起落架收放系统模块化建模及热力学仿真

张 忠，周瑞祥，王卓健，贾文铜

(空军工程大学工程学院，西安 710038)

起落架收放系统模块化建模及热力学仿真

张 忠，周瑞祥，王卓健，贾文铜

(空军工程大学工程学院，西安 710038)

起落架系统的热设计是起落架系统设计的重要组成部分，收放过程中油液等温度的变化会对其性能产生一定的影响。为了解其热力学特性，文章建立了组成起落架收放系统的液压元件的热力学模型，在AMESim软件平台上搭建了起落架收放系统的热力学仿真模型，进行了仿真试验研究，仿真结果表明，所建模型可以实现对压力、流量、温度等多参数的联合仿真，仿真结果能够较好地反映起落架收放系统的热力学特性。

起落架;液压系统;热力学模型

0 引言

起落架收放系统是飞机液压系统的一个重要组成部分，系统的可靠性水平高低将直接影响飞机的起飞、着陆性能及飞行安全。随着飞机液压系统向高压化、大功率方向的发展，增加了系统的无用功率，提高了整个系统的工作环境温度。油液温度的升高对液压系统产生诸多不利的影响。

采用仿真技术对起落架收放系统的热力学特性进行仿真研究［1］，对保证起落架收放系统的安全性、稳定性等具有非常重要的意义。AMESim软件利用最先进的容积建模法，可以实现对液压元件、系统以及环境的模块化建模，本文利用AMESim仿真软件对飞机起落架收放系统进行热力学建模及仿真研究，取得了较好的效果。

1 起落架收放系统热力学模型的建立

1.1 液压导管

液压管路中主要考虑内部油液、管路壳体和管外环境之间的传热，采用容积建模法建立管路的热力学模型［2-6］，容积建模法可以实现对压力、流量、温度的耦合计算，取管路中油液的控制体模型如图1所示。

图1 油液控制体模型

其能量方程可表示为:

通过计算得到管路出口温度，可表示为:

式中:mc为管路的壳体质量，和分别为管路向环境的对流散热和辐射散热。

1.2 液压动作筒

根据对动作筒的传热分析和容积建模法的原理，将动作筒划分为左腔、右腔和壳体三个控制体，传热也是在左右腔油液同壳体以及外界环境之间进行的［2-6］。式中:T2为管路出口温度，m为管内油液质量，cp为流体的定压比热。

同样的方法可得到管路壳体温度，可表示为:

1.3 液压电磁阀

根据对阀的传热分析和容积建模法的原理，将阀划分为进油、回油和壳体三个控制体。进油控制体的温度可表示为［2-6］:

2 起落架收放系统热力学仿真模型的建立

2.1 工作原理

考虑前起落架由正常液压系统供压，由电磁阀控制通往起落架和舱门动作筒的油路的通断，从而控制起落架和起落架舱门的打开和关闭，起落架收放部分由1个作动筒驱动，起落架舱门由1个作动筒驱动。收前起落架时，先打开舱门，再收前起落架;放前起落架时，先打开舱门，再放前起落架［8-10］。

液压收放回路的控制方案如图2所示。

图2 液压收放系统方块图

2.2 仿真模型建立

(1)液压导管仿真模型建立

通过以上对管路的热力学模型的建立，利用AMESim的热液压库中的换热模块和热库中的换热模块、能量模块以及信号库中的模块建立管路的热力学仿真模型［7，11］如图 3 所示。

图3 不考虑粘性的液压管路热力学仿真模型

(2)动作筒仿真模型建立

通过以上对动作筒的热力学模型的建立，利用AMESim的热液压设计库中的模块、热库中的质量模块、换热模块、能量模块、机械库中的模块以及信号库中的模块建立动作筒的热力学仿真模型如图4所示。

图4 单输出杆动作筒热力学仿真模型

(3)电磁阀仿真模型建立

通过以上对电磁阀的热力学模型的建立，利用AMESim的热液压库中的伺服阀模块、热库中的质量块、换热模块以及信号库中的模块建立电磁阀的热力学仿真模型如图5所示。

(4)起落架收放系统仿真模型建立

前起落架子系统属收放液压系统。主要由液压阀、管路、节流阀、位移传感器和单杆液压动作筒等组成。

依据起落架子系统的工作原理，采用前面所建立的管路模块、动作筒模块及电磁阀模块以及AMESim软件自带的一些模块建立前起落架子系统热力学仿真模型并进行封装，如图6所示，仿真模型中以信号的形式控制电磁阀的通断以及实现起落架和舱门的顺序动作。

图5 基于AMESim的中立关闭液压阀热力学仿真模型

图6 基于AMESim的前起落架收放系统热力学仿真模型

3 算例仿真及分析

模型的主要计算参数如表1所示。

表1 起落架主要计算参数

对以上所建液压系统进行仿真，得到仿真结果如下图所示。

图7中给出了收上起落架和放下起落架的信号，信号取值为1～－1，图8中的1，2曲线分别代表起落架和舱门动作筒的位移，可以看出，收起落架时，先收起落架，待起落架完全收上时再收舱门，放起落架时正好相反。说明模型实现了顺序收放起落架和舱门的功能。

图7 输入信号

图8 起落架和舱门动作筒的位移(m)仿真曲线

图9 起落架和舱门动作筒的压力(bar)仿真曲线

图9中的1，2曲线分别代表起落架和舱门动作筒的压力变化，图10和图11中的1，2曲线分别代表起落架和舱门动作筒的流量变化，可以看出压力和流量的变化与图8中动作筒的位移是相对应的。

图12中的曲线分别为起落架和舱门动作筒某一腔的温度变化，可以看出在收放起落架的过程中，动作筒内油液的温度有较大幅度的变化，这是因为温度的变化与压力、流量密切相关，在第8秒左右温度有较大幅度的跃升，幅度达到了约16℃，此时起落架已收上，动作筒的压力虽然有所减小，但是泄漏量突然增加，如图11所示，从而导致了温度的迅速上升。

图10 流向起落架和舱门的流量(kg/s)仿真曲线

图11 起落架和舱门的泄流(kg/s)仿真曲线

图12 起落架和舱门动作筒温度(℃)仿真曲线

4 结论

本文利用传热学对起落架收放系统进行了热力学建模，在AMESim软件平台上建立了各个元件的热力学仿真模型，在此基础上根据起落架收放系统的原理图搭建了系统的热力学仿真模型;

通过仿真测试和结果分析可以看出，所建起落架系统的热力学仿真模型可以实现对压力、流量、温度等多参数的联合仿真，仿真结果能够较好地反映其热力学特性;

所建仿真模型使用方便，应用也比较广泛，可以完成对不同液压系统的仿真测试，实现面向液压原理图的可视化建模，可以为液压系统的热设计提供一定的参考。

［1］吴坚.高温高压液压系统瞬态热分析［D］.北京:北京航空航天大学，1995.

［2］谢三保.飞机液压系统热力学模型及数字仿真［D］.北京:北京航空航天大学，2004.

［3］曹玉璋.传热学［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2001.

［4］陶文铨.传热学［M］.西安:西北工业大学出版社，2006.

［5］张靖周，常海萍.传热学［M］.北京:科学出版社，2009.

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［7］付永领，祁晓野.AMESim系统建模与仿真［M］.北京:北京航空航天大学，2006.

［8］ Li Cheng-gong，JIAO Zongxia.Calculation Method for Thermal Hydraulic System Simulation［J］.Jourmal of Heat Transfer，2008，8.

［9］LiCheng-gong，JIAO Zongxia.Thermal－ hydraulic Modeling and Simulation of Piston Pump［J］.CHINESE JOURNALOF AERONAUTICS，2006，19(4):354 －358.

［10］ AMESim 4.2 User Manuals:Thermal-Hydraulic library［K］.IMAGINE S.A，2004.

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(编辑 李秀敏)

Landing Gear Retraction System of Modular Modeling and Thermal-hydraulic Simulation

ZHANG Zhong，ZHOU Rui-xiang，WANG Zhuo-jian，JIAWen-tong
(College of Engineering，Air Force Engineering University，Xi’an 710038，China)

The landing gear system in the thermal design is an important part of the the landing gear system design，and the oil temperature change w ill affect its performance.In order to undersand its thermalhydraulic characteristics，this paper established the composition of landing gear system hydraulic components of the thermal-hydraulicmodel.The thermal-hydraulicmodel of landing gear retraction system was established using AMESim soft.Themodels could satisfy requirement of temperature simulation of general hydraulic system.The simulation tests include hydraulic subsystem simulation and representative aircraft hydraulic system simulation.The results show that the established models can be used in variable parameters’simulation and represent the dynam ic temperature characteristic of hydraulic system.

landing gear;hydraulic system;thermal-hydraulic model

TH16;TG65

A

1001－2265(2013)03－0036－03

2012－07－03;

2012－08－28

张忠(1987—)，男，南京人，空军工程大学工程学院硕士研究生，研究方向为人机与环境系统工程，(E－mail)flzhangzhong@163.com。