基于AMESim的某型飞机液压系统仿真及优化

2017-02-06周魏雄邵明华焦奇峰张贤锦

教练机 2017年4期

周魏雄,邵明华，商辉，焦奇峰，张贤锦

(航空工业洪都,江西南昌 330024)

0 引言

液压系统是飞机至关重要的功能系统，工作性质的好坏直接影响着飞机的飞行品质及任务完成。液压系统流量及压力动态特性是系统各组成零部件的关键技术指标。因而，系统原理方案设计阶段需及时掌握系统流量及压力特性，以确定并优化系统。传统液压系统流量计算不能反映系统瞬时流量需求，即流量压力动态特性，且没有综合考虑成附件对系统流量及压力的影响。因而，需要凭借设计者的知识和经验用真实的成附件构成一个动态系统，即飞机地面液压试验模拟器，以验证系统流量及压力特性的匹配性、合理性。但是在方案设计阶段这项工作将花费大量人力、物力、财力，并且试验周期较长。因此，本文采用AMESim软件对液压系统流量及压力特性仿真分析，通过飞机地面模拟试验数据验证仿真模型的准确性，并在此基础上优化液压系统方案。

1 软件AMESim简介

AMESim高级工程系统仿真环境软件平台是法国IMAGINE公司于1995年推出的图形化的开发环境，为流体动力(流体及气体)、机械、热流体和控制系统提供一个完善、优越的仿真环境及最灵活的解决方案[1]。AMESim可以进行系统仿真模型图的建立、模型的选择、参数的设定、仿真和动态性能的分析。其仿真范围广，实现了多学科的机械、液压、气动、热、电和磁等领域的建模和仿真，且不同领域的模块之间可直接进行物理连接。同时提供了丰富的和其它软件的接口，如 Matlab/Simulink、adams、Virtual Lab Motion等。

2 液压系统功能原理

某型飞机液压系统包括多个子功能系统，在所有飞行状态和地面工作状态下，应能向平尾操纵、方向舵操纵、副翼操纵和前缘襟翼操纵等液压作动装置提供足够流量及压力，以完成飞机起飞、机动、着陆、停机等所需的操纵功能。系统功能图如图1所示。

经分析，某型飞机液压系统工作中最严酷剖面为某飞行任务剖面，该剖面发动机转速较小，副翼、方向舵、平尾、前缘襟翼等飞行控制系统液压作动装置复合动作。因此本文分析此剖面液压系统流量及压力特性，以验证某型飞机液压系统能否满足要求。

3 液压系统仿真

3.1 仿真模型对象分析

某型飞机液压系统主要包括液压泵、安全阀、单向阀、蓄压器、伺服阀等成附件。液压泵为斜盘式柱塞变量液压泵，为液压系统动力源。液压泵排量参数计算。液压泵柱塞最大行程S按下式计算：

式中，D为柱塞旋转直径（为柱塞中心与传动轴中心距离的两倍），其值为59mm；θ为斜盘最大偏转角，其值为15°。代入数值，可得行程S为15.8mm。

液压泵排量displ按下式计算：

式中，d为柱塞直径，其值为15.2mm；n为液压泵柱塞个数，其值为9。代入数值，排量displ计算取值25 cc/rev。

液压泵转速计算。液压泵转速N与发动机及其状态有关，按下式计算：

式中，η为发动机转速比；n0为发动机额定状态转速；i为发动机与液压泵传动比。代入数值，液压泵转速N取值2610.4r/min。

构建系统仿真模型时，需对各液压作动装置合理简化，即负载模拟（主要包含等效外载荷、等效质量和流量需求等）。某飞行任务最严酷剖面液压作动装置所受外界载荷、等效质量和流量见表1。

表1 各液压作动装置所受外界载荷

3.2 仿真模型的创建

某飞行任务最严酷剖面液压系统同时向平尾、副翼、方向舵、前襟操纵供压，系统流量需求最大，因此应用AMESim软件构建液压系统流量及压力特性仿真模型。在AMESim中系统的建模过程，需经历四个模式：草图模式、子模型模式、参数定义模式和仿真模式。为了降低模型复杂度，根据研究对象，对液压系统模型进行适当简化，图2所示为某型飞机液压系统仿真模型。

模型中平尾、副翼、方向舵以及前缘襟翼等液压作动装置驱动均使用速度闭环，采用积分、PID控制，超级元件包括作动模型和质量块模型。外界载荷、质量赋值按表1所示。液压系统内漏模型使用可变节流阀负载模拟内漏，采用PID以及函数控制，内漏量取值为14.8L/min。蓄压器模型遵守P·Vγ=常数，绝热常数取值1.4，模型充气压力为6MPa，有效容积为1.5L。液压泵模型为变量恒压液压泵，额定压力为20.6MPa，液压泵排量为25cc/rev，泵转速为2610.4r/min，泵的名义流量按下式计算（单位为L/min），式中speed为液压泵转速r/min；swash为变量调节因子。

3.3 液压系统仿真分析

根据仿真模型对象分析，设置仿真模型参数值，运行液压系统仿真模型，获取液压系统流量及压力特性各结果曲线如图3～图5所示。

从上述仿真结果曲线分析，在该严酷飞行任务剖面约（0～1.1）s之间系统为蓄压器充压至最大值，液压系统流量约为65L/min，系统处于建压过程；在约（1.1～2）s之间，由于各液压作动装置还没有动作，无流量需求，液压系统流量下降并保持为内漏量，系统压力上升至额定压力 20.6MPa；在约（2～3.9）s之间，各液压作动装置复合动作，系统流量需求显著增大，蓄压器开始瞬时补充系统流量，因流量需求超过了液压泵与蓄压器输出流量极限，导致前缘襟翼流量未达到需求值，且系统压力连续下降至约8MPa，此时液压系统将报低压故障告警；在约3.9 s之后，蓄压器几乎丧失补油能力，出现高频的流量波动，各液压作动装置流量发生变化（副翼甚至出现负流量），并出现流量波动。由此流量及压力特性可知，某型飞机液压系统无法满足设计要求。

4 液压系统仿真与试验对比

为了验证某型飞机液压系统仿真模型流量及压力特性的正确性，根据不同型飞机已有试验数据，将模型仿真数据与该型飞机地面模拟试验数据进行对比分析，见表2所示，表中试验数据由传感器获取。

表2 液压系统仿真数据与试验数据对比

从表2可知，仿真结果与试验数据的液压系统流量基本一致，系统压力试验数据为（16～18）MPa满足设计要求，相对于仿真结果压力20.6MPa存在一定差异。无论是试验数据还是仿真结果均表明各液压作动装置流量负载满足要求。由于软件仿真时采用变步长，并非实时仿真，且未考虑系统响应频率及带宽影响，因而仿真系统没有降压，而地面试验采用真实液压泵，液压泵在全流量工作时本身就存在一定压降，并且试验系统响应频率及带宽受液压成附件、管路及其布局影响，温度也会影响系统压力，这将使得试验系统出现一定的压降现象。综上所述液压系统仿真模型能够比较真实的反映系统设计结果。

5 某型飞机液压系统优化

上文通过仿真分析表明某型飞机液压系统当前方案中液压系统流量及压力特性不满足要求，因此需优化改进系统方案设计。蓄压器在液压系统设计过程中发挥着瞬时补充系统流量的作用。仿真分析发现蓄压器有效容积与充气压力对液压系统流量及压力特性有较大影响。蓄压器原有效容积为1.5L，原充气压力为6MPa。优化后蓄压器有效容积为8L，充气压力为10.5MPa，液压系统流量及压力特性得到明显改善，并满足技术要求，仿真结果见图6～图8。