彭佑君，盧岳良，杜 鑫

(航空工業(yè)金城南京機電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106)

引言

某型應(yīng)急能源系統(tǒng)用于在緊急情況下為飛機提供應(yīng)急電能和應(yīng)急液壓能[1]，收放作動裝置是該系統(tǒng)的收放機構(gòu)。當(dāng)飛機正常飛行時，收放作動裝置將該系統(tǒng)可靠鎖定在回收狀態(tài)；當(dāng)飛機遭遇緊急情況時，裝置觸發(fā)解鎖展開電信號，使該系統(tǒng)迅速展開至工作位置，為飛機提供應(yīng)急能源[2-3]。

AMESim是目前液壓系統(tǒng)設(shè)計的主流軟件之一，利用圖形化的方式描述系統(tǒng)中各元件的相互關(guān)系，能夠直觀反映各元件間的負載效應(yīng)及系統(tǒng)中功率流動情形，實現(xiàn)液壓泵、液壓馬達、液壓作動器等液壓/機械產(chǎn)品建模、仿真、動態(tài)特性分析和優(yōu)化設(shè)計[4]。

ADAMS提供的可選模塊能夠?qū)C械部件、液壓、氣動及控制系統(tǒng)等技術(shù)集成在一起，用于構(gòu)建航空航天產(chǎn)品、汽車工程等試驗虛擬樣機，同時具有開放性程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可與先進的CAD軟件(UG，PRO/E)以及CAE軟件(AMESim，ANSYS)進行數(shù)據(jù)交換[5-6]。

本研究分別采用液壓系統(tǒng)計算機仿真技術(shù)和虛擬樣機聯(lián)合仿真技術(shù)，構(gòu)建了基于AMESim的收放作動裝置液壓系統(tǒng)仿真模型和基于ADAMS的該型能源系統(tǒng)整機動力學(xué)模型，并以兩模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建了更貼近真實工況的裝置虛擬樣機聯(lián)合仿真模型[7]，同時得到了240 km/h飛行空速下裝置帶載展開的動態(tài)仿真結(jié)果，并通過風(fēng)洞試驗室完成該空速下的裝置展開性能試驗。仿真結(jié)果和試驗結(jié)果對比分析，有利于裝置的后續(xù)改進設(shè)計等工作。

1 裝置建模

1.1 裝置原理簡介

裝置外形如圖1所示，裝置原理圖如圖2所示，飛機正常飛行時，裝置承受一定的壓縮彈簧力，處于收起狀態(tài)裝載在機艙內(nèi)，并由回收鎖定機構(gòu)鎖定。其中，安裝座組件位于裝置尾端，通過前端關(guān)節(jié)軸承與飛機上的掛點相連接；前接桿組件位于裝置前端，通過尾端關(guān)節(jié)軸承與能源系統(tǒng)的其他部件相連[8-9]。

圖1 某型能源系統(tǒng)收放作動裝置外形圖Fig.1 Outline drawing of actuator in a energy system

當(dāng)飛機遭遇緊急情況時，飛行員通過計算機自動或手動觸發(fā)收放作動裝置展開電信號，控制裝置內(nèi)部回收鎖定機構(gòu)完成機械解鎖。隨后，內(nèi)缸在展開彈簧的預(yù)壓縮力作用下，克服艙門阻力、作用在艙門上的氣動力及摩擦力等向左移動伸出。內(nèi)缸與活塞桿之間的腔體V1體積不斷減小，其間的油液通過活塞桿壁上的阻尼孔系和回收控制閥等結(jié)構(gòu)排放到液壓系統(tǒng)的低壓油路中；內(nèi)缸無桿腔V2和外缸與活塞桿之間的腔體V3體積不斷增大，低壓油路中的油液流入V2和V3腔體進行補充[10]。

在裝置展開末程，隨著活塞桿壁上阻尼孔系流通面積的逐漸減少，內(nèi)缸與活塞桿腔體內(nèi)油液排油阻尼不斷增大，同時展開彈簧彈力減弱，使展開動作呈現(xiàn)緩沖狀態(tài)。在裝置展開到位瞬間，內(nèi)缸內(nèi)部的右側(cè)端面與活塞桿左側(cè)端面接觸限位，同時展開鎖定機構(gòu)完成裝置的展開鎖定，使能源系統(tǒng)的渦輪頭穩(wěn)定在工作姿態(tài)，輸出穩(wěn)定的應(yīng)急電能和液壓能[11]。

1.2 裝置建模

1) 基于AMESim的裝置液壓系統(tǒng)建模

考慮到模型復(fù)雜性和分析目標(biāo)，對模型做合理的簡化：建模時主要考慮裝置從內(nèi)缸開始動作(開始展開)到內(nèi)缸右側(cè)端面與活塞桿左側(cè)端面接觸限位(展開到位)的動態(tài)過程；由于電磁鐵吸合時間、位置鎖定機構(gòu)動作時間極短，在建模過程中不予考慮。

基于AMESim的裝置液壓系統(tǒng)仿真模型如圖3所示，選擇模型庫中相應(yīng)元件在草圖模式(Sketch Mode)中搭建裝置液壓系統(tǒng)模型。在建模過程中考慮裝置展開時內(nèi)部各腔體的體積變化，使用HCD庫中的BRP13，BRP14，BAP11子模型模擬內(nèi)缸、外缸的腔體體積變化過程；同時用HC00，HC01固定腔體模型、BHC11可變腔體模型、OR0000阻尼孔模型、TK000低壓油箱模型等完成液壓油路的建模[12-16]。

圖3 基于AMESim的裝置液壓系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Hydraulic system simulation model of device based on AMESim

在液壓緩沖功能的建模上，通過裝置實時位移和阻尼孔系位置進行比較，控制可變阻尼孔子模型VOR000的開閉[17]。

需注意的是，該模型僅重點考慮了裝置液壓系統(tǒng)建模，但外負載載荷譜僅作為已知條件輸入模型，并未通過仿真計算進行細致考慮，因而不能完全得到裝置真實展開工況下的仿真結(jié)果。因此，需要以該模型為基礎(chǔ)，從該能源系統(tǒng)整體性角度分析，優(yōu)化仿真研究方法，實現(xiàn)實際工況下的仿真分析。

2) 基于ADAMS的裝置動力學(xué)模型建模

某型能源系統(tǒng)整機三維模型如圖4所示，由于該型能源系統(tǒng)的零部件數(shù)量過多，本研究對模型進行合理簡化，選取系統(tǒng)外殼部位的主要零部件導(dǎo)入ADAMS，再參照系統(tǒng)整機不同位置的質(zhì)量分布情況，根據(jù)質(zhì)心不變原則對ADAMS中的相關(guān)零部件質(zhì)量重新賦值，使之接近真實情況，從而達到構(gòu)建簡化三維模型的目的[4]，在ADAMS中經(jīng)簡化后的系統(tǒng)三維模型如圖5所示。

圖4 UG中的該型能源系統(tǒng)整機三維模型Fig.4 3D model of energy system in UG

圖5 ADAMS中經(jīng)簡化后的系統(tǒng)整機三維模型Fig.5 Simplified 3D model of energy system in ADAMS

系統(tǒng)模型構(gòu)件創(chuàng)建后，需定義構(gòu)件間的連接方式和相對運動方式，通過設(shè)置各種約束來限制和建立系統(tǒng)釋放時各個構(gòu)件間的相對運動關(guān)系，使之組成能夠運動的機械系統(tǒng)。

接下來，在相關(guān)運動副和構(gòu)件上施加載荷。從收放作動裝置內(nèi)部考慮，裝置在展開過程中受到展開彈簧的彈力和來自液壓系統(tǒng)的液壓油阻尼力，因此在ADAMS中分別設(shè)置拉壓彈簧阻尼器彈力載荷和液壓阻尼力載荷，如圖6所示；從裝置外部考慮，在動態(tài)展開過程中，前接桿直接受到系統(tǒng)整機的外負載力。外負載力由系統(tǒng)整機的重力、裝置展開時的氣動力組成。由于篇幅有限，本研究僅選取飛行空速240 km/h時基于Fluent得到的系統(tǒng)不同展開角度下渦輪頭受到的氣流軸向推力作為氣動載荷，重力作為已知量輸入模型。

圖6 ADAMS中模型載荷設(shè)置Fig.6 Model load setting in ADAMS

在ADAMS/View環(huán)境下創(chuàng)建的能源系統(tǒng)整機動力學(xué)模型如圖7所示。基于ADAMS的系統(tǒng)動力學(xué)模型雖然能夠?qū)ο到y(tǒng)收放作動裝置展開過程中外負載端的受力情況進行較為準(zhǔn)確的計算仿真，但由于ADAMS本身并不擅長進行液壓管路的建模，所以對液壓阻尼力的計算只能交由不夠準(zhǔn)確的經(jīng)驗公式或參考公式完成，因而該模型并不能充分考慮裝置實際展開過程[18-19]。

圖7 ADAMS中的能源系統(tǒng)整機動力學(xué)模型Fig.7 Dynamic model of energy system in ADAMS

接下來，將構(gòu)建基于AMESim和ADAMS的裝置虛擬樣機聯(lián)合仿真模型，優(yōu)化仿真研究方法，實現(xiàn)裝置實際工況下的建模仿真。

3) 裝置虛擬樣機聯(lián)合仿真模型建模

首先，需明確AMESim中的液壓模型和ADAMS中的動力學(xué)模型中需進行數(shù)據(jù)交換的變量。本研究將裝置展開時ADAMS中內(nèi)缸等展開機構(gòu)的動態(tài)速度和動態(tài)位移輸出到裝置AMESim液壓模型中，同時AMESim模型向ADAMS模型輸出內(nèi)缸與活塞桿高壓腔體中產(chǎn)生的動態(tài)液壓阻尼力，AMESim和ADAMS模型間輸入輸出關(guān)系如圖8所示。

圖8 AMESim和ADAMS間模型輸入輸出關(guān)系Fig.8 Model input and output relationships between AMESim and ADAMS

根據(jù)上述分析，對裝置AMESim模型和裝置ADAMS模型分別進行修改，建立聯(lián)合仿真所需的接口模塊并完成相關(guān)設(shè)置。在ADAMS中通過“Simulation-Simulate-Run a Scripted Simulation”，在彈出的“Simulation

Control”對話框中運行仿真。該型能源系統(tǒng)展開過程如圖9所示。

圖9 聯(lián)合仿真中該型能源系統(tǒng)展開過程Fig.9 Release process of energy system in co-simulation

2 仿真結(jié)果與分析

在240 km/h空速下，考慮氣動力、重力等外部條件，得出收放作動裝置展開過程的仿真結(jié)果如下：

能源系統(tǒng)整機受到的氣動力F與時間t關(guān)系曲線如圖10所示，開始展開時，系統(tǒng)所受氣動力較小；在展開末程，隨著系統(tǒng)接近釋放到位，渦輪頭高速旋轉(zhuǎn)，氣動力急劇增加。

圖10 系統(tǒng)整機所受氣動力-時間曲線Fig.10 Aerodynamic force-time curve of system

內(nèi)缸位移s與時間t曲線如圖11所示，裝置展開時間為0.76 s。在展開末程，隨著內(nèi)缸與活塞桿腔體內(nèi)油液排油阻尼不斷增大，同時展開彈簧彈力減弱，位移增速變慢，展開過程出現(xiàn)緩沖效果。

圖11 內(nèi)缸位移-展開時間曲線

內(nèi)缸高壓腔壓力p與展開時間t曲線如圖12所示，開始展開時，內(nèi)缸運動速度和加速度不斷提升，由于阻尼孔流通面積的限制，內(nèi)缸高壓腔產(chǎn)生背壓，壓力峰值約為12.5 MPa；在展開末程，由于氣動載荷對裝置展開的影響和阻尼孔系的流通面積減小，內(nèi)缸高壓腔壓力增加，使裝置展開呈現(xiàn)緩沖效果，壓力峰值約為17.5 MPa。

圖12 內(nèi)缸高壓腔壓力-展開時間曲線

內(nèi)缸高壓腔體液壓阻尼力F1與時間t曲線如圖13所示，裝置展開末程時的液壓阻尼力迅速增大，瞬時峰值約為7000 N，對裝置起到明顯的緩沖作用。

圖13 內(nèi)缸高壓腔阻尼力-時間曲線Fig.13 Damping force-release time curve of inner cylinder high pressure chamber

內(nèi)缸高壓腔體流量Q與時間t曲線如圖14所示，開始展開時，隨著內(nèi)缸速度的增加，流量迅速增加，流量峰值約為50 L/min，隨后流量減小且變化趨緩。在展開末程，隨著阻尼孔的流通面積不斷減小，流量隨之下降。

圖14 內(nèi)缸高壓腔流量-時間曲線Fig.14 Flow rate-release time curve of inner cylinder high pressure chamber

3 試驗驗證

本研究通過風(fēng)洞試驗室進行裝置展開性能試驗。在240 km/h風(fēng)速下：

(1) 試驗中裝置的展開時間為0.81 s；

(2) 展開初期內(nèi)缸高壓腔壓力峰值為11.7 MPa，流量峰值約為46.8 L/min；

(3) 展開末程內(nèi)缸高壓腔壓力峰值為16.4 MPa，隨著阻尼孔的流通面積不斷減小，流量隨之下降。

通過仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，裝置展開仿真誤差為6.6%。

4 結(jié)論

在對該型應(yīng)急能源系統(tǒng)收放作動裝置的研究分析上，本研究梳理了裝置釋放過程中各機構(gòu)的動作過程和工作原理。

同時，采用液壓系統(tǒng)計算機仿真技術(shù)和虛擬樣機聯(lián)合仿真技術(shù)，構(gòu)建了基于AMESim的裝置液壓系統(tǒng)仿真模型和基于ADAMS的系統(tǒng)整機動力學(xué)模型，并以兩模型為基礎(chǔ)，探索構(gòu)建了同時汲取兩模型優(yōu)點的裝置虛擬樣機聯(lián)合仿真模型，得到了裝置展開過程中更接近實際工況的仿真分析結(jié)果。

在具體試驗驗證上，本研究通過風(fēng)洞試驗室進行對應(yīng)仿真模型的試驗驗證。通過試驗結(jié)果和仿真結(jié)果的對比分析，相對誤差均控制在較小范圍內(nèi)，從而驗證了液壓系統(tǒng)仿真模型和聯(lián)合仿真模型的正確性。

本研究對該型能源系統(tǒng)收放作動裝置性能仿真平臺的建設(shè)工作具有一定的借鑒意義，有利于指導(dǎo)產(chǎn)品正向設(shè)計，減少相關(guān)同類產(chǎn)品的設(shè)計研制成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，符合企業(yè)降本增效的發(fā)展方向。