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        民機(jī)防滑剎車特性分析

        2014-04-29 00:00:00鄒俊磊許鋒
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年2期

        摘 要:文章將聯(lián)合仿真技術(shù)應(yīng)用于民機(jī)防滑剎車研究,在LMS Virtual.Lab Motion軟件建立機(jī)身、起落架模型的全機(jī)模型, 聯(lián)合MATLAB/Simulink 軟件建立防滑控制系統(tǒng)模型,采用起落架落震分析的結(jié)果校核模型,然后對(duì)大型民機(jī)剎車運(yùn)動(dòng)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。結(jié)果表明,該仿真模型能夠準(zhǔn)確模擬飛機(jī)的剎車運(yùn)動(dòng),飛機(jī)在干跑道上進(jìn)行仿真得到了理想的剎車效果。

        關(guān)鍵詞:民機(jī);防滑剎車;聯(lián)合仿真

        引言

        飛機(jī)的起飛和著陸是飛機(jī)事故的多發(fā)階段,大量的統(tǒng)計(jì)表明有50%以上的安全事故發(fā)生在飛機(jī)起飛和著陸階段[1],剎車是飛機(jī)著陸階段中的一個(gè)重要過程。目前,飛機(jī)正向著大噸位、高速度、高可靠性的方向發(fā)展,并且著陸過程時(shí)間較短,其間會(huì)受到各種內(nèi)外因素的影響,為了保證飛機(jī)和機(jī)載人員的安全,對(duì)其剎車系統(tǒng)的剎車性能提出了更高的要求。大飛機(jī)工程是國家正在實(shí)施的一個(gè)戰(zhàn)略性大工程項(xiàng)目[2],其中防滑剎車技術(shù)的難題亟需深入研究和解決。因此對(duì)大型民機(jī)剎車性能進(jìn)行分析研究,形成一套具體成熟的研究方法及分析理論,對(duì)我國今后各型飛機(jī),尤其是大飛機(jī)設(shè)計(jì)研制方面具有重要意義。

        目前的虛擬樣機(jī)軟件工具大都集中在解決特定領(lǐng)域問題或某幾個(gè)領(lǐng)域問題。針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā),需要機(jī)械、動(dòng)力學(xué)、電子、控制和仿真等多領(lǐng)域的協(xié)同工作,想通過某個(gè)虛擬樣機(jī)軟件解決所有問題是不現(xiàn)實(shí)的。因此針對(duì)虛擬樣機(jī)建立面向不同對(duì)象的模型和進(jìn)行不同領(lǐng)域的協(xié)同仿真,就成為虛擬樣機(jī)當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[3,4,5]。

        本項(xiàng)目以某型民機(jī)為研究對(duì)象,利用LMS Virtual.Lab Motion軟件, 在三維空間內(nèi)建立帶有起落架的飛機(jī)模型,根據(jù)所建立飛機(jī)剎車系統(tǒng)和防滑控制算法數(shù)字仿真模型,通過數(shù)值分析軟件MATLAB/Simulink 建立了帶有PBM的PID飛機(jī)防滑剎車控制系統(tǒng)。進(jìn)行聯(lián)合仿真和分析。通過仿真結(jié)果,綜合分析和研究飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)性能,為防滑剎車系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參考。

        1 防滑剎車聯(lián)合仿真建模方法

        飛機(jī)防滑剎車聯(lián)合仿真分析以LMS Virtual.LAB Motion軟件的多體動(dòng)力學(xué)建模為核心,利用CATIA生成機(jī)身和起落架幾何模型,聯(lián)合MATLAB/Simulink 軟件建立防滑控制系統(tǒng)模型,進(jìn)行仿真分析,考察飛機(jī)防滑剎車特性。

        1.1 建立全機(jī)運(yùn)動(dòng)模型

        LMS Virtual.Lab Motion是一個(gè)多學(xué)科功能品質(zhì)工程平臺(tái),其優(yōu)異的性能、廣泛深入的行業(yè)解決方案、開放的平臺(tái),不斷對(duì)最新技術(shù)進(jìn)行拓展,使其成為新一代多體動(dòng)力學(xué)軟件的代表。

        建立全機(jī)模型步驟如下:

        (1)根據(jù)實(shí)際尺寸,在CATIA中生成機(jī)身和起落架幾何模型。由于起落架系統(tǒng)就夠較為復(fù)雜,在不影響起落架機(jī)構(gòu)原理和仿真精度的前提下對(duì)起落架進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化的起落架包含斜撐桿、扭力臂、支柱外筒、轉(zhuǎn)動(dòng)套筒、左右機(jī)輪、活塞桿與輪軸等部件。

        (2)將CATIA模型導(dǎo)入LMS Virtual.Lab Motion中,建立分析文件。根據(jù)飛機(jī)起落架各個(gè)部件之間的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副。在模型添加載荷如緩沖器支柱軸力、輪胎力以及重力等,而緩沖器總軸向力包括空氣彈簧力、油液阻尼力和緩沖器結(jié)構(gòu)限制力等。

        (3)通過起落架落震對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。前起落架使用功落震仿真投放高度為0.474米,緩沖器最大壓縮行程為0.38米,輪胎的最大壓縮量為0.08m,小于輪胎的極限壓縮量0.13m。緩沖器正反行程的總時(shí)間為0.7s,滿足小于0.8s的要求。主起落架使用功落震仿真投放高度為0.474米,緩沖器最大壓縮行程為0.42米,輪胎的最大壓縮量為0.17m,小于輪胎的極限壓縮量0.23m。緩沖器正反行程的總時(shí)間為0.75s,滿足小于0.8s的要求。

        1.2 建立防滑控制模型

        LMS VIrtul.Lab軟件提供的控制工具箱只能處理一般的控制環(huán)節(jié),而MATLAB/Simulink是大型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件,能夠處理各種復(fù)雜控制環(huán)節(jié),將LMS VIrtul.Lab和MATLAB/Simulink結(jié)合使用進(jìn)行聯(lián)合仿真,能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì),這給那些復(fù)雜系統(tǒng)的研究提供一種新的途徑。

        目前,國內(nèi)外已裝備的飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)的控制方式,從大的方面來講有三個(gè)大的分支滑移率控制、減速率控制和速度差加壓力偏調(diào)控制[6]。本文采用的是目前國內(nèi)常用的帶壓力偏調(diào)級(jí)的PID控制,分為基準(zhǔn)速度級(jí)、比較級(jí)、瞬時(shí)級(jí)、微分級(jí)、PBM級(jí)、綜合驅(qū)動(dòng)級(jí)等部分,基本原理如圖1所示。

        圖1 速度差加偏壓控制原理

        基準(zhǔn)速度級(jí)是以一定規(guī)律的基準(zhǔn)速度來代替飛機(jī)速度,基準(zhǔn)速度級(jí)的輸出能響應(yīng)地面結(jié)合系數(shù)的變化。比較級(jí)是求得機(jī)輪速度與基準(zhǔn)速度之差,進(jìn)行比例放大,比例放大系數(shù)可調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈敏度。瞬時(shí)級(jí)要求當(dāng)比較級(jí)輸出大于某一門限時(shí),進(jìn)行比例放大,否則輸出為0。微分級(jí)的輸出與輸入的變化率成正比。綜合級(jí)的作用是把瞬時(shí)級(jí)、微分級(jí)和PBM級(jí)的輸出按一定比例疊加,并且限制一個(gè)最大輸出。驅(qū)動(dòng)級(jí)的主要作用是把綜合級(jí)的電壓輸出經(jīng)功率放大并轉(zhuǎn)換成恒流源輸出。

        PBM級(jí)是整個(gè)控制盒最為關(guān)鍵的一部分,剎車效率的提高主要是通過對(duì)這一級(jí)的放電特性進(jìn)行改善而取得的。PBM 級(jí)要求,當(dāng)比較級(jí)的輸出大于某一門限值時(shí),PBM 級(jí)的輸出應(yīng)逐步增大,且誤差小時(shí)增長率小,誤差大時(shí)增長率大。如公式1所示,其中,Vl為PBM輸出,V′l0、V\"l0、V″′l0代表狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)出的值, ?駐VIT1、?駐VIT2為PBM級(jí)的,門限值,Kl1為升壓速度系數(shù),Kl2為放電速度系數(shù)。

        (1)

        1.3 聯(lián)合仿真的實(shí)現(xiàn)方法

        1.3.1 定義LMS Virtual.Lab Motion輸入和輸出。LMS Virtual.Lab Motion的輸入和輸出是與 MATLAB/Simulink 設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?,LMS Virtual.Lab Motion的輸出就相當(dāng)于防滑控制系統(tǒng)的輸入值,LMS Virtual.Lab Motion的輸入就相當(dāng)于防滑控制系統(tǒng)的輸出。在LMS Virtual.Lab Motion中建立虛擬樣機(jī)后,定義與剎車控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的變量,定義的輸入變量為剎車力矩,輸出變量為輪胎的滾動(dòng)速度。

        1.3.2 生成用于聯(lián)合仿真的中間文件。LMS Virtual.Lab Motion中設(shè)定好輸入輸出變量后,在模型中添加初始速度,選擇MATLAB_sim 方式進(jìn)行仿真計(jì)算,生成的中間文件名為plantout.m。

        1.3.3 建立控制系統(tǒng)。在MATLAB中打開防滑控制盒,將中間文件plantout.m添加到MATLAB中,連接中間文件和防滑控制盒,構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng),進(jìn)行仿真分析。

        2 仿真分析結(jié)果

        整個(gè)仿真過程從飛機(jī)以正常著落重量著陸,機(jī)輪著地剎車開始,最后飛機(jī)速度到達(dá)失效速度(1m/s),整個(gè)仿真過程中,防滑控制歷時(shí)18.58s,飛機(jī)滑跑距離565.1m。圖2,圖3分別是干跑道下主起落架輪胎的滑移率和每個(gè)機(jī)輪的剎車力矩。

        從圖中可以看出,在飛機(jī)著落剎車的起始階段,飛機(jī)的剎車力矩很快上升到最高值;之后,剎車力矩上下變化,呈上升趨勢(shì)。在高速區(qū)剎車系統(tǒng)工作非常靈敏,輪胎滑移量較淺,解除打滑也比較快。而且經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)節(jié)后,系統(tǒng)工作趨于平穩(wěn),防滑動(dòng)作不像起始剎車時(shí)那么頻繁,對(duì)結(jié)合系數(shù)的利用率較高,即使加上全部的剎車壓力機(jī)輪也不會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

        3 結(jié)束語

        3.1 在LMS Virtual.Lab Motion 中建立了全機(jī)動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)前、主起落架分別進(jìn)行了虛擬落震實(shí)驗(yàn)和停機(jī)靜力實(shí)驗(yàn),其結(jié)果符合要求,驗(yàn)證了所建立的模型的正確性。

        3.2 通過 MATLAB/Simulink 模塊建立了基于速度差的帶有PBM的PID控制系統(tǒng),建立防滑剎車系統(tǒng)的控制模塊。通過引入PBM來提高系統(tǒng)的剎車效率。

        3.3 采用聯(lián)合仿真對(duì)飛機(jī)在干跑道的情況進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明,所建立的防滑控制系統(tǒng)具有較高的效率,達(dá)到理想的剎車效果。

        參考文獻(xiàn)

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        [2]胡思遠(yuǎn).大飛機(jī)工程的戰(zhàn)略意義、實(shí)施瓶頸及改革建議[J].工程研究:2010.2(1):5-14.

        [3]石端偉,吳慶鳴,曾令剛.GP6500型管片安裝機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與研究[J].中國機(jī)械工程,2006,17(13):134121345.

        [4]寧芊,殷國富,徐雷.機(jī)電系統(tǒng)虛擬樣機(jī)協(xié)同建模與仿真技術(shù)研究[J].中國機(jī)械工程,2006,17(13):140421407.

        [5]王斌銳,金英連,徐心和.仿生膝關(guān)節(jié)虛擬樣機(jī)與協(xié)同仿真方法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(6):155421557.

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