基于AMESim的飞机液压系统仿真技术的应用研究

李巍

摘要：现代飞行器中几乎全部的节能与释放能量系统都是由液压驱动的，对飞行器中液压控制系统的需求也愈来愈高。在飞机液压控制系统的设计中，传统的工程设计方式首先通过设计者的专业知识和经验，并考虑了结构参数及其对系统动作特征产生的影响。但随着电脑仿真技术的进展，数值模拟已经能够在工程控制系统方案设计中直接模拟实际控制系统的动作特征。数字计算机模拟技术已广泛应用于飞机液压系统的设计、开发和改进中。

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.

關键词：飞机液压系统;仿真技术;建模;飞机起落架;现状分析

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

中图分类号：V262.1                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0233-03

0  引言

由于需要改装飞机，原空调系统由油压系统驱动。液压系统是飞机的主要控制系统，具有高度的安全性和机动性。更换液压系统不会影响原有液压系统的性能。更换系统：飞机的油压泵和空调泵安装在左右发动机的辅助传动机构上，这就是为什么旁通管从两个主油压泵的输出中抽出，空调系统通过将控制阀连接到发动机机油压力来驱动。因为飞机在飞行和着陆过程中通常是高效的液压系统，液压系统对飞机的操纵性和安全性有重大影响。在更换液压系统之前，有必要确定仿真是否影响液压系统的操作和安全。由于液压系统的输出性能不同，用于计算液压系统的最大输出状态。如果液压系统现在可以正常工作，则认为校正成功。随着计算机技术的发展，数字计算机模拟已成为一种重要手段，计算机仿真必须具备两个主要条件。首先，仿真模型创建并仿真数学模型，以准确描述液压系统的动态性能。目前，随着流体力学的发展，现代控制理论、算法理论和可靠性理论，特别是计算机技术，液压仿真技术也在迅速发展并日趋成熟，目前国外共有全自动、hopneo、 EASY5、 ADAMS/Hydrolography、 Matlab/Simulink、

simulzd、dsplus、20sim、AMESim等。AMESim软件是一款基于Bon Chart的液压/机械系统建模、仿真和动态分析软件，由imaging 1995发布。该软件包括imaging technology，这是一种强大的投影工具，系统分析与工程应用。

1  AMESim的飞机液压系统仿真技术现状

1.1 液压系统仿真技术

经过几十年的研发，液压系统仿真技术积累了许多宝贵的经验，始于1950年代。此时，汉普（1953）和南丁格尔（1957）分别对液压系统进行了动态性能分析。此时，采用经典控制理论中的传递函数方法，在一定范围内具有独特的优点。不仅能够反映时域分析的系统特征，并且还可以在一定频率区间中，功能参数也直接和系统特性相关。另外，在系统过去多年的发展中形成的系统规范也十分完备，是成熟、简单、适用广泛的系统方案，并一直被人们普遍采用。但是，由于这些方案仅限于线性系统，因此需要线性化非线性的控制系统。今天，该方法主要应用在单输入、单出口和零初始条件。由于液压压力系统的很多非线条元件，限制了利用转移函数方法分析的动态特征。在一九七零年代初期，世界各国都进行了液压控制系统和元件的电脑数字模拟研制。一九七三年，美国俄克拉荷马学院成功研制了和液压及压力技术领域直接有关的模拟软件系统hydsim程序，它能够实现动态特性的数字模拟运算，数据输入更加复杂。一九七零年代后期，人们通过研究液压流体力学，控制理论，优化设计，仿真，计算机技术，以及其他领域，尤其是计算机技术的实际应用，已经能够利用理论或实践方法构建液压控制系统的高解析数学模型。并通过计算机仿真，优化设计有关数值，从而预测控制系统特性，为液压控制系统工程设计提供了有力的工具。从一九七零年代后期至今，西欧和美国相继开发了许多具有高精度、高速和简便功能的各种液压系统的静态和动态特性的通用模拟软件。

1.2 AMEsim液压系统建模

液压控制系统的组成部分主要由四大部分构成：电源、执行机、控制调整设备以及辅助设备，在电源设备当中，液压泵是最常用的动力装置。执行机构和装置的液压缸，使液压发动机所控制的液压能量转化为机械能。换向阀和其他压力/流量控制/方向调节/油缸、滤清器、油管，以及辅助导热体。在日常使用的液压控制系统的建模过程则主要分为以下四个过程，在AMSIM应用库中，对液压控制系统压力调节的仿真建模主要基于液压管压力库，液压元件库和信号库。液压压力控制是指控制整个或部分液压系统压力的回路。本实用新型由液压压力控制回路、放电回路、平衡回路、压力平衡回路和减压回路组成，压力控制回路是压力管路中最重要的回路，因此，在压力控制回路中先导阀的配置调整为时钟先导阀的配置，主采集原理主要由先导阀和主阀组成，远程控制口K位于主阀的左腔室。主进料和先导阀上的系统压力。如果先导阀未打开，腔室中的液体不会流动，并影响主进料的上下压力平衡。主进料由主弹簧按压，关闭阀门连接。当系统压力升高且先导阀打开时，线圈上端的压力高于下端的压力。主阀根据压差向下移动并打开，溢流压力可通过调节先导阀的弹簧压力调节器进行调节。在分析控制滴管阀的结构和工作原理后，美国软件建模的具体步骤如下：要构建液压压力开关，包括液压缸液压和负载，选择液压存储模块。在草图模式结束时，在子模型模式中，单击工具栏中的子模型模式，进入子模型模式。该模型主要用于为每个组件选择合适的数学假设。在这一步中，检查模型嵌入方案的合理性。通常，系统的标准子模式具有强大的数学建模程序和特殊功能要求。模式参数：模式参数主要用于定义特定的参数，在此模式下设置的参数数据必须与内置液压系统的实际参数相对应。在此模式下，液压系统需要特定的理论基础。但是，液压媒体的参数设置不包含任何文档。首先选择介质油压参数模式图标，然后选择介质属性和辅助模式。最后，根据所用流体的特征值设置参数，完成调整后的机油压力介质。给出了含95%水和纳米材料的水产品的参数。关键是模拟结果。其合理性决定了模拟的可靠性。在“操作参数”对话框中，可以指定开始时间、结束时间、通信间隔，设定仿真的最大运行时间和误差限制，对仿真结果进行仿真和分析。

1.3 该软件具有的特点

①图形物理建模可以让用户从数学建模中解放自己，并聚焦于物理系统本身的设计。②智能求解器可以根据用户构建的模型的数学特性自动选择17种算法中的最佳集成算法，并动态切换集成算法，积分步骤可以在不同的模拟时间根据系统特性来调整。缩短模拟时间，提高模拟精度。③仿真范围广，机械、液压、空气、热学、电磁场上实现多个领域的建模和模拟，可以物理上直接连接不同领域的模块。④基本元素概念确保用户可以以较少为单位尽可能地构建多个系统。⑤AmeSet向用户提供标准化、标准化、图形化的二次开发平台。⑥保留数理方程水平，框图水平，基本元素水平的建模方法，并且根据每个特征和专业知识，不同的用户可以综合选择独特的建模方法和多种方法。⑦线性化分析工具（系统特征值解、板线图、尼科尔线图、尼克斯特线图、根轨迹分析等）提供模态分析工具、快速傅立叶变换FFT、顺序分析、光谱图等。并且，用户分析他们自己的系统，促进优化的模型简化工具。⑧动态模拟，稳态模拟，不连续模拟，批量模拟的多模拟操作模式。⑨控制软件接口，多维软件接口，3dvirtual lab motion，3dvirtual，编程语言接口，实时仿真接口，提供丰富的接口，例如优化工具界面。

2  AMESim的飞机液压系统仿真技术的应用研究

2.1 飞机液压系统的构成

飞机液压系统由两个系统组成，这种类型的飞机液压系统包括两个独立的系统：主要液压系统和制动液压系统。主要的液压系统通常用于撤回着陆装置，使之后退。并打开包厢门，关闭，控制前挡风刷，控制前挡风刷制动液压系统，用于控制制动器（包括通常的制动和紧急制动）;当主要的液压系统不能正常供应压力时，它还可以用来撤消、后退潜水艇框架，紧急时关闭包厢门。飞机油壓系统的工作状态可以分为地面起飞、飞行和着陆等几个阶段。在接地铁环阶段，液压系统主要用于工作纵向前轮旋转和制动系统。在空中飞行阶段，液压系统主要用于操作发射前玻璃刷和切换舱门。起降时，主要使用将着陆齿轮轻压后后退的液压系统。由于牵引着陆装置后退所需的巨大动力，容易导致液压系统的输出不足，能够使飞行中的着陆齿轮后退并后退，影响飞机的安全性能。在这项研究中，以开工阶段为调查对象，研究了修正液压系统的操纵性和可靠性。

2.2 前起落架收放系统的工作原理

飞机着陆后，使着陆装置下降的工作如下。高压液压首先进入解锁界面，推上活塞打开着陆齿轮的锁钩。锁解除后，活塞打开液压电路，高压通过解锁使活塞下降前方的运转齿轮。同时，启动齿轮致动器锁通过螺线管阀返回到油箱。上下移动时，在液压、自重、空气压力的联合作用下，当执行机活塞磨损或移动至最后时，易与外筒产生撞击。所以，在致动器的出口设有单向节气门阀，当油由致动器排出时形成较大的液压阻力，因而减小齿轮的下降速率和冲击。

现场起落架的运输顺槽超前支架结构特点：

①运输顺槽超前液压支架采用为左右两架一组、两组一套结构型式，各组支架结构形式相同;

②每组支架由铰接前梁、顶梁、上连杆、底座、前后连杆、立柱、推移千斤顶等组成，上连杆、前后连杆和底座之间构成一个四连杆机构，保证了支架的稳定性，同侧支架前后底座之间连接推移千斤顶，实现支架迈步式向前移动;

③单组支架结构特点：

1）采用支撑掩护式结构型式;

2）转载机安装在两个底座的中间;

3）顶梁为铰接结构，带中间梁;

4）顶梁安装有护顶板，对顶板进行防护并保证行人安全;

5）左右架顶梁之间配置与推移步距相适应的调架千斤顶，使得支架具有防倒调直功能;

6）底座前端设计为船头形式，以防止推移钻底，并适应底板起伏变化。

使用的结构件钢板均为厚度系列均选用GB709-88热轧钢板尺寸系列中常用优选规格如见表1，支架结构件使用Q690高强度板比例不低于10%，Q550高强板比例不少于70%，Q460高强度板比例为20%。

2.3 液压系统收放起落架的性能要求

液压系统正常工作时，液压泵处于卸载状态，液压系统的压力维持在15MPa，油通过孔口返回，液压压泵自身的润滑及散热得以维持。当开关处于中性位置时，油电路在被切断的下降位置处，在着陆齿轮下降的退避位置处，着陆齿轮后退。在正常的着陆齿轮释放过程中，系统要求如下：系统的压力首先从最大减小到7～8MPa，然后随着着陆齿轮的释放而逐渐增加。当压力达到13MPa时，必须完全配置着陆齿轮。此时，油已经进入回收、释放致动器，系统压力急速上升至15MPa。通常着陆装置的下降时间不超过45秒。在着陆装置正常后退期间，系统要求如下：按下收缩按钮，系统压力从最大减小到7～8MPa。由于着陆传动轮的后退，系统气压逐渐增加。当气压超过13MPa时，启动的齿轮后退。此时，油不再进入后退的致动器，系统气压迅速增加至15MPa。着陆设备的正常后退时间和系统电压的改变仍然在规定范围之内。但是，水力控制系统必须43秒才能修复在预定性能参数的下限处一直存在的着陆传动齿轮。由于液压泵的性能老化泄漏量增加，如果输出油降低的话，就会造成飞下车机的正常降落时间超时，严重危害航空器的操纵特性，成为航空安全的隐患。为保证航空器的可靠性和空中稳定性，在正常保养中做好检测。发现液压泵性能下降时，维修或更新液压泵。或考虑改变液压泵，提高液压泵的输出功率，保证飞机的操作性，减少潜在安全隐患。

2.4 武器舱门液压系统的方案设计

随着先进的空中武器和飞机设计要求的出现，现代战斗机的武器装备系统逐渐优化。因此，当战斗机在空中战斗，轰炸机扔下炸弹时，必须打开武器的舱门并放下武器。武器舱门的开闭在流场引起复杂的变化，不同场所的武器舱门的空气动力学负荷随流场的变化而变化。武器舱门开闭过程中不均匀的空气动力学会对武器舱门的正常开闭产生非常恶劣的影响。根据飞机的构造要求，在其任务期间，必须设计一套液压系统来完成武器舱门的开闭动作。飞机油压系统由三个独立的油压系统组成：左侧一般系统、右侧通用系统和飞行控制系统以及手泵电泵系统。左右一般油压系统都有自己的油箱、油泵和分配配饰。左右的一般油压系统可以独立启动各致动器，工作油返回工作后的各油箱。左右通用系统可在待机时作为紧急运转使用，并通过通信开关连接。手泵电泵可以用于操作地面的各个部分。在空中作为紧急时的待机系统使用。左边的一般系统由两个液压泵驱动，工作压力为15.2±0.49MPa。左侧系统的功能是在操作着陆齿轮、车轮紧急刹车、自动刹车和起飞线静态刹车上陆齿轮、紧急控制升压器和电梯升压器等时关闭。右边一般的系统是由油压泵供给的，工作压力为15.2±0.49MPa。右面一般系统的功能是，通常的轮毂、刹车、紧急刹车、发动机停止，打开前舱的紧急舱口，撤回襟翼和紧急着陆齿轮，撤回降落齿轮舱口等。

2.5 未来展望

由于系统外部环境，管道布局等振动数据不足，模拟结果不能很好地反映系统的脉动压力。波动压力是系统瞬时压力变化的表现。如果能将软件与应用软件组合起来，就可以提高系统模拟的精度。从理想气流中测得的实验数据中获得系统负荷。但是，在飞机的实际飞行过程中，会产生各种气候条件。在模拟分析过程中，应充分考虑由于气流不稳定性引起的负载变化。油压系统的压力波动和波动应力是系统故障的主要原因之一。目前，准确分析和预测系统中的压力脉动和脉动应力是困难的，国内外这个领域的研究主要通过大量时间的实验来验证。因此，通过模拟软件和理论研究来预测液压系统的压力脉动和脉动应力的方法是液压系统分析的方向之一。

3  小结

①amesim以良好的效果和简单的方法提供仿真方法。应用amesim图形建模方法可以避免麻煩的公式推导。仿真结果令人满意，与实验结果基本一致。

②为了设定模型部件的参数值，通过使用AMEsim的批处理功能，为了促进系统参数的优化，可以在不同的设定值下设定模拟结果。因此，在以飞机的油压系统为首的各种领域，Amesim模拟技术被越来越广泛使用。从上面的AmeSim建模和模拟过程可以得出，软件的基本步骤很简单，不过，如果想要进行真正的结构预测，仿真实际的系统也是相当不容易的事。在仿真油压体系的情形下，不但系统整个结构的数学模型，同时对每组分子模型中的结构参数，也起着决定性的影响。很难合理地设置这些参数。所以，在模拟链路中，设定参数，分析结果和校正参数都是很关键的。

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