文章簡介：本文介紹了Amesim在空客直升機(jī)H160熱液壓建模上的應(yīng)用，詳細(xì)敘述了直升機(jī)熱液壓建模流程和試驗(yàn)標(biāo)定，并分析了建模和仿真如何幫助企業(yè)減少適航取證時(shí)間和降低試驗(yàn)成本。

空客直升機(jī)公司，英文為Airbus Helicopters，是目前世界上最大的直升機(jī)制造商。空客直升機(jī)研制實(shí)力非常強(qiáng)大，能夠針對客戶的服務(wù)、保護(hù)、拯救生命和安全運(yùn)送乘客等各種需求提供最有效的解決方案。該公司的產(chǎn)品線非常廣泛，包括民用、政府、軍事、執(zhí)法和私人/公共綜合用途全系列旋翼直升機(jī)。

▲圖- 1 空客直升機(jī)產(chǎn)品系列

為了獲得國家權(quán)威機(jī)構(gòu)（如：歐洲航空安全局(EASA)、美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)）的適航證書，空客直升機(jī)公司和其他飛機(jī)制造商一樣，必須確保其產(chǎn)品和系統(tǒng)符合一系列適航認(rèn)證規(guī)范。為了獲得認(rèn)證，必須仔細(xì)評估每個(gè)關(guān)鍵飛機(jī)系統(tǒng)（如液壓系統(tǒng)）。系統(tǒng)必須在任何飛行條件下都有效工作，即使在發(fā)生故障的情況下，也要保證飛行員、機(jī)組人員和乘客的安全。

▲圖- 2 H160樣機(jī)飛行試驗(yàn)

評估液壓系統(tǒng)的熱管理是適航檢查清單中非常重要的一部分。首先，空客直升機(jī)公司要評估液壓系統(tǒng)和負(fù)載集成產(chǎn)生的熱沖擊不會超過規(guī)定的最高溫度。更進(jìn)一步地，必須證明液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，即使在發(fā)生故障（如泄漏、泵故障等）的情況下，也能支持正確的飛行指令功能。

基于以上的認(rèn)知，工程師必須考慮兩個(gè)常規(guī)問題：1）研發(fā)時(shí)間。盡管適航取證是一個(gè)漫長的過程，但是如果能更早的取證，產(chǎn)品進(jìn)入市場的速度就更快，這樣競爭力就更強(qiáng)。2）適航測試的試驗(yàn)成本和原型機(jī)成本。這是空客直升機(jī)公司整合其研發(fā)項(xiàng)目和流程管理時(shí)必須要考慮的兩個(gè)方面。

接下來，我們來看看西門子Simcenter Amesim如何助力空客直升機(jī)公司在H160型直升機(jī)上減少適航取證時(shí)間和降低試驗(yàn)成本。

H160直升機(jī)屬于5.5-6噸級，該機(jī)整合了空客直升機(jī)68項(xiàng)專利技術(shù)，有效載荷和航程增加，效率提升，可用于油氣運(yùn)營、公共服務(wù)、空中醫(yī)療、海岸警衛(wèi)巡邏，以及商業(yè)運(yùn)輸、私人和公務(wù)航空領(lǐng)域等。

▲圖- 3 空客H160性能參數(shù)

直升機(jī)液壓系統(tǒng)的主要功能是為主旋翼和尾翼作動機(jī)構(gòu)提供液壓動力。而且該液壓系統(tǒng)能夠在極端工況下工作，如當(dāng)室外空氣溫度達(dá)到50攝氏度/122華氏度時(shí)，液壓系統(tǒng)溫上不超過規(guī)定的溫度限額。該液壓系統(tǒng)包括兩套液壓動力供給單元，每套液壓動力供給單元由油箱、主泵、輔助泵以及傳感器（溫度、壓力和液位）等組成，輔助泵的目的是以防主泵發(fā)生故障。整個(gè)液壓回路與主旋翼、尾翼的作動機(jī)構(gòu)相連。

▲圖- 4 直升機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

本次建模考慮正常模式和失效模式兩種情況：

液壓系統(tǒng)的作用是分配液體流量，調(diào)節(jié)壓力和回流油箱。這里泵是關(guān)鍵部件，有自動調(diào)節(jié)變量式，定量式、機(jī)械動力和電氣。

維持穩(wěn)定的額定壓力，并調(diào)整左右液壓回路的流量確保作動機(jī)構(gòu)的需要。

通過濾芯保持油液的清潔。

在地面飛行前的測試和維護(hù)中，地面電動泵根據(jù)飛行員的要求為飛控系統(tǒng)提供動力。

集成應(yīng)急泵（機(jī)械式或電氣式）確保單泵故障時(shí)無飛行區(qū)域限制。

當(dāng)主泵壓力調(diào)節(jié)失效時(shí)限制壓力，這時(shí)打開旁通回路。

應(yīng)能夠緊急啟動地面或應(yīng)急泵。

當(dāng)左邊液壓回路泄漏，切斷左側(cè)回路對尾翼伺服的供給以維持對主旋翼的液壓供給，同時(shí)要保證泄漏情況下不吸空左側(cè)油箱。

空客直升機(jī)從早期開發(fā)到認(rèn)證階段熱液壓設(shè)計(jì)流程如圖- 5所示。最早期開發(fā)是液壓系統(tǒng)和架構(gòu)初步定義和失效模式定義，通過熱液壓建模，確定下是否需要冷卻系統(tǒng)？第二階段是液壓系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對熱液壓建模升級。接下來是通過地面系統(tǒng)/元件試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)對熱液壓模型細(xì)化和標(biāo)定。基于測試結(jié)果和部分計(jì)算，完成液壓系統(tǒng)的認(rèn)證。

▲圖- 5 熱液壓設(shè)計(jì)流程

直升機(jī)熱液壓設(shè)計(jì)突破了DMU幾何樣機(jī)，更關(guān)注液壓系統(tǒng)的功能和性能。該熱液壓建模都是在Simcenter Amesim中完成的，主要參考液壓系統(tǒng)的原理圖，先定義熱液壓仿真架構(gòu)，明確各組成部件間的ICD，然后再開展元件建模。主要用到熱液壓庫、熱液壓元件設(shè)計(jì)庫、熱學(xué)庫、氣動庫和信號與控制庫。

▲圖- 7 直升機(jī)熱液壓建模所需要的主要模型庫

液壓泵的建模采用了超級元件，考慮的主要參數(shù)和因素有：供給流量與壓力的關(guān)系，泄漏等級，以及失效模式。

▲圖- 8 液壓泵模型

伺服作動機(jī)構(gòu)建模主要考慮的參數(shù)和因素有：作動器參數(shù)、簡化的分配器參數(shù)、控制系統(tǒng)、泄漏，以及熱平衡（考慮與外界環(huán)境的交換），氣室傳導(dǎo)，主變速箱殼體和伺服機(jī)構(gòu)的傳導(dǎo)。

▲圖- 9 伺服作動機(jī)構(gòu)模型

換熱器建模主要考慮換熱器參數(shù)，NTU方法。

▲圖- 10 換熱器模型

油箱建模主要考慮油箱體積變化，液位高度以及油箱與外界的熱交換。

▲圖- 11 油箱模型

最終建成的直升機(jī)熱液壓系統(tǒng)模型如圖- 12所示，該模型有355個(gè)狀態(tài)變量，該模型可用于根據(jù)不同的工況評估整個(gè)液壓系統(tǒng)的油溫，工況包括正常模式，以及泵壓力調(diào)節(jié)失效，地面泵或應(yīng)急泵緊急啟動等失效工況。判斷是否需要冷卻系統(tǒng)（通常是空氣/液體的交換器）？輔助換熱器設(shè)計(jì)或選型，管道和油箱選型等。

▲圖- 12 直升機(jī)熱液壓建模整體模型

為了保證模型的準(zhǔn)確性和可信度，我們通常需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)對部分模型參數(shù)微調(diào)，標(biāo)定模型。試驗(yàn)測試有如作動器、液壓系統(tǒng)等元件級熱平衡試驗(yàn)臺，如圖- 13所示。以及整機(jī)級的地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，如圖- 14所示。

▲圖- 13 元件級熱平衡試驗(yàn)測試

▲圖- 14 系統(tǒng)級整機(jī)熱平衡試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)

空客直升機(jī)對正常模式和失效模式多種工況進(jìn)行了測試，熱平衡試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注了油溫、環(huán)境溫度、速度、壓力以及流量。并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果做了對比，而且根據(jù)測試結(jié)果對仿真模型的參數(shù)進(jìn)行了微調(diào)，使模型盡可能反映真實(shí)產(chǎn)品。通過對比發(fā)現(xiàn)模型還是非常準(zhǔn)確的，在飛機(jī)靜止時(shí)油溫誤差在±5攝氏度。

空客直升機(jī)公司（之前叫歐直）在2007年就開始使用Amesim對液壓和環(huán)控系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，是Amesim的老用戶。從2009年開始進(jìn)一步使用Amesim熱液壓庫和熱液壓元件設(shè)計(jì)庫開展燃油系統(tǒng)和熱管理建模，通過使用Amesim能夠幫助工程師在設(shè)計(jì)早期評估液壓系統(tǒng)的性能，更加深入地理解液壓回路和其交互系統(tǒng)的熱效應(yīng)。熱液壓建模輔助設(shè)計(jì)工程師預(yù)測液壓系統(tǒng)性能，快速選型換熱器、油箱和管路，從而減少了開發(fā)時(shí)間。雖然仿真不能完全代替試驗(yàn)，但是經(jīng)過多輪標(biāo)定的高精度模型能夠指導(dǎo)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，甚至取代部分物理試驗(yàn)，從而減少了試驗(yàn)成本。

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