基于AMESim飞机液压能源系统用户可用压力仿真计算

夏鹤鸣，王鸿鑫

(上海飞机设计研究院，上海 210201)

基于AMESim飞机液压能源系统用户可用压力仿真计算

夏鹤鸣，王鸿鑫

(上海飞机设计研究院，上海 210201)

对飞机液压能源系统中存在的压力损失进行了理论分析，并运用AMESim软件建立了飞机液压能源系统元件、管路以及用户的流量压降模型。基于仿真模型对典型飞行阶段液压能源系统各用户支路的压力损失进行仿真计算。该仿真分析模型可用于飞机液压能源系统用户可用压力计算。

液压;性能;仿真

第二次世界大战以来，液压技术在飞机上得到了广泛的应用[1]，直至今日液压能源系统仍然是飞机上最有效动力源，为飞行控制系统、高升力系统、起落架系统以及反推力系统等负载提供动力，是飞机的二次能源之一[2]，在保证飞机的飞行安全上有着非常重要的地位[3]。飞机液压用户可用压力计算是飞机液压能源系统设计的重要组成部分，其计算结果是飞行控制系统的重要设计输入。

AMESim软件是专门用于机械液压系统建模、仿真及动力学分析，并能够面向工程交互设计的可视化仿真软件[4]，其中液压系统建模库中有大量常用的液压元件、液压源和液压管路等模型。该软件在建立液压系统数字模型的过程中充分考虑到液压油的物理特性和液压元件的非线性特性。本文基于AMESim软件建立飞机液压能源系统元件、管路以及用户流量压降模型，并进行了飞机液压能源系统中压力损失计算。

1 飞机液压能源系统的组成

为保证飞机安全可靠工作，大型民用飞机液压能源系统一般由3套(或3套以上)相互独立的液压能源子系统组成，为飞机液压用户提供动力。每套液压能源子系统由液压泵、液压油箱、液压管路、蓄能器、油滤以及液压用户等装置组成。其中液压泵主要包括作为主液压泵的发动机驱动泵，作为应急泵的电动泵；液压用户主要包括液压作动筒、液压马达、液压作动器以及助力器等。

2 飞机液压能源系统中的压力损失

飞机液压能源系统中的压力损失主要包括沿程压力损失和局部压力损失。沿程压力损失是液体流经直管中的压力损失，而局部压力损失是液体流经管径突变或管路突然弯曲等局部地方的压力损失。

a.沿程压力损失。

液压油在管路中流动与管路内壁发生摩擦，造成沿程压力损失，而液压能源系统管路遍布整个飞机，管路长且数量多，因此飞机液压能源系统管路的沿程压力损失是液压能源系统主要压力损失之一，沿程压力损失ΔPy计算如下：

(1)

式中：Re为液体雷诺数；l为管路长度；d为管路直径；γ为液体运动黏度；ν为液体流速。

b.局部压力损失。

液压油流经管路的弯头、接头、突然变化的截面以及阀口等处时，流速的大小和方向将发生急剧变化，产生漩涡，并发生强烈的紊动现象，形成局部压力损失，而飞机中液压能源系统管路管径变化多，走向不规则，管路弯曲、弯头以及变径接头众多。因此，飞机液压能源系统中的局部压力损失也是液压能源系统主要压力损失之一，局部压力损失ΔPr计算如下：

(2)

式中：ξ为局部阻力系数。

c.油滤的压差特性。

液压油流经油滤时，由于过滤介质对液压油的阻力，因而在油滤进出口之间产生一定的压差。一般计算公式如下：

(3)

式中：δ为过滤介质的厚度；η为流体动力黏度；Q为流经过滤器介质的流量；a为过滤介质的透气性；A为过滤介质的有效面积。

基于以上分析可知，飞机液压能源系统中的压力损失主要来源于液压能源系统中管路的沿程压力损失、局部压力损失以及相关元件的压力损失。根据计算公式(1)、(2)、(3)可知，液压能源系统的压力损失主要与液压油流速相关。液压油流速取决于液压用户运动的设计需求，即液压用户的流量需求，而不同飞行阶段单个液压用户的流量需求以及各用户间流量需求组合情况也不同。此外，液压能源系统的压力损失与液压油的黏度以及系统管路的管径、长度相关。飞机液压能源系统的液压油类型相对统一，性能计算时黏度一般选用系统最低全性能工作温度进行分析。系统管路的管径以及长度取决于飞机液压管路的布置情况以及液压系统性能计算分析结果。因此，液压能源系统用户可用压力的计算首先需要对液压能源系统用户进行流量需求统计，基于统计计算结果分析液压能源系统中的压力损失，进而分析各用户的可用压力，基于可用压力计算结果，分析各用户流量压力需求的满足情况以及用户的性能，进而进行系统管径以及管路布置的优化。

3 飞机液压能源系统用户流量需求建模

飞机的液压用户包括飞行控制系统、高升力系统、起落架系统以及反推力系统等。本文基于AMESim液压模块,通过控制可变节流孔实现对液压用户流量需求模拟，如图1所示。通过控制三位四通伺服阀与作动筒组合来实现扰流板需求的模拟，三位四通伺服阀控制扰流板的开启与关闭，作动筒上施加相应的气动载荷，作动筒相应参数按设计参数设置。扰流板流量需求子模型如图2所示。

图1 主舵面流量需求子模型

图2 扰流板流量需求子模型

4 飞机液压能源系统建模

本文基于AMESim模块中恒压变量电动泵模拟发动机驱动泵，以及备用电动泵，基于泵流量压力特性曲线进行参数设置。运用AMESim软件中C-R管路模型，并基于某型飞机管路实际布置情况，进行了管路长度与管径的设置。考虑到飞机上液压管路的不规则，因此通过增加液压油黏度来模拟部分管路的局部压力损失。飞机某子系统模型如图3所示。

5 飞机液压能源系统用户可用压力仿真计算

基于以上仿真分析模型，分析着陆阶段液压能源系统用户流量需求以及可用压力。模拟着陆阶段过程为：0～1.5s仅为该子系统液压用户的内泄漏流量需求；1.5s后假设飞机处于进场状态，副翼、升降舵以及方向舵组合运动，系统流量需求增加；3.0s时飞机主机轮着地并展开扰流板。着陆阶段单个液压用户的流量需求详见表1。经仿真分析，该飞行阶段泵的输出流量以及压力如图4所示，各液压用户流量需求仿真结果如图5所示，对应的各液压用户入口可用压力以及出口回油压力仿真结果如图6、图7所示。由图4、图5可以看出,1.5～3.0s液压能源系统的流量需求为18.9L/min，系统工作压力在193bar以上。3.0s时飞机着陆扰流板展开，系统流量需求瞬间进一步增大，达到83.3L/min，各用户可用压力快速下降，右5#扰流板离泵源最远，其可用工作压力最低，为158.6bar。由仿真分析结果可知：各用户在着陆阶段的可用压力可以满足相应用户流量与压力设计需求，并可以根据计算结果的余量相应优化部分液压管路管径以及管路布置，提高系统使用效率，降低系统质量。

图3 某子系统模型图

表1 着陆阶段液压用户流量需求表

图4 着陆阶段泵出口压力及流量曲线

图5 着陆阶段各液压用户流量需求曲线

图6 着陆阶段各液压用户入口可用压力曲线

6 结束语

本文对飞机液压能源系统中的压力损失情况进行了分析与总结，并基于AMESim软件分析了典型阶段飞机液压能源系统中压力损失，计算出液压能源系统用户可用压力。用户可用压力结果表明,目前该机型液压能源系统性能能满足液压用户的设计需求。本文实现了运用仿真软件对飞机液压能源系统用户的可用压力仿真计算，仿真计算能够更全面及时地了解飞机液压能源系统性能状态，今后拟通过试验数据对该模型进行进一步验算与修正。

图7 着陆阶段各液压用户出口回油压力曲线

[1] 郦正能．基于 AMESim 的某型飞机武器舱门液压系统设计与仿真分析[D]．南京：南京航空航天大学，2009.

[2] 王占林．飞机高压液压能源系统[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[3] 李艳军．飞机液压传动与控制[M]．北京：科学出版社，2009.

[4] 郭军，吴亚峰，储妮晟.AMESim仿真技术在飞机液压系统中的应用[J].计算机辅助工程，2006，15(2)：42-45.

TheSimulationofPressureAvailabletotheUserinAircraftHydraulicEnergySystemBasedonAMESim

XIA Heming,WANG Hongxin

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai, 210201, China)

It analyzes the theory of pressure loss in aircraft hydraulic power system, builds the model of the aircraft hydraulic users based on AMESim system. Based on the simulation models, it describes the tubing pressure loss of each user in typical flight phase. The simulation models can be used to analyze the pressure and performance of hydraulic users.

Hydraulic Performance Simulation

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.005

2014-05-23

夏鹤鸣(1983—)，男，江苏如皋人，上海飞机设计研究院工程师，硕士，主要从事民用飞机液压能源系统的设计工作。

V37

A

2095-509X(2014)07-0020-04