簡介：

    今天為大家帶來基于HyPneu的航空集成控制閥虛擬樣機建模與仿真。HyPneu軟件在國內的知名度還不高，首先簡單介紹一下，HyPneu的名字來源于液壓和氣動兩個英文單詞的縮寫組合，表明它是一個能進行液壓和氣路仿真的軟件，是美國Bardyne公司的產品，現在國內應該也是由安世亞太代理。它的定位比較尷尬，它本身有些像電路仿真軟件如PSPICE，通過一些基本元素如泵、閥、管路、執行元件去組成系統，但是它又不能實現精確到元件內部的流場仿真，因此只能做系統層面仿真；系統級的仿真又有Amesim等已經占據了市場的成熟軟件。

    通過今天這個例子，我們仍舊可以看到Hypneu在系統級的仿真依然有其可圈可點之處。如操作界面簡潔，直觀，其功能還是比較強大的。

—————————————————————————————————————————————

正文：

    首先我們分析仿真的一些基本情況。

某型飛機的飛控系統中需要用到一組集成控制閥（以下簡稱集控閥），以實現襟翼、副翼的偏轉與動作。該集控閥系統由平板閥、轉換閥、電液伺服閥、溝通閥、選擇閥、電磁閥、阻尼閥共計7個液壓閥，加上一個作動筒及其他附件組成。該集控閥處在設計初期，尚無樣機產品。我們用Hypneu建立仿真模型，代替物理樣機進行設計參數的測試評估。因此這個模型關注系統的一些性能參數，對各個元件需要比較精準的建模。

一、集控閥虛擬樣機的建立

1. 1Hypneu建模

    使用Hypneu建立虛擬樣機的過程如下圖所示：

圖1 虛擬樣機建立流程

Hypneu中建立所需的元件分為兩種情況：

（1）利用Hypneu的通用模型庫中所包含的模型（如：彈簧、阻尼器、質量、摩擦、節流口、載荷等），無需編程，便可建立許多通用性較強的元件模型。在集控閥系統中，可以利用的Hypneu庫模型包括高壓油源、油箱、作動筒。

（2）利用Hypneu Shape Designer（Hypneu SD）創建獨特圖標或模型。使用通用閥構建器（Universal Valve Builder，UVB），可以構建幾乎無窮無盡的各種結構的閥元件，如各種液壓方向閥和伺服/比例控制閥等，在使用默認閥體組件時，可以不必編寫相應的控制代碼。在集控閥系統中，由于閥的設計與控制方式較為特殊，大部分閥都需要用Hypneu SD進行重新建模。

該集控閥有兩種工作模式，分別是電傳與手動操作模式。默認狀態下處于電傳模式，該模式下，電磁閥同時控制轉換閥、溝通閥、選擇閥處于1位。高壓油源供油給轉換閥，油液經過轉換閥的左腔進入電液伺服閥。電液伺服閥接受飛行員發出的電信號處于1位或者2位，油液再依次進入溝通閥、選擇閥、阻尼閥，最后進入作動筒的左腔或者右腔，推動活塞運動。

手動操作模式下，電磁閥處于0位，轉換閥、溝通閥、選擇閥都處于0位，高壓油源經過轉換閥的右腔進入平板閥，接受手動控制信號，依次進入溝通閥、選擇閥、阻尼閥，最后推動活塞。

阻尼閥接受高壓油源的信號處于1位，如果高壓油源出現故障，則阻尼閥回到0位，系統終止工作。

圖2 集控閥油路圖

 

由于集控閥由多個特殊閥組成，下面以兩個具有代表性的來分別介紹。這兩個閥分別是兩位三通與兩位六通的情形。

（1）轉換閥（兩位三通）

轉換閥由兩個腔體組成，控制方式為液壓先導加壓控制。在UVB中找到對應模塊，將某些對修改的自動保護關閉，組成轉換閥的閥體：

圖3組建閥體

    加上控制端并保存：

圖4 控制端設置

至此，完成了一個閥的創建，將該元件添加到Hypneu庫中即可在油路建模中使用。

（2）溝通閥（兩位六通）

溝通閥為兩位六通閥，六通閥體在Hypneu中類型較少，所以需要用到Hypneu中的shape designer模塊。在本例中，單純使用Hypneu庫中的閥塊不能滿足使用要求，于是利用兩個兩位四通閥組合形成一個兩位六通閥，如下圖：

圖5 等效后的兩位六通閥

完成所有的閥體構建以后，可以進入Hypneu主界面，添加油箱、油源等各種附件，根據油路圖連接各個元件。

圖6 虛擬樣機油路圖

1.2元件參數設置（Component Manager）

連接各元件后，點擊元件下方的DB圖標可以進入database，進行元件參數設置并保存。這里以運動元件作動筒為例，需要設置的參數如下圖：

圖7 作動筒參數設置

1.3仿真參數設置（Plotting Request）

在完成以上工作以后，單擊元件下方的PR圖標可以進入Plotting Request界面：

圖8 仿真參數設置

設置需要觀測的參數名稱、圖例、單位后，點擊保存。

二、仿真結果分析

虛擬樣機建立完成以后，將條件設置為電傳模態，電液伺服閥處于1位的情形，運行仿真，輸出作動筒油壓、活塞運動速度與行程隨時間變化的曲線如下圖：

圖9 仿真結果曲線

2.1作動筒運動分析

軟件中信號源在1秒時輸出一個階躍信號，該信號只要大于預先設置的方向閥門檻壓力，方向閥即開始動作，實現油液推動作動筒運動的過程。

由仿真結果可以看出，在1s時作動筒開始向右運動，速度為3.4m/s。在0.06s內到達右端點，完成預期運動。

2.2出口壓力

從仿真結果可以看出，1s時出口壓力為210bar，小于作動筒的規定壓力許多，可以認為是符合安全要求的。這樣的分析結果基本與實際結果一致，可以證明所建模型正確，可以正確模擬集控閥的實際工作狀態。

———————————————————————————————————————————

結論：

    本案例簡要介紹了液壓氣動領域的一個專業軟件Hypneu，采用該軟件為某型飛機飛控系統集控閥建立了虛擬樣機。經過仿真分析，驗證了設計，并為后續測試、改進提供了依據。Hypneu軟件的功能比較強大，其許多功能如頻響、油液污染等，在本文中并未涉及。希望大家看完有所收獲。

   由于一些保密原因，這個案例沒有可供下載的附件，見諒。