基于AMESim的民航飞机液压供应系统的设计与优化分析外文翻译资料

 2022-11-04 04:11

基于AMESim的民航飞机液压供应系统的设计与优化分析

摘要

液压供油系统建模与仿真已成为民用飞机液压系统设计与分析的关键手段。 基于AMESim软件,建立了液压供应系统仿真模型。 然后对整个液压系统设计过程进行了模拟分析,包括系统结构和方案设计,液压系统和设备参数分配,以及试验验证,以确保液压系统最完美的性能。 从设计到测试的过程中,使用的AMESim仿真可以大大缩短开发时间,降低成本和风险。

一 引言

液压供油系统作为民用飞机的关键系统之一,其主要目的是为飞行控制系统,高升程系统,起落架控制系统和制动器提供液压动力,以此控制飞机。 液压供油系统的工作能力和性能将直接影响民用飞机的安全性和可靠性。对液压供应系统进行高效、准确的分析和验证,来确认系统能否满足飞机和系统的水平要求,已经成为整个设计过程的关注点,也是我们必须面对的一个新课题。

对于液压供应系统的分析和验证,传统方法主要是依靠经验设计系统和设备,然后建立实际的测试平台,以确认系统性能,如地面试验台和飞行试验。仅仅依靠经验和测试,很难实现最佳的系统性能,并且要花费大量的时间和成本。

随着计算机的广泛应用,在民用飞机液压供应系统的整个设计过程中,计算机模拟技术得到了快速发展。在本文中,构建了液压系统AMESim仿真模型,分析了系统开发过程中的一些典型工作条件,以验证系统的容量和性能。在系统方案设计和确认期间,可以使用AMESim仿真确认系统方案,使结构可以实现预期的功能和性能。在液压系统和设备参数分配期间,AMESim仿真可用于系统和设备参数优化,以确保最佳的系统性能。在测试验证期间,AMESim仿真可用于突破测试环境的极限,并确认在极端工作条件下液压供应系统性能。AMESim仿真在液压供应系统的整体设计寿命中,可以大大缩短开发周期,降低设计成本和风险。

二 液压模拟与民用飞机液压供给系统简介

A、液压模拟技术

随着计算机技术、控制理论和建模方法的不断发展,液压系统仿真技术在最近的一段时间内不断完善。模拟软件包括DSHplus,MATLAB / Simulink,Hopsan,EASY5和AMESim已被广泛应用于液压供应系统的分析与仿真。

液压模拟技术在液压系统的设计分析,优化,参数匹配和要求验证过程中起到了“先知”的作用,已成为整个液压系统设计过程中必不可少的实用技术。

B、AMESim软件介绍

用于执行工程系统仿真的高级建模环境(简称“AMESim”)是一种用于建模,分析和预测汽车,飞机,发动机等许多机械系统性能的商业模拟模型。 大量图书馆被用于描述和分析系统,包括控制,电气,力学,液压,热液压和航空航天。

C、民用飞机液压供应系统

通常,民用飞机液压供应系统使用3个独立系统来确保满足遥控自动驾驶仪飞行控制系统所需的安全目标,如图1所示。 液压系统设计用于在正常的飞机运行和环境条件下,使用泵和蓄能器的组合来满足所有用户的流量需求。 每个系统由主泵,备用泵电动泵(简称“EMP”)或动力传输单元(简称“PTU”),系统蓄能器,自举油箱,流体过滤和必要的控制阀组成。 每个系统与其他系统独立,不会发生流体混合。

图1 典型的民用飞机液压供给系统

液压系统的设计工作压力为20.7 MPa,最大瞬态系统压力应低于25.9 MPa。 该系统设计为在-40至135℃的温度范围内工作,并在-7至107的流体温度范围内提供完整的性能。

三 液压系统设计过程中典型的AMESIM模拟

在整个液压供应系统结构设计,系统和设备参数分配,试验验证过程中,AMESim仿真已得到广泛应用,确保了液压系统最完美的性能。

A、系统结构设计

在整个液压的供应系统结构设计,系统和设备参数分配,试验验证过程中,AMESim仿真已得到广泛应用,确保了液压系统最完美的性能。

系统2#的备用泵有两种类型。 一些飞机使用EMP和PTU作为系统2#的备用泵。 其他飞机只使用PTU,也符合本文所示的系统结构。

通常,PTU是用于将流体动力从系统1#传送到系统2#而不在系统之间共享流体的固定位移的非定向装置。 PTU由两个固定位移,轴向活塞旋转组,液压马达和泵组成,由传动轴连接。

对于本文的系统结构,PTU有两个目的。 一是在运行主发动机驱动泵的地面维护状况下,然后系统1#备用泵EMP 1B和PTU将开始工作。 EMP 1B将提供足够的流体动力来驱动PTU的电机侧,然后PTU泵侧将从系统2#油箱吸入液压油,并向控制系统2#用户提供液压动力以进行地面维护。 在这种情况下,液压用户的最小可接受压差为10.5MPa。

同时,在其他飞行任务情况下,备用PTU仅在系统2#主泵或右侧发动机发生故障后才能运行。 PTU需要在12.5 MPa时提供至少55 l / min的液压流量来驱动起落架系统和其他液压用户。

应进行贸易研究,以确定本文的系统方案和结构是否符合要求。 在AMESim的帮助下,建立了PTU工作模拟模型,如图2所示。 舵手执行器,典型的高流量需求液压用户被选择来分析地面维护期间的系统性能。 地面维护中PTU性能的仿真结果如图3和图4所示。 仿真结果表明,方向舵执行器的压差为12.5 MPa,超过最小压力要求10.5 MPa。

图2 PTU性能AMESim仿真模型

图3 PTU地面维护期间的系统压力性能

图4 PTU地面维护期间的系统流量性能

在飞行任务中PTU性能的仿真结果如图5和图6所示。 模拟结果表明,PTU在系统2#主泵故障或右发动机故障3秒内启动,PTU可在12.8 MPa的排放压力下提供601 / min的稳定流量, 可以达到飞行任务的最低性能要求。 PTU是提供足够的地面维护和飞行任务的电缆.

AMESim仿真有助于确认当前的PTU方案是否能够满足预期的要求。

图5 飞行任务期间的系统压力性能

图6 飞行任务期间的系统流性能

B、系统与设备参数匹配

同时,AMESim仿真技术将对系统和设备参数分布有很大的帮助,特别是系统的动态性能。

所有3个液压系统在高升力系统和起落架系统之前的压力回路中具有优先阀,如图1所示。 该阀在系统峰值流量需求期间关闭起落架系统和高升程系统的流量,为飞行控制系统和制动系统提供流量优先权,这对飞行控制至关重要。

优先阀示意图如图7所示。 优先阀是简单的在线设备,并且控制作为入口压力的函数的流体流动。 当入口压力大于16.5 MPa时,阀门将完全打开。 当入口压力降至14.5MPa以下时,阀门开始关闭,只有在14MPa时完全关闭时允许出口处有小的泄漏流量。

优先阀,液压油管尺寸和液压用户位置之间的参数匹配对液压供应系统的动态性能有重要影响。 如果优先阀,油管尺寸和管长度不匹配,则会发生称为“液压冲击”的瞬时高压以及管道振动。 液压冲击的极端压力将大于允许的瞬态系统压力要求的25.9 MPa,对液压系统造成巨大的危害。 当液压冲击发生时,液压系统将承受高频液压负荷,液压执行机构的使用寿命将大大减少,疲劳损伤[3]〜[6]

图7 系统优先阀示意图

为了分析液压冲击的影响因素,建立了AMESim模型,如图8所示。 然后分析优先阀开裂时间,管径和管长度的影响,实现最佳的系统性能。

图8 系统1#AMESim仿真模型

图9系统的压力分析结果表明,优先阀在入口压力为16.5 MPa时打开,最终系统压力稳定在20.7 MPa。 在优先阀门打开的时刻,优先阀和下游液压用户之间的连接管端部将存在瞬时高压。

图9 系统压力分析结果

液压冲击中打开时间对最大瞬态压力的影响如图10所示。 模拟结果表明,打开时间对系统最大压力至关重要。 液压冲击时打开时间与最大压力呈正相关。 开启时间为23 ms,最大压力为28.15 MPa,相当于正常压力20.7 MPa的1.36倍,超过允许的瞬态系统压力要求25.9 MPa。 在系统和设备参数分配期间,应设计较大的开启时间,以降低液压冲击。

图10 打开时间对流体动力学冲击的影响

用于民用飞机液压系统的管直径在飞机制造公司中几乎是通用的。 管径对最大压力的影响如图11所示。 模拟结果表明,较大的直径将大大降低最大压力。 此外,更大的直径将对具有较低管道压降的液压用户的可用差压有好处,问题是超重问题。 在系统和设备参数分配期间,应考虑液压冲击和重量的影响,以实现最佳的系统性能。

图11 管径对流体动力学冲击的影响

管长对最大压力的影响如图12所示。 较短的管长度在某种程度上对液压冲击的最大压力有好处。 但不幸的是,管长度受限于优先阀和液压用户的位置。

图12 管长对水动力冲击的影响

从仿真结果和分析,更大的打开时间,管径越大,管长越短大大降低了系统的最大压力。 AMESim仿真技术有助于参数化分配液压系统实现最佳系统性能。

C、扩大测试验证,并确认终极工作环境中的系统性能

民航液压系统设计用于在一定温度和高度剖面范围内提供预期的功能和性能。 在测试验证期间,进行了许多地面测试和飞行测试,以验证系统容量。 但测试环境往往有一些限制,不能覆盖最终的工作环境要求。

因此,AMESim仿真非常有用,所以在液压系统试验验证期间被广泛应用。 准确的仿真模型通过试验证据验证,确定的仿真模型有助于拓宽测试环境,并确定最终工作环境下的系统性能。

典型的地面扰流板测试用例用于描述模拟技术的作用。 左右翼对称顶部位置安装有两个地面扰流板,如图13所示。 选择3位4通电磁换向阀,以控制地面扰流器在接地情况下的快速部署。 然后地面扰流板可以大大减少机翼的升力,并提供足够的阻力来减缓速度和缩短民用飞机的着陆距离。

在典型的飞行任务中,液压供油系统的流体温度受到空气温度(巡航高度为-40)以及泵机械效率和压力损失产生的液压内部热量的影响,流体温度终于达到动态 平衡。 即使在极端寒冷的日子,液体温度也会高于-7℃。 对于电梯,副翼,方向舵和高升力系统,电动液压伺服阀用于控制执行器的运动。 由于底板电液伺服阀的静态泄漏处于中位,伺服阀和执行器之间的连接管相当短,连接管中的流体温度几乎与系统温度相同,高于-7℃。

对于地面扰流器的控制方式,选择了3位4通电磁换向阀,以便在接地情况下只需1秒即可控制两台地面扰流板的部署。电磁阀几乎没有泄漏,连接管相当长。因此,较暖的系统流体不能传达极端的冷气温度-40,而地面扰流管中的流体将处于冷浸。此外,螺线管与两个独立的地面扰流器执行器之间的连接管长度相当长并且不完全一致,因此左右地面扰流板的部署时间将不同。民用飞机液压系统中常用的SKYDROL LD-4的运动粘度在-7℃时为51cSt,最低全液压温度为354 cSt,-40℃为最终工作液温度。较低的温度将直接影响部署时间,并加剧两个地面扰流板的非同步问题。

图13 管厚度对流体动力学冲击的影响

已经进行了许多地面试验,包括铁鸟试验,以确定地面扰流器的部署性能。 但考虑到铁鸟的限制,只能在室温40℃测试数据。 左侧扰流板的部署时间为0.339秒,右侧地面扰流板的时间为0.343秒,如图15所示。 40℃的测试数据可以满足部署时间和同步的要求。 但考虑到地面扰流器的实际工作温度,室温下的测试数据不能直接用于确定-40℃的部署性能。

在AMESim的帮助下,建立了地面扰流板的仿真模型,然后对室温和-40℃时的系统性能进行了模拟分析,如图14所示。 准确的模拟模型可以通过室温试验证明来验证。然后根据经过验证的仿真模型对-40℃时的系统性能进行仿真,如图16所示。从仿真结果可以看出,左侧扰流板的布置时间为0.918s,右侧地面扰流板在实际工作温度为-40℃时为0.943s。 可以满足部署时间和同步的要求,并且可以确认当前的系统设计方案。

图14 地面扰流板的仿真模型

图15 地面扰流板在40℃的延伸过程

图16 地面扰流板在-40°的延伸过程

四 结论

本文建立了民用飞机液压供给系统的AMESim仿真模型,仿真结果有助于确定系统方案设计,系统设备参数分布和测试验证,实现最佳系统性能。 从设计到测试的设计过程中使用的AMESim仿真可以大大缩短开发时间,降低成本和风险。

五 文献摘要

[1] X. H. Liu, J, S, Chen, “Application of AMESim in the design and analysis of hydraulic system”, Chinese hydraulics and pneumatics, vol 11, pp 1-6, 2015.

[2] J. Guo, Y. F. Wu, N, S, Chu, “Application of AMESim in aircraft hydraulic system”, Computer aided engineering, vol 2, pp 42-45, 2006.

[3] Y. Wei, X. Q. Wang, “Cushion measures of hydraulic impact in aeroplane hydraulic systems”, Fluid Power Transmission and Control, vol. 4, pp. 49-51, 2011.

[4]

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