CN111507017B - 一种油气分离式缓冲器的动力学建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种油气分离式缓冲器的动力学建模方法，该动力学建模方法包括：生成缓冲器的力学模型图和轴向受力图；推导出缓冲器轴向力的表达方式；设定缓冲器行程与气腔行程的关系，缓冲器气腔压缩多变过程，并依此为基础得到气腔的瞬时压力；确定缓冲器油腔中油液流过阻尼孔的伯努利方程，并得到主油腔及回油腔瞬时压力；根据伯努利方程等得到缓冲器的动力学模型，该动力学模型包括缓冲器的空气弹簧力和油液阻尼力的表达方式；将已得到的缓冲器的动力学模型应用到起落。本发明实施例解决了油气分离式缓冲器的缓冲性能校核计算问题，并以此确定起落架系统中缓冲器部件的关键结构参数，以及初始充填参数的选取。

Description

一种油气分离式缓冲器的动力学建模方法

技术领域

本申请涉及但不限于起落架动力学仿真技术领域，尤指一种油气分离式缓冲器的动力学建模方法。

背景技术

飞机着陆时与地面撞击将产生较大的撞击能量，大部分能量需要通过起落架缓冲器吸收。起落架缓冲器参数配置的恰当与否，对缓冲器性能及其产生的相应载荷有着决定性的影响。在起落架设计前，通常需要对起落架缓冲系统的缓冲性能进行校核计算，在起落架缓冲系统的缓冲性能进行校核计算过程中，缓冲器的准确建模对起落架缓冲性能的评估至关重要。

目前在起落架缓冲性能仿真计算时，通常需要借助专用商业液压软件来完成缓冲器动力学建模。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种油气分离式缓冲器的动力学建模方法，通过建立油气分离式缓冲器的动力学模型，以解决油气分离式缓冲器的缓冲性能校核计算问题，并以此确定起落架系统中缓冲器部件的关键结构参数，以及初始充填参数的选取。

本发明实施例提供一种油气分离式缓冲器的动力学建模方法，包括：

生成油气分离式缓冲器的力学模型图和轴向受力图；

通过所述轴向受力图中的受力情况和静力平衡条件，推导出缓冲器轴向力的表达方式；

设定缓冲器行程与气腔行程的关系，以及缓冲器气腔压缩多变过程，并依此为基础得到气腔的瞬时压力；

确定缓冲器油腔中油液流过阻尼孔的伯努利方程，并根据伯努利方程得到主油腔及回油腔瞬时压力；

根据伯努利方程、主油腔及回油腔瞬时压力和缓冲器轴向力的表达方式，得到所述油气分离式缓冲器的动力学模型，所述动力学模型包括油气分离式缓冲器的空气弹簧力和油液阻尼力的表达方式；

将已得到的油气分离式缓冲器的动力学模型应用到起落架系统的设计中。

可选地，如上所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法中，所述生成油气分离式缓冲器的力学模型图和轴向受力图，包括：

步骤1，根据油气分离式缓冲器的结构生成力学模型图，所述力学模型图包括：通过主油孔相互连通的上部主油腔和下部主油腔，位于下部主油腔两侧、且与上部主油腔通过回油孔相连接的回油腔，以及与下部主油腔通过浮动活塞相关联的空气腔；

步骤2，根据油气分离式缓冲器的结构特征、油腔及气腔工作原理及性能特点，给出缓冲器的轴向受力图，所述轴向受力图中包括：主油腔瞬时压力、回油腔瞬时压力、当地大气压、缓冲器内部摩擦力和缓冲器结构限制力。

可选地，如上所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法中，所述推导出所述缓冲器轴向力的表达方式，包括：

步骤3，根据静力平衡条件，推导出所述缓冲器轴向力的表达式为：

F_S＝P_hA_h+P_atm(A_hs+ΔA)-P_atm(A_h+ΔA)-P_hsA_hs+F_f+f_l；

其中，P_h为主油腔瞬时压力，P_hs为回油腔瞬时压力，A_h为外筒内径面积，A_hs为回油腔压油面积，ΔA为外筒环形面积，P_atm为当地大气压力，F_f为缓冲器内部摩擦力，F_l为缓冲器结构限制力。

可选地，如上所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法中，所述设定缓冲器行程与气腔行程的关系，以及缓冲器气腔多变过程，并依次为基础得到气腔的瞬时压力，包括：

步骤4，定义缓冲器行程缓冲器行程S与气腔行程S_a的关系为：

A_hS＝A_aS_a+A_hsS；

其中，A_a是低压腔有效压气面积，S为缓冲器活塞行程；

步骤5，定义缓冲器气腔压缩多变过程为：

其中，V₀为缓冲支柱全伸长时的气腔的初始容积，P_a0为缓冲支柱全伸长时的气腔的初始压力，V为气腔瞬时容积，r为气体压缩多变指数；

步骤6，根据步骤4和步骤5，得到气腔的瞬时压力为：

可选地，如上所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法中，

所述气体压缩过程中的气体压缩多变指数在全行程的平均值取为：

r＝1.05～1.3；或者，

若将油气分离式缓冲器里的气体和油液隔离起来，则气体按气体压缩多变指数r＝1.4的绝热规律被压缩。

可选地，如上所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法中，所述确定缓冲器油腔中油液流过阻尼孔的伯努利方程，并根据伯努利方程得到主油腔及回油腔瞬时压力，包括：

步骤7，根据质量守恒原理给出油腔中油液流过阻尼孔A_d、A_dS的伯努利方程为：

其中，A_h为外筒内径面积，A_hs为回油腔压油面积，A_d为主油孔过流面积，A_ds为回油孔过流面积，V_d、V_ds分别为主、回油孔过流速度，C_d、C_ds分别为主、回油孔流量系数，为活塞杆瞬时速度；

步骤8，根据伯努利方程得到主油腔及回油腔瞬时压力为：

其中，P_h为主油腔瞬时压力，P_hs为回油腔瞬时压力，ρ为油液密度。

可选地，如上所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法中，所述得到油气分离式缓冲器的动力学模型，包括：

步骤9，根据步骤7、步骤8和步骤3得油气分离式缓冲器空气弹簧力F_a、油液阻尼力F_h的表达式分别为：

可选地，如上所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法中，所述将已得到的油气分离式缓冲器的动力学模型应用到起落架的设计中，包括：

步骤10，将已得到的油气分离式缓冲器的动力学模型应用到起落架系统的缓冲性能校核中，分析得到起落架系统的缓冲性能数据，并根据分析结果优化缓冲器的关键设计参数。

本发明实施例提供的油气分离式缓冲器的动力学建模方法，根据油气分离式缓冲器的结构特征、工作原理及性能特点，应用计算流体力学、液压与气压传动知识和动力学方程，给出一种油气分离式缓冲器动力学建模方法，应用该方法建立的缓冲器动力学模型可应用于起落架的缓冲性能校核，有效缩短起落架的设计研发周期。该动力学建模方法能够准确模拟出油液和气体在起落架系统的缓冲器压缩和伸展过程中的力学性能，相对于通常起落架缓冲性能仿真计算时，需要借助专用商业液压软件来完成缓冲器动力学建模来说，本发明实施提供的动力学建模方法简单、准确、易用并且节约设计成本。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例提供的一种油气分离式缓冲器的动力学建模方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种油气分离式缓冲器的结构示意图；

图3为根据图2所示油气分离式缓冲器生成的力学模型图；

图4为本发明实施例中油气分离式缓冲器的轴向受力图；

图5为配置有本发明实施提供的油气分离式缓冲器的起落架的结构示意图；

图6为采用本发明实施提供的油气分离式缓冲器的动力学模型计算出起落架系统的缓冲性能的结果；

图7为本发明实施例提供的油气分离式缓冲器在起落架系统中的功量示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

上述背景技术中以说明，在起落架设计前，要对起落架缓冲系统的缓冲性能进行校核计算。可以根据运动学和动力学方法，推导出起落架以使用速度触地后的运动微分方程组及几何关系方程。这些方程、公式中包含或隐含了缓冲系统的参数，求解微分方程组，可以得到运动过程中各个参数的变化，由此可以评价起落架系统的参数配置是否合理。经本发明实施例证明，经过校核计算确定的起落架系统的参数配置，能够使落震试验顺利完成，达到设计目的。油气分离式缓冲器的准确建模对起落架缓冲性能的评估至关重要。

本发明提供以下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。

图1为本发明实施例提供的一种油气分离式缓冲器的动力学建模方法的流程图。本实施例提供的油气分离式缓冲器的动力学建模方法可以包括如下步骤：

步骤a，生成油气分离式缓冲器的力学模型图和轴向受力图；

步骤b，通过轴向受力图中的受力情况和静力平衡条件，推导出缓冲器轴向力的表达方式；

步骤c，设定缓冲器行程与气腔行程的关系，以及缓冲器气腔压缩多变过程，并依此为基础得到气腔的瞬时压力；

步骤d，确定缓冲器油腔中油液流过阻尼孔的伯努利方程，并根据伯努利方程得到主油腔及回油腔瞬时压力；

步骤e，根据伯努利方程、主油腔及回油腔瞬时压力和缓冲器轴向力的表达方式，得到油气分离式缓冲器的动力学模型，该动力学模型包括油气分离式缓冲器的空气弹簧力和油液阻尼力的表达方式；

步骤f，将已得到的油气分离式缓冲器的动力学模型应用到起落架系统的设计中。

本发明实施例根据油气分离式缓冲器的结构特征、工作原理及性能特点，应用计算流体力学、液压与气压传动知识和动力学方程，给出了油气分离式缓冲器的动力学建模方法，该建模方法可以应用于配置有油气分离式缓冲器的起落架系统的缓冲性能计算中。经证明，本发明实施例提供的油气分离式缓冲器的动力学建模方法可方便、准确地仿真计算起落架系统的缓冲性能，帮助确定油气分离式缓冲器关键设计参数，有效提高起落架系统的设计效率。

以下对本发明实施例提供的油气分离式缓冲器的动力学建模方法，以及采用该动力学建模方法的到的动力学模型对起落架系统的设计应用的实现方式进行详细说明。

在本发明实施例中，步骤a中生成油气分离式缓冲器的力学模型图和轴向受力图的实现方式，可以包括：

步骤1，根据油气分离式缓冲器的结构生成力学模型图。

图2为本发明实施例提供的一种油气分离式缓冲器的结构示意图，图3为根据图2所示油气分离式缓冲器生成的力学模型图。该力学模型图包括：第一主油腔，与第一主油腔通过主油孔相连接的第二主油腔，位于第二主油腔两侧、且与第一主油腔通过回油孔相连接的回油腔，以及与第二主油腔通过浮动活塞相关联的空气腔。

步骤2，根据油气分离式缓冲器的结构特征、油腔及气腔工作原理及性能特点，给出缓冲器的轴向受力图。如图4所示，为本发明实施例中油气分离式缓冲器的轴向受力图。该轴向受力图中包括：主油腔瞬时压力、回油腔瞬时压力、当地大气压、缓冲器内部摩擦力和缓冲器结构限制力。

在本发明实施例中，步骤b中推导出所述缓冲器轴向力的表达方式的实现方式，可以包括：

步骤3，静力平衡条件，推导出所述缓冲器轴向力的表达式为：

F_S＝P_hA_h+P_atm(A_hs+ΔA)-P_atm(A_h+ΔA)-P_hsA_hs+F_f+F_l； (1)

上述式(1)中，P_h为主油腔瞬时压力，P_hs为回油腔瞬时压力，A_h为外筒内径面积，A_hs为回油腔压油面积(即外筒内径-活塞杆外径的面积)，ΔA为外筒环形面积，P_atm为当地大气压力(可以设定为＝1.014x10⁵N)，F_f为缓冲器内部摩擦力，F_l为缓冲器结构限制力。

在本发明实施例中，步骤c中设定缓冲器行程与气腔行程的关系，以及缓冲器气腔多变过程，并依此为基础得到气腔的瞬时压力的实现方式，可以包括：

步骤4，定义缓冲器行程缓冲器行程S与气腔行程S_a的关系为：

A_hS＝A_aS_a+A_hsS； (2)

上述式(2)中，A_a是低压腔有效压气面积，S为缓冲器活塞行程。

步骤5，定义缓冲器气腔压缩多变过程为：

上述式(3)中，V₀为缓冲支柱全伸长时的气腔的初始容积，P_a0为缓冲支柱全伸长时的气腔的初始压力，V为气腔瞬时容积，r为气体压缩多变指数。

需要说明的是，缓冲器里的气体压缩过程进行得很快，通常为几分之一秒以至在压缩中放出的热量来不及通过支柱外筒传到外面去，压缩过程应当是绝热的。但是由于油液在受压时喷溅到缓冲器气腔里，形成了油液与气体间发生强烈交换的混合体，以及由于气体在高压下进入油液中，所以气体在缓冲器里的压缩过程成了多变过程。气体压缩过程气体多变指数在全行程的平均值取为：r＝1.05～1.3。如果把油-气式缓冲器里的气体和油液隔离起来，则气体压缩的物理过程中油—气是互不相关的，气体将按气体压缩多变指数r＝1.4的绝热规律而被压缩。此时，无论是在缓冲器第一次受压或是重复受压时，流经油孔的油液不会有气泡存在。

步骤6，根据步骤4和步骤5，得到气腔的瞬时压力为：

在本发明实施例中，步骤d中确定缓冲器油腔中油液流过阻尼孔的伯努利方程，并根据伯努利方程得到主油腔及回油腔瞬时压力的实现方式，可以包括：

步骤7，根据质量守恒原理给出油腔中油液流过阻尼孔A_d、A_dS的伯努利方程为：

上述式(5)中，A_h为外筒内径面积，A_hs为回油腔压油面积，A_d为主油孔过流面积，A_ds为回油孔过流面积，V_d、V_ds分别为主、回油孔过流速度，C_d、C_ds分别为主、回油孔流量系数，为活塞杆瞬时速度。

步骤8，根据伯努利方程得到主油腔及回油腔瞬时压力为：

上述式(6)中，P_h为主油腔瞬时压力，P_hs为回油腔瞬时压力，ρ为油液密度。

在本发明实施例中，步骤e中得到油气分离式缓冲器的动力学模型的实现方式，可以包括：

步骤9，根据步骤7、步骤8和步骤3得油气分离式缓冲器空气弹簧力F_a、油液阻尼力F_h的表达式分别为：

在此，完成油气分离式缓冲器的动力学建模，上述式(7)和式(8)即为通过本发明实施例提供的动力学建模方法得到的油气分离式缓冲器的动力学模。

在本发明实施例中，步骤f中建模方法应用的实现方式，可以包括：

步骤10，将已得到的油气分离式缓冲器的动力学模型应用于一款起落架系统的设计中，具体应用于起落架系统的缓冲性能校核中，计算得到起落架系统的缓冲性能数据，并根据分析结果优化缓冲器压油面积、主油孔等关键设计参数。实际应用中，通过将上述式(7)和式(8)代入到整个起落架系统的动力学方程中，可得到其缓冲性能数据。

图5为配置有本发明实施提供的油气分离式缓冲器的起落架的结构示意图，图6为采用本发明实施提供的油气分离式缓冲器的动力学模型计算出起落架系统的缓冲性能的结果，图7为本发明实施例提供的油气分离式缓冲器在起落架系统中的功量示意图。

通过对本发明实施例中油气分离式缓冲器的动力学模型的应用结果表明，本发明实施提供的方法能准确预测油气分离式缓冲器的缓冲性能，有效缩短起落架的设计周期。

本发明实施例提供的油气分离式缓冲器的动力学建模方法，根据油气分离式缓冲器的结构特征、工作原理及性能特点，应用计算流体力学、液压与气压传动知识和动力学方程，给出一种油气分离式缓冲器动力学建模方法，应用该方法建立的缓冲器动力学模型可应用于起落架的缓冲性能校核，有效缩短起落架的设计研发周期。该动力学建模方法能够准确模拟出油液和气体在起落架系统的缓冲器压缩和伸展过程中的力学性能，相对于通常起落架缓冲性能仿真计算时，需要借助专用商业液压软件来完成缓冲器动力学建模来说，本发明实施提供的动力学建模方法简单、准确、易用并且节约设计成本。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种油气分离式缓冲器的动力学建模方法，其特征在于，包括：

生成油气分离式缓冲器的力学模型图和轴向受力图；

通过所述轴向受力图中的受力情况和静力平衡条件，推导出缓冲器轴向力的表达方式；

设定缓冲器行程与气腔行程的关系，以及缓冲器气腔压缩多变过程，并依此为基础得到气腔的瞬时压力；

确定缓冲器油腔中油液流过阻尼孔的伯努利方程，并根据伯努利方程得到主油腔及回油腔瞬时压力；

根据伯努利方程、主油腔及回油腔瞬时压力和缓冲器轴向力的表达方式，得到所述油气分离式缓冲器的动力学模型，所述动力学模型包括油气分离式缓冲器的空气弹簧力和油液阻尼力的表达方式；

将已得到的油气分离式缓冲器的动力学模型应用到起落架系统的设计中。

2.根据权利要求1所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法，其特征在于，所述生成油气分离式缓冲器的力学模型图和轴向受力图，包括：

步骤1，根据油气分离式缓冲器的结构生成力学模型图，所述力学模型图包括：通过主油孔相互连通的上部主油腔和下部主油腔，位于下部主油腔两侧、且与上部主油腔通过回油孔相连接的回油腔，以及与下部主油腔通过浮动活塞相关联的空气腔；

步骤2，根据油气分离式缓冲器的结构特征、油腔及气腔工作原理及性能特点，给出缓冲器的轴向受力图，所述轴向受力图中包括：主油腔瞬时压力、回油腔瞬时压力、当地大气压、缓冲器内部摩擦力和缓冲器结构限制力。

3.根据权利要求2所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法，其特征在于，所述推导出所述缓冲器轴向力的表达方式，包括：

步骤3，根据静力平衡条件，推导出所述缓冲器轴向力的表达式为：

F_S＝P_hA_h+P_atm(A_hs+ΔA)-P_atm(A_h+ΔA)-P_hsA_hs+F_f+F_l；

其中，P_h为主油腔瞬时压力，P_hs为回油腔瞬时压力，A_h为外筒内径面积，A_hs为回油腔压油面积，ΔA为外筒环形面积，P_atm为当地大气压力，F_f为缓冲器内部摩擦力，F_l为缓冲器结构限制力。

4.根据权利要求3所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法，其特征在于，所述设定缓冲器行程与气腔行程的关系，以及缓冲器气腔多变过程，并依次为基础得到气腔的瞬时压力，包括：

步骤4，定义缓冲器行程缓冲器行程S与气腔行程Sa的关系为：

A_hS＝A_aS_a+A_hsS；

其中，A_a是低压腔有效压气面积，S为缓冲器活塞行程；

步骤5，定义缓冲器气腔压缩多变过程为：

其中，V₀为缓冲支柱全伸长时的气腔的初始容积，P_a0为缓冲支柱全伸长时的气腔的初始压力，V为气腔瞬时容积，r为气体压缩多变指数；

步骤6，根据步骤4和步骤5，得到气腔的瞬时压力为：

5.根据权利要求4所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法，其特征在于，

所述气体压缩过程中的气体压缩多变指数在全行程的平均值取为：

r＝1.05～1.3；或者，

若将油气分离式缓冲器里的气体和油液隔离起来，则气体按气体压缩多变指数r＝1.4的绝热规律被压缩。

6.根据权利要求4所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法，其特征在于，所述确定缓冲器油腔中油液流过阻尼孔的伯努利方程，并根据伯努利方程得到主油腔及回油腔瞬时压力，包括：

步骤7，根据质量守恒原理给出油腔中油液流过阻尼孔A_d、A_dS的伯努利方程为：

其中，A_h为外筒内径面积，A_hs为回油腔压油面积，A_d为主油孔过流面积，A_ds为回油孔过流面积，V_d、V_ds分别为主、回油孔过流速度，C_d、C_ds分别为主、回油孔流量系数，为活塞杆瞬时速度；

步骤8，根据伯努利方程得到主油腔及回油腔瞬时压力为：

其中，P_h为主油腔瞬时压力，P_hs为回油腔瞬时压力，ρ为油液密度。

7.根据权利要求6所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法，其特征在于，所述得到油气分离式缓冲器的动力学模型，包括：

步骤9，根据步骤7、步骤8和步骤3得油气分离式缓冲器空气弹簧力F_a、油液阻尼力F_h的表达式分别为：

8.根据权利要求7所述的油气分离式缓冲器的动力学建模方法，其特征在于，所述将已得到的油气分离式缓冲器的动力学模型应用到起落架的设计中，包括：

步骤10，将已得到的油气分离式缓冲器的动力学模型应用到起落架系统的缓冲性能校核中，分析得到起落架系统的缓冲性能数据，并根据分析结果优化缓冲器的关键设计参数。