以在不同的設定值下設定模擬結果。因此，在以飛機的油壓系統為首的各種領域，Amesim模擬技術被越來越廣泛使用。從上面的AmeSim建模和模擬過程可以得出，軟件的基本步驟很簡單，不過，如果想要進行真正的結構預測，仿真實際的系統也是相當不容易的事。在仿真油壓體系的情形下，不但系統整個結構的數學模型，同時對每組分子模型中的結構參數，也起著決定性的影響。很難合理地設置這些參數。所以，在模擬鏈路中，設定參數，分析結果和校正參數都是很關鍵的。

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