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GCAir&GCKontrol在飞机刹车系统设计中的应用

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导读

在飞机制造业,刹车系统的性能直接关系到飞机的起飞与着陆安全,是确保飞行任务顺利完成的关键组件。随着国产大飞机商业化进程加速,对飞机刹车系统如何缩短研发周期,满足适航认证中对系统可靠性、制动距离及刹车效率要求也日益提高。在这一背景下,世冠科技自主研发的GCAir系统仿真测试验证一体化平台和GCKontrol系统设计与仿真软件以其强大的建模仿真能力,覆盖飞机刹车系统设计的全流程,支持飞机刹车系统的各子系统建模、多源异构集成,实现在同一平台上先后完成飞机刹车系统的子系统模型及系统级模型的建模、仿真与测试验证,为飞机刹车系统的研发设计带来了革命性的改变。
 

 

前言

飞机刹车系统是飞机能够安全起飞和着陆的关键,对飞机刹车系统的研究具有重要意义。其在飞机起飞、着陆、地面运动和停机等阶段均会使用,是保证飞机安全运行的重要保障。

随着飞机设计水平的持续提高,对刹车系统的功能与性能要求也越来越高。现代飞机正朝着大吨位、高速度、长航程的方向发展,这将对刹车系统在可靠性、制动距离及刹车效率等方面提出更高的要求,并且飞机刹车系统设计研制涉及到机械、液压及控制等多学科、多专业耦合,为提升飞机刹车系统的研制水平,需要借助系统仿真手段有效提高飞机刹车系统的研发设计水平与能力。


 面临挑战与解决方案 

经调研,在飞机刹车系统研制过程中,发现从早期的液压刹车系统和防滑控制系统开发设计阶段,主要采用Amesim和Simulink软件平台进行独立研发设计,到飞机刹车系统研制的后期,需进行系统级的集成仿真测试时,将遇到模型的复用性低、模型接口设计困难及跨平台联合仿真的时效性等难题。

针对飞机刹车系统研制过程中遇到的难题,急需一款有效的国产软件工具链能够支持飞机刹车系统开展正向研发设计,既可实现液压刹车系统及防滑控制系统的独立研发设计,同时又可实现系统级的飞机刹车系统联合仿真。在具体的实践和应用中,研发设计人员按照基于模型的系统工程(MBSE)方法论流程,通过世冠科技的国产软件GCAir系统仿真测试验证一体化平台(简称“GCAir”)和GCKontrol系统设计与仿真软件(简称“GCKontrol”),以飞机刹车系统为研究对象,探索出一套国产工具链支持的飞机刹车系统建模仿真测试验证的解决方案

该方案可以支持飞机刹车系统的各子系统建模、多源异构集成,能够在同一平台上先后完成飞机刹车系统的子系统模型及系统级模型的建模、仿真与测试。覆盖飞机刹车系统设计的全流程,实现了基于模型的系统设计、仿真及测试验证。


 应用与实践 

接下来将介绍如何基于GCAir&GCKontrol,构建飞机刹车系统的模型,为研发设计人员提供飞机刹车系统的功能、性能和可靠性仿真测试。

飞机刹车系统建模

System Modeling

飞机刹车系统模型由自动驾驶模型、飞机六自由度模型、起落架系统模型、液压刹车系统模型、防滑控制系统模型等组成,其中:


1

自动驾驶模型

在GCAir中,通过Python构建自动驾驶模型,其包含飞行航线控制模块、滑跑控制模块、爬升控制模块、巡航控制模块、航向控制模块、下降着陆控制模块。


2

飞机六自由度模型

在GCKontrol中,基于飞机六自由度飞行动力学原理和波音737客机的参数,构建六自由度飞机模型,其包含飞行动力学模型、气动模型、发动机模型、大气环境模型、作动器模型、导航模型。飞机六自由度模型如下图所示。

飞机六自由度模型


3

起落架系统模型

在GCKontrol中,基于飞机起落架系统原理,构建起落架系统模型,其包含缓冲器模型、轮胎模型。

起落架系统模型


4

液压刹车系统模型

在GCKontrol中,基于波音737客机正常液压刹车系统原理图,构建液压刹车系统模型,其包含刹车计量阀、防滞阀、刹车往复阀等模型。

液压刹车系统模型


5

防滑控制系统模型

在GCKontrol中,基于防滑控制系统原理,构建飞机防滑控制系统模型,其包含正常刹车模块、防滑刹车模块等。

防滑控制系统模型


6

故障模型

在GCAir中,基于飞机刹车系统常见的故障形式,通过GCAir的故障控制功能,构建液压刹车系统故障模型,其包含流量控制阀故障电路故障、压力控制阀机械故障及压力传感器失效故障等。

上述模型中,飞机六自由度模型、起落架系统模型、液压刹车系统模型、防滑控制系统模型均在GCKontrol中进行建模、仿真测试完成后,均通过基于FMI标准封装为FMU模型的形式,将其在GCAir中进行飞机刹车系统模型集成,以完成飞机刹车系统的功能、性能和可靠性仿真测试。

飞机刹车系统模型集成

Model Ensembling

在GCAir中,可进行飞机刹车系统的模型库管理、架构设计、模型接口定义及管理、故障配置等操作,以实现飞机刹车系统仿真模型的集成仿真。
基于飞机刹车系统架构,在GCAir中构建飞机刹车系统模型,如下图所示。

飞机刹车系统集成

在飞机刹车系统仿真中,自动驾驶模型和飞机六自由度模型、飞机六自由度模型和起落架系统模型之间存在严格的数据依赖关系,如飞机六自由度模型的初始位置、姿态等信息依赖于自动驾驶模型、起落架系统模型的缓冲器压缩量计算依赖于飞机六自由度模型的质心位置。为解决子系统之间数据传输的顺序问题,GCAir可配置多个子系统之间的执行顺序、子系统内部的FMU模型之间的执行顺序,以确保仿真结果的正确性,如下图所示。

执行顺序分组配置

在飞机刹车系统仿真的过程中,因液压刹车系统模型的固有频率较大,为确保模型收敛,其模型的求解步长一般在1e-5s左右,模型的求解步长直接影响其仿真速度。为提高研发设计人员的工作效率,GCAir通过对飞机刹车系统模型进行多线程配置,实现缩短飞机刹车系统仿真测试周期,如下图所示。

多线程配置及结果

在进行飞机全自动仿真飞行过程中,为了提高仿真速度,可对起落架系统模型、液压刹车系统及防滑控制系统模型使用FMU使能功能。当飞机在进行起飞线刹车、着陆刹车及收上刹车等工况时,使能触发时运行上述有关模型;当飞机在进行爬升、巡航、下降过程中,上述有关模型不需要运行,使能关闭时不运行其模型。

飞机刹车系统模型应用

Model Application

在GCAir中所集成的飞机刹车系统模型,研发设计人员可进行以下测试:
  1. 飞机在不同刹车工况下,液压刹车系统功能、性能的测试与优化;

  2. 飞机在不同刹车工况下,防滑控制系统功能、性能的测试与优化;

  3. 飞机在全工况下,防滑控制系统的可靠性测试


 总结与展望 


基于世冠科技GCAir&GCKontrol构建的飞机刹车系统模型,有助于提升飞机的着陆安全性。通过对刹车系统的建模和仿真,可以评估不同条件下的刹车性能与安全性,确保飞机在着陆过程中能够稳定、安全地减速并停止。同时,该模型具备实时仿真的能力,可用于飞行模拟器中,以模拟不同工况下的刹车性能,帮助飞行员在虚拟环境中熟悉刹车系统的操作,提高飞行训练的效率和应急能力。


来源:世冠科技
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首次发布时间:2025-03-20
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