基于HYPNEU的航空集成控制阀虚拟样机建模与仿真

简介：

    今天为大家带来基于HyPneu的航空集成控制阀虚拟样机建模与仿真。HyPneu软件在国内的知名度还不高，首先简单介绍一下，HyPneu的名字来源于液压和气动两个英文单词的缩写组合，表明它是一个能进行液压和气路仿真的软件，是美国Bardyne公司的产品，现在国内应该也是由安世亚太代理。它的定位比较尴尬，它本身有些像电路仿真软件如PSPICE，通过一些基本元素如泵、阀、管路、执行元件去组成系统，但是它又不能实现精确到元件内部的流场仿真，因此只能做系统层面仿真；系统级的仿真又有Amesim等已经占据了市场的成熟软件。

    通过今天这个例子，我们仍旧可以看到Hypneu在系统级的仿真依然有其可圈可点之处。如操作界面简洁，直观，其功能还是比较强大的。

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正文：

    首先我们分析仿真的一些基本情况。

某型飞机的飞控系统中需要用到一组集成控制阀（以下简称集控阀），以实现襟翼、副翼的偏转与动作。该集控阀系统由平板阀、转换阀、电液伺服阀、沟通阀、选择阀、电磁阀、阻尼阀共计7个液压阀，加上一个作动筒及其他附件组成。该集控阀处在设计初期，尚无样机产品。我们用Hypneu建立仿真模型，代替物理样机进行设计参数的测试评估。因此这个模型关注系统的一些性能参数，对各个元件需要比较精准的建模。

一、集控阀虚拟样机的建立

1. 1Hypneu建模

    使用Hypneu建立虚拟样机的过程如下图所示：

图1 虚拟样机建立流程

Hypneu中建立所需的元件分为两种情况：

（1）利用Hypneu的通用模型库中所包含的模型（如：弹簧、阻尼器、质量、摩擦、节流口、载荷等），无需编程，便可建立许多通用性较强的元件模型。在集控阀系统中，可以利用的Hypneu库模型包括高压油源、油箱、作动筒。

（2）利用Hypneu Shape Designer（Hypneu SD）创建独特图标或模型。使用通用阀构建器（Universal Valve Builder，UVB），可以构建几乎无穷无尽的各种结构的阀元件，如各种液压方向阀和伺服/比例控制阀等，在使用默认阀体组件时，可以不必编写相应的控制代码。在集控阀系统中，由于阀的设计与控制方式较为特殊，大部分阀都需要用Hypneu SD进行重新建模。

该集控阀有两种工作模式，分别是电传与手动操作模式。默认状态下处于电传模式，该模式下，电磁阀同时控制转换阀、沟通阀、选择阀处于1位。高压油源供油给转换阀，油液经过转换阀的左腔进入电液伺服阀。电液伺服阀接受飞行员发出的电信号处于1位或者2位，油液再依次进入沟通阀、选择阀、阻尼阀，最后进入作动筒的左腔或者右腔，推动活塞运动。

手动操作模式下，电磁阀处于0位，转换阀、沟通阀、选择阀都处于0位，高压油源经过转换阀的右腔进入平板阀，接受手动控制信号，依次进入沟通阀、选择阀、阻尼阀，最后推动活塞。

阻尼阀接受高压油源的信号处于1位，如果高压油源出现故障，则阻尼阀回到0位，系统终止工作。

图2 集控阀油路图

由于集控阀由多个特殊阀组成，下面以两个具有代表性的来分别介绍。这两个阀分别是两位三通与两位六通的情形。

（1）转换阀（两位三通）

转换阀由两个腔体组成，控制方式为液压先导加压控制。在UVB中找到对应模块，将某些对修改的自动保护关闭，组成转换阀的阀体：

图3组建阀体

    加上控制端并保存：

图4 控制端设置

至此，完成了一个阀的创建，将该元件添加到Hypneu库中即可在油路建模中使用。

（2）沟通阀（两位六通）

沟通阀为两位六通阀，六通阀体在Hypneu中类型较少，所以需要用到Hypneu中的shape designer模块。在本例中，单纯使用Hypneu库中的阀块不能满足使用要求，于是利用两个两位四通阀组合形成一个两位六通阀，如下图：

图5 等效后的两位六通阀

完成所有的阀体构建以后，可以进入Hypneu主界面，添加油箱、油源等各种附件，根据油路图连接各个元件。

图6 虚拟样机油路图

1.2元件参数设置（Component Manager）

连接各元件后，点击元件下方的DB图标可以进入database，进行元件参数设置并保存。这里以运动元件作动筒为例，需要设置的参数如下图：

图7 作动筒参数设置

1.3仿真参数设置（Plotting Request）

在完成以上工作以后，单击元件下方的PR图标可以进入Plotting Request界面：

图8 仿真参数设置

设置需要观测的参数名称、图例、单位后，点击保存。

二、仿真结果分析

虚拟样机建立完成以后，将条件设置为电传模态，电液伺服阀处于1位的情形，运行仿真，输出作动筒油压、活塞运动速度与行程随时间变化的曲线如下图：

图9 仿真结果曲线

2.1作动筒运动分析

软件中信号源在1秒时输出一个阶跃信号，该信号只要大于预先设置的方向阀门槛压力，方向阀即开始动作，实现油液推动作动筒运动的过程。

由仿真结果可以看出，在1s时作动筒开始向右运动，速度为3.4m/s。在0.06s内到达右端点，完成预期运动。

2.2出口压力

从仿真结果可以看出，1s时出口压力为210bar，小于作动筒的规定压力许多，可以认为是符合安全要求的。这样的分析结果基本与实际结果一致，可以证明所建模型正确，可以正确模拟集控阀的实际工作状态。

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结论：

    本案例简要介绍了液压气动领域的一个专业软件Hypneu，采用该软件为某型飞机飞控系统集控阀建立了虚拟样机。经过仿真分析，验证了设计，并为后续测试、改进提供了依据。Hypneu软件的功能比较强大，其许多功能如频响、油液污染等，在本文中并未涉及。希望大家看完有所收获。

   由于一些保密原因，这个案例没有可供下载的附件，见谅。