飞机起落架收放系统仿真模型构建方法、设备及存储介质

技术领域

本发明属于工程系统建模仿真技术领域，尤其涉及一种基于Modelica的飞机起落架收放系统仿真模型构建方法、设备及存储介质。

背景技术

为了减小飞行中的气动阻力，抵消飞机质量增加带来的不利影响，现代飞机的起落架通常是能够进行收放的，飞机起落架收放系统成为飞机的重要组成部分，该系统的性能直接影响到飞机飞行的安全和机动。因此，对飞机起落架收放进行功能性能验证是飞机设计的重要环节之一。

飞机起落架收放系统是涉及机、电、液、控多专业多学科的复杂系统，交联关系复杂，而飞机起落架收放系统的设计、生产周期长，投入大，如果前期验证不充分，往往导致在交付后出现各种故障问题，极大的影响成本和进度。而前期基于物理样机的试验验证成本高，且周期长，难以满足现代飞机起落架收放在生产设计和结构优化方面的需求。为此，借助虚拟样机技术，搭建飞机起落架收放系统仿真模型，为飞机起落架收放的设计优化提供数据支撑，对提高项目的设计研发效率及系统安全性、可靠性具有重要意义。

Modelica语言是一种面向对象的、基于方程的、非因果的多领域统一建模语言，在涉及机械、电子、控制、液压、气动、热等多学科、多专业耦合的大规模复杂异构模型的构建方面具有天然的优势。同时Modelica语言具有很好的开放性，能够集成多种异构模型，可以在统一平台中建立不同学科、不同专业的模型,进行仿真模型的集成，并开展系统级的集成仿真。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞机起落架收放系统仿真模型构建方法、设备及存储介质，以解决传统基于物理样机的研制与试验导致生产研发周期长、性能难以测试、实验成本高，难以满足飞机起落架收放系统在产品升级、技术创新等方面的需求问题。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种飞机起落架收放系统仿真模型构建方法，包括以下步骤：

对飞机起落架收放系统进行分解，得到飞机起落架收放系统的架构；

基于所述飞机起落架收放系统的架构，构建收放控制子系统仿真模型库，利用所述收放控制子系统仿真模型库中的功能模块构建收放控制子系统模型；

基于所述飞机起落架收放系统的架构，构建收放液压子系统仿真模型库，利用所述收放液压子系统仿真模型库中的部件模型构建收放液压子系统模型；

基于所述飞机起落架收放系统的架构，构建收放机械子系统仿真模型库，利用所述收放机械子系统仿真模型库中部件的Modelica动力学仿真模型构建收放机械子系统模型；

基于飞机起落架收放系统的物理拓扑结构，由所述收放控制子系统模型、收放液压子系统模型和收放机械子系统模型构建飞机起落架收放系统仿真模型。

进一步地，所述飞机起落架收放系统分解为收放控制子系统、收放液压子系统和收放机械子系统；

所述收放控制子系统分解为收上逻辑模块、放下逻辑模块以及紧急放下逻辑模块；

所述收放液压子系统分解为动力源、液压阀和执行机构；所述动力源分解为压力源、流量源和泵源，所述液压阀分解为换向阀、流量阀和压力阀，所述执行机构分解为前起落架开锁作动筒、主起落架开锁作动筒和收放作动筒；

所述收放机械子系统分解为左主起落架、右主起落架、主起舱门、前起落架和前起舱门。

进一步地，所述收放控制子系统仿真模型库的具体构建过程为：

调用Modelica3.2.3标准库内收放控制子系统的各功能模块，由各功能模块构成收放控制子系统仿真模型库。

进一步地，所述收放控制子系统模型的具体构建过程为：

基于Modelica语言规范和收放控制逻辑，由所述收放控制子系统仿真模型库中的功能模块构建成所述收放控制子系统模型。

进一步地，所述收放液压子系统仿真模型库的具体构建过程为：

构建所述收放液压子系统的各部件模型，由各部件模型构成所述收放液压子系统仿真模型库；其中，每个所述部件模型的具体构建过程为：

基于Modelica语言规范，通过文本层和图形层定义部件的工作介质、约束方程和抽象接口；

在图形层设计部件的图标、参数面板以及部件模型说明文档；

对部件模型进行测试与优化，完成部件模型的构建。

进一步地，所述收放液压子系统模型的具体构建过程为：

定义所述收放液压子系统仿真模型库中各部件模型的接口，明确各部件模型接口的物理流和信号流，根据部件模型接口的物理流和信号流将各部件模型的接口连接起来，形成各组件模型；

定义各组件模型的接口，明确各组件模型接口的物理流和信号流，根据组件模型接口的物理流和信号流将各组件模型的接口连接起来，形成所述收放液压子系统模型。

进一步地，所述收放机械子系统仿真模型库的具体构建过程为：

利用三维软件构建所述收放机械子系统各部件的三维模型；

利用三维转换插件将各部件的三维模型导出，形成对应部件的Modelica动力学仿真模型；

打开每个部件的Modelica动力学仿真模型，由各部件的Modelica动力学仿真模型构成收放机械子系统仿真模型库。

进一步地，所述收放机械子系统模型的具体构建过程为：

将部件Modelica动力学仿真模型与部件Modelica动力学仿真模型之间的运动副转换成Modelica语言运动副模型；

打开每个部件的Modelica动力学仿真模型，并与世界模块建立连接关系，再对所有部件的Modelica动力学仿真模型进行封装组合，得到所述收放机械子系统动力学仿真模型；

将所述收放机械子系统动力学仿真模型中的每个Modelica动力学仿真模型与三维标准几何文件进行关联，并设置所述三维标准几何文件的路径和位置，实现所述收放机械子系统动力学仿真模型的可视化；

对所述收放机械子系统动力学仿真模型进行参数设置，完成所述收放机械子系统模型的构建。

基于同一发明构思，本发明还提供一种飞机起落架收放系统仿真模型构建设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的飞机起落架收放系统仿真模型构建方法的步骤。

基于同一发明构思，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的飞机起落架收放系统仿真模型构建方法的步骤。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所提供的一种飞机起落架收放系统仿真模型构建方法、设备及存储介质，所述方法对组成飞机起落架收放系统的各子系统的基础部件进行分析，获取基础部件的结构特性和工作特性，基于机理建模方法，采用Modelica语言规范开发各基础部件的数学模型，将各基础部件模型根据原理图或控制逻辑进行组合，得到对应的子系统模型，并根据实际工况，注入系统参数；最后对各子系统间进行组合构成完整的飞机起落架收放系统。

本发明采用Modelica语言开发，使开发的模型库层次清楚、模型可重用、可扩展，极大地提高了建模效率，针对不同信号需求能够快速有效地进行建模与仿真验证；本发明集成了液压、机械和控制子系统，在同一软件中实现多领域统一建模，相比多领域软件联合仿真建模，仿真求解精度和效率更高。

本发明在进行模型构建时，采用机理建模的方法，相比其他方法，模型仿真精度更高，更贴近实际系统工作状态，能够显著提高飞机起落架收放系统的研发效率，降低了研发成本，对飞机起落架收放系统的维护迭代具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中飞机起落架收放系统仿真模型构建方法流程图；

图2是本发明实施例中飞机起落架收放系统的架构图；

图3是本发明实施例中收放控制子系统模型图；

图4是本发明实施例中收放液压子系统的部件模型构建示意图；

图5是本发明实施例中飞机起落架收放系统仿真模型库架构示意图；

图6是本发明实施例中飞机起落架收放系统仿真模型示意图。

其中，1-收放控制子系统模型，2-收放液压子系统模型，3-前起落架的Modelica动力学仿真模型，4-前起舱门的Modelica动力学仿真模型，5-左主起落架的Modelica动力学仿真模型，6-主起舱门的Modelica动力学仿真模型，7-右主起落架的Modelica动力学仿真模型。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种飞机起落架收放系统仿真模型构建方法，包括以下步骤：

步骤一：飞机起落架收放系统的分解

将飞机起落架收放系统分解成收放控制子系统、收放液压子系统和收放机械子系统。收放控制子系统的主要作用是收集传感器反馈信号，并输出对应的指令信号到收放液压子系统，按照功能其主要分解成收上逻辑模块、放下逻辑模块以及紧急放下逻辑模块。收放液压子系统的主要作用是接收收放控制子系统传输的指令信号，并驱动控制液压阀工作，使液压执行机构按照指令进行工作，并将输出的物理信号(力和位移)传递给收放机械子系统；依据飞机起落架收放系统液压原理图进行分解，收放液压子系统被分解为动力源、液压阀和执行机构；动力源分解为压力源、流量源和泵源，液压阀分解为换向阀、流量阀和压力阀，执行机构分解为前起落架开锁作动筒、主起落架开锁作动筒和收放作动筒。收放机械子系统主要作用是模拟飞机起落架机械结构运动时其运动学特性和动力学特性，将收放液压子系统输出的物理信号传递到收放机械子系统的运动副，使得机械结构按照指令进行收放运动，并且能够通过动画展示整个收放过程，收放机械子系统被分解为左主起落架、右主起落架、主起舱门、前起落架和前起舱门；由此得到的飞机起落架收放系统的架构如图2所示。

步骤二：基于所述飞机起落架收放系统的架构，构建收放控制子系统仿真模型库，利用所述收放控制子系统仿真模型库中的功能模块构建收放控制子系统模型。

如图2所示，收放控制子系统包括收上逻辑模块、放下逻辑模块以及紧急放下逻辑模块，这些功能模块可以直接从Modelica3.2.3标准库调用，因此收放控制子系统仿真模型库由从Modelica3.2.3标准库调用的收上逻辑模块、放下逻辑模块以及紧急放下逻辑模块等构成。

基于收放控制子系统仿真模型库，利用多领域统一建模与仿真分析软件MWorks.Sysplorer，基于Modelica3.2.3标准库中的StateGraph(状态机)库和收放控制逻辑，由收上逻辑模块、放下逻辑模块以及紧急放下逻辑模块等构建成所述收放控制子系统模型，如图3所示。

收放控制逻辑为：根据收放机械子系统反馈回来的信号，激活判断条件，实现工作状态的变迁，转变各个状态下的指令，并发出指令信号到收放液压子系统，驱动收放机械子系统工作，主要包括起落架收上、起落架放下以及紧急放下逻辑控制状态机模型。

对于Modelica3.2.3标准库中的StateGraph(状态机)库没有的功能模块，这些功能模块可以依据功能模块的基本原理，通过文本层和图形层来定义功能模块的工作介质、约束方程和抽象接口，在图形层设计功能模块的图标、参数面板以及模型说明文档，并对功能模块进行测试与优化，最终完成功能模块的开发，如图4所示。

步骤三：基于所述飞机起落架收放系统的架构，构建收放液压子系统仿真模型库，利用所述收放液压子系统仿真模型库中的部件模型构建收放液压子系统模型。

构建收放液压子系统各部件模型，由各部件模型构成收放液压子系统仿真模型库。如图2所示，收放液压子系统包括动力源、液压阀和执行机构；动力源包括压力源、流量源和泵源，液压阀包括换向阀、流量阀和压力阀，执行机构包括前起落架开锁作动筒、主起落架开锁作动筒和收放作动筒。利用多领域统一建模与仿真分析软件MWorks.Sysplorer，基于Modelica3.2.3语言规范，结合这些基础部件的实际物理参数及特性，采用机理建模方式分别构建其数学模型，如图4所示，搭建的部件模型能够较准确地反映其工作特性，结合油液介质模型，能实现不同油液、不同温度下的性能仿真，还能够反映其在各组件中的流体状态及特性。

以收放换向阀为例，如图4所示，每个部件模型的具体构建过程为：

根据收放换向阀的基本原理，基于Modelica语言规范，利用多领域统一建模与仿真分析软件MWorks.Sysplorer的文本层和图形层定义收放换向阀的工作介质、约束方程和抽象接口；在图形层设计收放换向阀的图标、参数面板以及模型说明文档；对收放换向阀进行测试与优化，完成收放换向阀的构建。

基于收放液压子系统仿真模型库，所述收放液压子系统模型的具体构建过程为：

步骤3.1：定义所述收放液压子系统仿真模型库中各部件模型的接口，明确各部件模型接口的物理流和信号流，根据部件模型接口的物理流和信号流将各部件模型的接口连接起来，形成各组件模型；

步骤3.2：定义各组件模型的接口，明确各组件模型接口的物理流和信号流，根据组件模型接口的物理流和信号流将各组件模型的接口连接起来，形成所述收放液压子系统模型。

本发明结合部件实际物理参数及特性，基于机理建模的方法构建其数学模型，搭建的部件模型能够较准确地反映其工作特性，结合开发的油液介质，还能够反映油液在各个部件中的流体特性，对起落架收放液压系统的设计优化提供了数字化支撑。

步骤四：基于所述飞机起落架收放系统的架构，构建收放机械子系统仿真模型库，利用所述收放机械子系统仿真模型库中部件的Modelica动力学仿真模型构建收放机械子系统模型；

如图2所示，收放机械子系统主要包括左主起落架、右主起落架、主起舱门、前起落架和前起舱门。在CATIA三维软件中构建收放机械子系统各部件的三维模型；利用KineTrans插件将各部件的三维模型导出，形成对应部件的Modelica动力学仿真模型，将部件Modelica动力学仿真模型与部件Modelica动力学仿真模型之间的运动副转换成Modelica语言运动副模型；在多领域统一建模与仿真分析软件MWorks.Sysplorer中打开每个部件的Modelica动力学仿真模型，由各部件的Modelica动力学仿真模型构成收放机械子系统仿真模型库。

本发明利用KineTrans插件(转换工具)将三维模型的相关主要数据信息转换为基于Modelica语言规范的结构信息模型，并将其封装于Modelica动力学仿真模型中，并创建其物理信号(力和位移)传递接口，实现飞机起落架和舱门机械多体模型的搭建，并在进行仿真时，可以实时进行起落架系统收放过程的动画演示。

基于收放机械子系统仿真模型库，收放机械子系统模型的具体构建过程为：

步骤4.1：在多领域统一建模与仿真分析软件MWorks.Sysplorer中打开每个部件的Modelica动力学仿真模型，调用Modelica3.2.3标准库内的世界模块，将世界模块与各部件对应的Modelica动力学仿真模型通过姿态转换模块进行连接，再对所有部件Modelica动力学仿真模型进行封装组合，得到所述收放机械子系统动力学仿真模型。

其中，姿态转换模块用于约束世界模块与各部件对应的Modelica动力学仿真模型之间的坐标系偏移关系，调整各部件对应的Modelica动力学仿真模型在世界模块中的位置。

步骤4.2：将所述收放机械子系统动力学仿真模型中的每个Modelica动力学仿真模型与三维标准几何文件(.stl)进行关联，并设置所述三维标准几何文件的路径和位置，实现所述收放机械子系统动力学仿真模型的可视化；通过可视化分析，结合三维动画和曲线进行运动分析，可以提高模型的调试效率和建模准确性。

步骤4.3：对所述收放机械子系统动力学仿真模型进行参数设置，完成所述收放机械子系统模型的构建。

收放机械子系统动力学仿真模型搭建完成后，还需要对子系统动力学仿真模型各部件Modelica动力学仿真模型的参数进行设置。本实施例利用多领域统一建模与仿真分析软件MWorks.Sysplorer打开模型，并进行参数设置。

收放机械子系统动力学仿真模型的参数包括各部件Modelica动力学仿真模型的参数、Modelica语言运动副模型的参数、姿态转换模块的参数、世界模块的参数。

各部件Modelica动力学仿真模型(即刚体模型)是构建收放机械子系统的主要部件模型，收放机械子系统三维模型中各部件模型转换成Modelica动力学仿真模型时，将各个独立的部件模型视为一个刚体模型，并将各部件三维模型的主要数据附加在对应的刚体模型中，每一个刚体模型可以关联一个三维几何文件。在仿真时，根据所设计收放机械子系统各个部件的实际质量参数对刚体模型中的参数进行设置，具体参数包括部件质量、质心质量、转动惯量以及初始化参数。初始化参数是指模型解算的初始时刻的取值，主要包括三维部件的名称、三维部件的形状、三维部件的颜色和材质、三维部件的初始位置和姿态、三维部件的长宽高、以及三维部件的其他额外信息。

根据收放机械子系统各部件在三维空间中的运动关系，在收放机械子系统各部件Modelica动力学仿真模型之间，设置运动副(例如移动副、转动副、万向节、球铰等)，同时还设置运动副的运动方向以及初始运动信息，初始运动信息包括初始位置和速度等。对于需要添加驱动的运动副需要对其进行额外的接口设置，生成外部机械接口，用于传递力和位移信息。

姿态转换模块的参数包括相对位置和姿态，主要确定收放机械子系统各相邻部件之间的相对位置和姿态关系。世界模块的参数包括重力加速度大小及其作用方向，主要确定当前仿真环境的重力场参数。

由各子系统仿真模型库构成的系统仿真模型库如图5所示。

步骤五：基于飞机起落架收放系统的物理拓扑结构，由所述收放控制子系统模型、收放液压子系统模型和收放机械子系统模型构建飞机起落架收放系统仿真模型。

如图1所示的基于模型驱动自底向上集成流程，基于Modelica语言分别构建飞机起落架收放系统的部件、组件、子系统模型，根据飞机起落架收放系统的物理拓扑结构，采用拖拽式建模建立飞机起落架收放系统仿真模型。

其中，仿真模型库中不同模型之间或者子系统之间通过连接器连接，连接器包含流变量和势变量，是基于广义基尔霍夫定律来实现的，即流变量之和为零，势变量相等。如图6所示，基于搭建好的收放控制子系统模型、收放液压子系统模型和收放机械子系统模型，结合飞机起落架收放系统原理，利用多领域统一建模与仿真分析软件MWorks.Sysplorer，采用拖拽建模方式，构建起落架收放系统模型。

收放控制子系统收集收放机械子系统反馈信号，通过判断，激活相应的工作状态，输出指令信号给收放液压子系统，收放液压子系统接收相应的指令信号，控制换向阀换向，驱动起落架/舱门开锁、收放作动筒开始工作，收放作动筒和开锁作动筒的机械接口与收放机械子系统连接，将作动筒运动产生的物理信号传递给收放机械子系统中的运动副，实现起落架和舱门机械多体模型的运动。搭建好的飞机起落架收放系统仿真模型，通过注入系统仿真参数，就可以开展飞机起落架收放系统的虚拟仿真试验，进行飞机起落架收放系统动态行为预测，可以更全面、更清晰的分析模型搭建的准确性和起落架收放系统的功能及性能。

本发明基于模型库中的组件模型、子系统模型构建飞机起落架收放系统仿真模型，进行飞机起落架收放系统性能分析，也可以建立故障机制，模拟飞机起落架收放系统发生故障时的应急机制，对飞机其他机电液系统的建模仿真具有参考意义。

本发明是基于系统工程建模(MBSE)的思想，按照自顶向下的系统分解和自底向上的工程建模来完成系统仿真模型的开发。Modelica语言是一种面向对象的、基于方程的、非因果的多领域统一建模语言，针对涉及机械、电子、控制、液压、气动、热等多学科、多专业耦合的大规模复杂异构模型的构建具有天然的优势。

本发明采用的机理建模的方法，相比其他方法，模型仿真精度更高，更贴近实际系统工作状态，能够显著提高飞机起落架收放系统的研发效率，降低了研发成本，对飞机起落架收放系统的维护迭代具有重要意义。

本发明飞机起落架收放系统仿真模型还可以集成利用大气环境、干/湿跑道可以模拟不同的地面环境，飞机起落架收放系统仿真模型在极限条件下工作性能是否满足设计需求。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。