引言
某型飛機(jī)的起落架系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的前三點(diǎn)式布局。它包括一個(gè)向前向上收起的前起落架和兩個(gè)分別向內(nèi)向上收起的左右主起落架,由單一的飛機(jī)液壓源提供液壓作動(dòng)能源。
按照總體設(shè)計(jì)方案設(shè)定的15秒內(nèi)的收上時(shí)間和18秒內(nèi)的放下時(shí)間要求(收放時(shí)間不包括艙門的打開和艙門的關(guān)閉),結(jié)合起落架系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)的各種相關(guān)數(shù)據(jù),開展起落架收放仿真分析,計(jì)算在現(xiàn)有起落架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)下起落架系統(tǒng)的收放時(shí)間符合性,為驗(yàn)證和優(yōu)化起落架收放設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。
1 系統(tǒng)工作原理
某型飛機(jī)起落架收放系統(tǒng)正常工作時(shí),當(dāng)飛行員通過起落架控制手柄發(fā)出收放指令后,起落架收上過程如下:①起落架和艙門選擇閥加電,艙門作動(dòng)器開始作動(dòng)并打開艙門。②在艙門打開后,通過作動(dòng)開鎖作動(dòng)器和收放作動(dòng)器,起落架下位鎖開鎖,起落架收上。③起落架收上到位時(shí),起落架上位鎖上鎖。④艙門作動(dòng)器關(guān)閉艙門。⑤起落架和艙門選擇閥斷電到中立位置,所有壓力管接通回油,釋放壓力。
起落架放下過程與起落架收上過程類似,不再贅述。在本文的仿真分析中,由于計(jì)算的起落架收放時(shí)間不包括艙門開啟和關(guān)閉時(shí)間,且艙門機(jī)構(gòu)和其他起落架機(jī)構(gòu)是相對獨(dú)立的運(yùn)動(dòng),故建模時(shí)省略艙門機(jī)構(gòu)。
2 建模仿真工具
2.1Image.AMESim
Image.AMESim(以下簡稱AMESim)是基于圖形化建模環(huán)境的多領(lǐng)域一維仿真軟件,帶有多種領(lǐng)域的專業(yè)元件庫,其中液壓庫中包含了大量常用的液壓元件。該軟件是目前應(yīng)用最廣泛的液壓系統(tǒng)仿真工具,具備與許多三維多體動(dòng)力學(xué)軟件的聯(lián)合仿真接口。本文以AMESim對某型飛機(jī)起落架收放的液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真與分析。
2.2Virtual.motion
Virtual.Motion(以下簡稱Motion)是LMS公司Virtual.lab平臺(tái)中用于三維多體動(dòng)力學(xué)仿真分析的工具,適合模擬機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)和載荷。它能夠快速調(diào)用機(jī)構(gòu)CAD模型,設(shè)置約束條件和作用力等參數(shù)后,即可方便的用于起落架收放機(jī)構(gòu)的三維多體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算研究,并通過接口與液壓相關(guān)部分的仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算。
3 系統(tǒng)建模與分析
3.1分析內(nèi)容
按照規(guī)定的仿真條件和輸入?yún)?shù),對收放系統(tǒng)的收放過程進(jìn)行仿真分析,計(jì)算起落架的收上和放下時(shí)間,形成試驗(yàn)結(jié)果曲線;以規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)收上、放下時(shí)間作為輸入,計(jì)算收放系統(tǒng)對液壓能源系統(tǒng)的最大壓力一流量需求。
3.2分析過程
分別建立液壓系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)模型,可通過聯(lián)合仿真進(jìn)行計(jì)算,集AMESim和Motion兩者之所長作無縫連接的聯(lián)合仿真,可以使系統(tǒng)模型計(jì)算結(jié)果更加可靠和精確。聯(lián)合仿真接口提供力、位移、速度等參數(shù)的相互傳遞,AMESim模型輸出位移和速度的計(jì)算值,并得到作用力的反饋值。Motion與之相反。
AMESim和Motion的聯(lián)合仿真可以采用Co-Sim和Coupled兩種接口方式。
a)Co-Sim方式以AMEsim為主,在AMEsim中進(jìn)行仿真過程控制(設(shè)置仿真時(shí)間、采樣步長、算法等),仿真過程中,AMEsim與Motion各自計(jì)算,在規(guī)定的每個(gè)采樣時(shí)間段內(nèi)相互傳遞數(shù)據(jù)。
b)Coupled方式以Motion為主,在Motion中進(jìn)行仿真過程控制,仿真過程中只調(diào)用Motion的求解算法進(jìn)行計(jì)算(AMESim不參與計(jì)算)。
本文采用Coupled方式聯(lián)合仿真。一般來說,采用Coupled方式,仿真結(jié)果相對Co-Sim方式更加精確。
3.3液壓系統(tǒng)模型
采用AMESim軟件建立起落架收放系統(tǒng)的液壓回路模型,根據(jù)起落架收放系統(tǒng)的特點(diǎn),前起落架收放液壓回路和主起落架收放液壓回路是相對獨(dú)立的,可建立兩個(gè)獨(dú)立的模型系統(tǒng)。下文以主起落架收放系統(tǒng)的液壓回路模型為例,介紹建模思路和簡化后的液壓回路模型。
在建模中不考慮對于計(jì)算結(jié)果無明顯影響的元部件和參數(shù),如油濾、管路容積效應(yīng)、液阻等,并在仿真過程中,設(shè)置油液溫度恒定為20℃,即不考慮溫度變化對系統(tǒng)帶來的影響。在AMESim中建立的簡化模型如圖1所示。
圖1 主起收放液壓回路模型圖
建好模型后,按照該飛機(jī)液壓系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)文件輸入各種參數(shù),如油液特性、進(jìn)油口壓力、回油口壓力,作動(dòng)筒無桿腔直徑、活塞桿直徑、作動(dòng)筒自由行程、選擇閥各出口的最大開啟面積等。
3.4起落架機(jī)構(gòu)建模
起落架機(jī)構(gòu)本身很復(fù)雜,本文主要研究內(nèi)容只包括參與收放運(yùn)動(dòng)過程的主要零件,因此,與收放過程運(yùn)動(dòng)無關(guān)的零件都沒有考慮建多體模型,如管路、彈簧、線纜等。
將所有需建模的機(jī)構(gòu)零件的三維Catia數(shù)模直接導(dǎo)入Motion,建立多體動(dòng)力學(xué)模型;添加各零件關(guān)節(jié)之間的約束,運(yùn)動(dòng)副約束設(shè)置示意圖如圖2所示,其他零件間的連接均設(shè)為固定副約束。
運(yùn)動(dòng)副設(shè)置后,按照設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置重力、平均氣動(dòng)載荷力和預(yù)緊彈簧力,選定仿真算法和仿真時(shí)間;最后與AMESim聯(lián)合仿真,以AMESim的力輸出作為開鎖作動(dòng)筒和收放作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)力,進(jìn)行起落架收放過程模擬。
圖2 主起機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副約束示意圖
4 仿真結(jié)果分析
仿真計(jì)算結(jié)束后,查看計(jì)算曲線,檢驗(yàn)起落架收放機(jī)構(gòu)收放時(shí)間是否符合設(shè)計(jì)要求。在主起落架收上過程中的主支柱轉(zhuǎn)動(dòng)角一時(shí)間曲線如圖3所示,所有的仿真參數(shù)為給定的設(shè)計(jì)參數(shù),主支柱轉(zhuǎn)動(dòng)到800時(shí)到達(dá)收上上鎖位置,時(shí)間約為10秒,符合總體設(shè)計(jì)15秒內(nèi)的收上時(shí)間要求。
圖3 主支柱轉(zhuǎn)動(dòng)角一時(shí)間曲線
假如計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相差太大,或?yàn)榱耸褂?jì)算結(jié)果盡量接近要求值,也可以通過對關(guān)鍵參數(shù)包線掃描的的方式進(jìn)行批量仿真計(jì)算,找到符合設(shè)計(jì)值的最優(yōu)化參數(shù)。例如調(diào)節(jié)收放作動(dòng)筒入口前的節(jié)流孔大小,將最大3 L/min的流量改為2.5L/min,可顯著延長收放時(shí)間,在其他設(shè)定參數(shù)均不改變的情況下,主起收放時(shí)間經(jīng)仿真計(jì)算后為13秒左右,收放動(dòng)作更為平穩(wěn)。
5 結(jié)束語
通過該項(xiàng)目的研究,可實(shí)現(xiàn)起落架收放系統(tǒng)的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的收放過程仿真,檢測機(jī)構(gòu)零部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和有無干涉情況,還可引入液壓系統(tǒng)的模型計(jì)算起落架收放動(dòng)作對于液壓系統(tǒng)的壓力、流量需求,實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)相關(guān)元部件選型和關(guān)鍵參數(shù)的分析和優(yōu)化,對于飛機(jī)設(shè)計(jì)階段的方案驗(yàn)證和優(yōu)化有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
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