文章簡介：本文介紹了Amesim在空客直升機H160熱液壓建模上的應用，詳細敘述了直升機熱液壓建模流程和試驗標定，并分析了建模和仿真如何幫助企業減少適航取證時間和降低試驗成本。

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

▲圖- 1 空客直升機產品系列

為了獲得國家權威機構（如：歐洲航空安全局(EASA)、美國聯邦航空管理局(FAA)）的適航證書，空客直升機公司和其他飛機制造商一樣，必須確保其產品和系統符合一系列適航認證規范。為了獲得認證，必須仔細評估每個關鍵飛機系統（如液壓系統）。系統必須在任何飛行條件下都有效工作，即使在發生故障的情況下，也要保證飛行員、機組人員和乘客的安全。

▲圖- 2 H160樣機飛行試驗

評估液壓系統的熱管理是適航檢查清單中非常重要的一部分。首先，空客直升機公司要評估液壓系統和負載集成產生的熱沖擊不會超過規定的最高溫度。更進一步地，必須證明液壓系統設計合理，即使在發生故障（如泄漏、泵故障等）的情況下，也能支持正確的飛行指令功能。

基于以上的認知，工程師必須考慮兩個常規問題：1）研發時間。盡管適航取證是一個漫長的過程，但是如果能更早的取證，產品進入市場的速度就更快，這樣競爭力就更強。2）適航測試的試驗成本和原型機成本。這是空客直升機公司整合其研發項目和流程管理時必須要考慮的兩個方面。

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

H160直升機屬于5.5-6噸級，該機整合了空客直升機68項專利技術，有效載荷和航程增加，效率提升，可用于油氣運營、公共服務、空中醫療、海岸警衛巡邏，以及商業運輸、私人和公務航空領域等。

▲圖- 3 空客H160性能參數

直升機液壓系統的主要功能是為主旋翼和尾翼作動機構提供液壓動力。而且該液壓系統能夠在極端工況下工作，如當室外空氣溫度達到50攝氏度/122華氏度時，液壓系統溫上不超過規定的溫度限額。該液壓系統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生故障。整個液壓回路與主旋翼、尾翼的作動機構相連。

▲圖- 4 直升機液壓系統原理圖

本次建模考慮正常模式和失效模式兩種情況：

液壓系統的作用是分配液體流量，調節壓力和回流油箱。這里泵是關鍵部件，有自動調節變量式，定量式、機械動力和電氣。

維持穩定的額定壓力，并調整左右液壓回路的流量確保作動機構的需要。

通過濾芯保持油液的清潔。

在地面飛行前的測試和維護中，地面電動泵根據飛行員的要求為飛控系統提供動力。

集成應急泵（機械式或電氣式）確保單泵故障時無飛行區域限制。

當主泵壓力調節失效時限制壓力，這時打開旁通回路。

應能夠緊急啟動地面或應急泵。

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

空客直升機從早期開發到認證階段熱液壓設計流程如圖- 5所示。最早期開發是液壓系統和架構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？第二階段是液壓系統的詳細設計，并對熱液壓建模升級。接下來是通過地面系統/元件試驗和飛行試驗對熱液壓模型細化和標定。基于測試結果和部分計算，完成液壓系統的認證。

▲圖- 5 熱液壓設計流程

直升機熱液壓設計突破了DMU幾何樣機，更關注液壓系統的功能和性能。該熱液壓建模都是在Simcenter Amesim中完成的，主要參考液壓系統的原理圖，先定義熱液壓仿真架構，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、熱液壓元件設計庫、熱學庫、氣動庫和信號與控制庫。

▲圖- 7 直升機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，考慮的主要參數和因素有：供給流量與壓力的關系，泄漏等級，以及失效模式。

▲圖- 8 液壓泵模型

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

▲圖- 9 伺服作動機構模型

換熱器建模主要考慮換熱器參數，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

最終建成的直升機熱液壓系統模型如圖- 12所示，該模型有355個狀態變量，該模型可用于根據不同的工況評估整個液壓系統的油溫，工況包括正常模式，以及泵壓力調節失效，地面泵或應急泵緊急啟動等失效工況。判斷是否需要冷卻系統（通常是空氣/液體的交換器）？輔助換熱器設計或選型，管道和油箱選型等。

▲圖- 12 直升機熱液壓建模整體模型

為了保證模型的準確性和可信度，我們通常需要試驗數據對部分模型參數微調，標定模型。試驗測試有如作動器、液壓系統等元件級熱平衡試驗臺，如圖- 13所示。以及整機級的地面試驗和飛行試驗，如圖- 14所示。

▲圖- 13 元件級熱平衡試驗測試

▲圖- 14 系統級整機熱平衡試驗和飛行試驗

空客直升機對正常模式和失效模式多種工況進行了測試，熱平衡試驗重點關注了油溫、環境溫度、速度、壓力以及流量。并對試驗數據和仿真結果做了對比，而且根據測試結果對仿真模型的參數進行了微調，使模型盡可能反映真實產品。通過對比發現模型還是非常準確的，在飛機靜止時油溫誤差在±5攝氏度。

空客直升機公司（之前叫歐直）在2007年就開始使用Amesim對液壓和環控系統進行建模與仿真，是Amesim的老用戶。從2009年開始進一步使用Amesim熱液壓庫和熱液壓元件設計庫開展燃油系統和熱管理建模，通過使用Amesim能夠幫助工程師在設計早期評估液壓系統的性能，更加深入地理解液壓回路和其交互系統的熱效應。熱液壓建模輔助設計工程師預測液壓系統性能，快速選型換熱器、油箱和管路，從而減少了開發時間。雖然仿真不能完全代替試驗，但是經過多輪標定的高精度模型能夠指導試驗方案設計，甚至取代部分物理試驗，從而減少了試驗成本。

文章來源Simcenter 1D 系統仿真