SIMULATIONX在航空飞行器领域的应用
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2．环控系统
利用 SIMULATIONX 工程师可以建立飞行器中完整的环控系统的模型，模型中包 括冷却包，循环风扇、分布阀、输送管、喷嘴等元件。对模型可以进行各种真实的工况 分析，像飞行器的地面状态、爬升状态、巡航状态和降落状态，精确预测各状态下的环 控系统中各点的压力、温度、压降和其他性能参数。
ECS 系统比较复杂，它们用来控制飞行器舱内的温度、湿度、压力和压力变化的速 度。该 ECS 一小时数次给各处的乘客平衡地分配调节好的空气，它们也负责冷却飞行 器器系统，比如电子仪器。该 ECS 会根据外部空气温度的变化以及由于发动机功率的 设置变化而引起的空气压力变化进行动态调整。
SimulationX
领跑在工程化系统工程建模和仿真技术的最前沿
德国 ITI 有限公司
SIMULATION SOFTWARE ENGINEERING
复杂供油系统模型
这种能力让工程师在对复杂供油系统进行"what-if"仿真分析时具有了很大的柔 性。在今天的飞行器上，供油系统不但要给发动机提供燃料，还要利用燃油来控制飞行 器的质心，电子控制阀和泵的操作顺序可以将需要的油量从一个油箱转移到另一个油 箱。同时，燃油系统可以作为热的吸收器，吸收发动机润滑系统或液力系统产生的热 量。这些系统包括控制阀、热交换器、泵和控制系统。因为成本和安全的原因，像这种 复杂的系统必须要求“一次成功”。针对这种要求，工程师完全可以利用 SIMULATIONX 达到设计目的。
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www.simulationx.com.cn
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领跑在工程化系统工程建模和仿真技术的最前沿
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5. 主飞行器控制中的电液作动器
近年来，由于航电(FBW)系统和功率电传 (PBM)系统的发展，现已成为目前航空作 动系统的标准。因此，在电传系统和分布 式液压系统结构（目前典型是 2 个电路和 2 个液压回路）的改进是必要的。电液作 动器（EHA）就是 PBW 系统其中一例。 图 1 是 1995 年 Goldenberg 和 Habibi 给出 的 EHA 示意图。
传感器测量汽缸的位移。 测量信号和控制信号的差作为控制器的输入信号。控制器的输出信号传递到与泵直接相 连的伺服电动机。作动器通过平动转换元件直接连接到副翼的多体系统模型。根据分析 的目标，附加负载的分析，及冲压 气流，很容易的添加到系统中。根 据结果物理量和 3D 可动画，可同 时观察模型的特性。3D 显示可自 由转动，放大及在不同的模式间的 转换，如透视图，等积图，实体 图，和线框图等。
不同调节器增益的阶跃响应（左） 6. 航空发动机转速调节器性能仿真
1 作动器 A 室的压力和电机需用功率（右）
转速调节器是航空发动机燃油调节系统的重要部件，所以在发动机燃油调节系统的 设计中，对转速调节器的仿真研究也是整个燃油调节系统设计的重要部分。可利用多学 科仿真软件 SimulationX 对转速调节器的动态仿真研究。
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SIMULATIONX 在航空飞行器领域的应用
飞机设计是一个非常复杂的专业，涉及到的研究领域有燃油、环控、液压、控制、 机械、电子等众多系统，而各系统之间经常互相作用，为此，要求仿真设计软件要具备 多学科仿真分析能力。而 SIMULATIONX 作为目前先进的多学科系统工程仿真分析平台涵 盖了燃油、环控、液压，电磁，控制、机械系统多领域，并有着完备的接口。用户可以 根据飞机设计单位的具体应用自己来选择分析模块。。
发动机转速控制是发动机控制中最基本、最重要的控制。因为发动机转速大小不仅 基本上决定了发动机推力大小，而且也决定了发动机叶片强度和涡轮前温度大小，因此 控制发动机转速大小也就控制了发动机推力大小和发动机的叶片强度，这对于保证发动 机安全运行也具有十分重要的意义；所以随着航空发动机系统性能的迅速提高，要求更 加充分的发挥发动机的潜力，从而需要设计最优发动机转速控制系统，以保证发动机被
飞机内部的冷循环温度不能超越规定的限度，为的是避免机器损坏和使机器在一个适当 的环境中运转。同样舱室内的温度必须调节的与乘坐者的需求一致。通过快速地系统仿 真和高效率的调查关于不同的种类热转换器或控制方法是可以执行性。工程师可以利用 SIMULATIONX 空调系统模块完成空调系统的优化设计。还可以通过传感器观测随时 间变化的各点状态量，如下 p,h-Diagram。
• 减小尺寸，使在有限的空间内安装更加容易，而剩余的空间为其它部件的安装带 来更大的便利。
• 减轻重量，使系统载重负荷更小，降低运营成本，提高利润。 • 提高效率，使系统功耗更低，降低机身阻力，节省燃油消耗、降低成本。
挑战来自在竞争对手之前将产品投入市场。更快的产品研发周期意味着更加迅速的战略 市场。
Avionics Cooling
Oxygen Systems Environmental Control Systems
Control Surface
On-board fuel systems Landing Gear Hydraulics
Engine Thermal Management
1．燃油系统
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SimulationX
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采用 EHA 技术副翼作动 系统的 SimulationX 模 型。模型是由两个独立运 行的 EHA 单位组成。模 型是由 SimulationX 中信 号模块，液压，传动和多 体动力学库的元件建立而 成。
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SimulationX
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控参数不变或按预定的规律变化，从而达到控制发动机推力（或功率）的目的。在设计 发动机转速控制系统中，常常采用仿真来探讨转速控制系统调节器各结构尺寸与发动机 调节器各参数之间的关系，以便设计最优的发动机转速控制系统。德国 ITI 公司的多学 科仿真软件 SimulationX, 集一维和三维力学于一体，对某型航空发动机转速自动调节 器的建模仿真将十分方便。航空发动机转速调节器性能仿真
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4．空调系统
蒸汽循环制冷在中小型商务客机、直升飞机空调系统中所普遍采用。空调系统利用冷却 介质的蒸发循环过程为成员舱提供舒适的环境以及对设备进行必要冷却。 在 OEM 厂商及航空用户的压力下，工程师必须设计出最小、最轻、效率最高的空调系 统组件，客户们的要求主要出于以下原因：
开循环系统 Bode 图和 k=1 的零极点图 15
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模型所有的内部变量，如位移，速度，压力，很容易观测到和求值。下左图显示不同调 节器增益闭循环系统的阶跃响应。还有对应几个调节器增益的 1 作动器 A 室压力和发 动机需用功率也显示给出。
如今，EHA 系统广泛的用于航行器副翼和升降舵的作动系统。在性能方面的优势可 以看到，如减轻重量，提高效率，消除潜在泄漏源以及增加功率密度方面。EHA 系统 由变速伺服电动机推动双向固定柱塞泵，对称汽缸，安全转换阀，作动器和传感器组 成。由于泵和作动器的直接联，作动器的运动直接取决于泵的速度和方向。
3. 液压系统
对飞行器上带有支路的液压系统进行分析是一个难题，即使在稳态下也是如此（即 系统中的元件或参数没有发生变化，而且系统中流体的压力和流量在某个时间段没有变 化），尽管每个分支中每个元件都有明确的数学公式，但手工计算系统的压力和流量仍
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按照工程师的设计目标分析系统驱动特性和元件的尺寸。SimulationX 帮助工程师进行 控制器参数标定 和在系统故障的情况时（如传感器故障）设计合适的控制方案。另 外，在多个运行条件下系统的稳定性均可观察到，如风力或温度的影响。控制器设计首 先要确定控制对象的行为。对于控制器设计系统分析，SimulationX 中提供的更多详细 的方法，输入输出分析的 Bode 图，Nyquist 图，零极点图
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飞机环控系统示意图及模型
在设计 ECS 系统时，工程师必须考虑所有这些因素。由于系统的复杂性以及希望 缩短设计周期，工程师现在要利用如多学科系统工程仿真分析平台 SIMULATIONX 以 迎接挑战。SIMULATIONX 是一个包含流体分析多学科系统工程仿真分析平台，他的 热流体库如上图右，它支持分析稳态的和瞬态的、有或者没有热传递、可压缩的和不可 压缩的流体，它是用来分析复杂 ECS 的理想工具，工程师用它对重要的设计进行系统 行为的预测。它的灵活性和快速分析能力提供了分析许多不同的重要设计方案的可能 性，便于工程师在规定的设计周期内对环境控制系统的内部环节进行深入的分析。
复杂模型的仿真过程分成 热范围和质量传输，通过 SimulationX 的热Fra Baidu bibliotek-流体 模型库 的帮助可以有效 的实现 。通过热交换模 型元件和节流阀，作用像 节温阀一样，冷循环网络 可以被设计，允许大范围 的冷却系统进行综合分 析。热力学的一个标准任 务是冷循环的建立和计 算，它带有连接空气换气扇的热发动机和坐舱加温。在接下来的汽车里的冷却循环动力 系统将会被描述。
工程师可以利用 SIMULATIONX 中的元件，诸如油箱、泵、管道、控制阀、止回阀 等，建立完整的飞行器供油系统模型，对模型可以进行各种工况的仿真，精确的得到每 种工况的油压、流量、温度、流速和其他性能参数，同时也可以进行瞬态的热传导分 析。
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是很困难的事情，主要原因就是各分支是连接在一起并互相影响的。而对于系统的瞬态 分析（即系统中的元件或参数随时都在发生变化）来说，系统压力和流量的计算量更是 一件庞大而复杂的工作，手工计算几乎是不可能的事情，那么利用 SIMULATIONX 就 很容易解决这个问题。
因此，用仿真工具（如 SIMULATIONX）建立虚拟样机变得非常必要。要实现一个 最佳的设计，时常要将计算机仿真与实物仿真设备联合使用，用来确定一些设计中的未 知量。SIMULATIONX 能通过 HiL 帮助工程师实现在时间和成本制约下的“一次设计 成功 ”。
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液压缸 (位置控制)
外部扭矩
SIMULATIONX 起落架液压系统模型
航天工程师使用 SIMULATIONX 来建立航天飞机液压系统计算机模型。这一系统 包括的液压元件有：泵、压力调节阀、方向控件阀、液压缸、T 形和 Y 形三通、供油管 和回油管，这些模型能用来实现系统在正常及异常的运转情况下的仿真，可以确定系统 稳态的和瞬态的压力损失、动态性能、零件和次系统之间的交互作用和瞬间压力峰值， 另外，还可以预测该液压系统的热性能。
利用 SIMULATIONX 工程师可以建立飞行器中完整的环控系统的模型，模型中包 括冷却包，循环风扇、分布阀、输送管、喷嘴等元件。对模型可以进行各种真实的工况 分析，像飞行器的地面状态、爬升状态、巡航状态和降落状态，精确预测各状态下的环 控系统中各点的压力、温度、压降和其他性能参数。
ECS 系统比较复杂，它们用来控制飞行器舱内的温度、湿度、压力和压力变化的速 度。该 ECS 一小时数次给各处的乘客平衡地分配调节好的空气，它们也负责冷却飞行 器器系统，比如电子仪器。该 ECS 会根据外部空气温度的变化以及由于发动机功率的 设置变化而引起的空气压力变化进行动态调整。
SimulationX
领跑在工程化系统工程建模和仿真技术的最前沿
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复杂供油系统模型
这种能力让工程师在对复杂供油系统进行"what-if"仿真分析时具有了很大的柔 性。在今天的飞行器上，供油系统不但要给发动机提供燃料，还要利用燃油来控制飞行 器的质心，电子控制阀和泵的操作顺序可以将需要的油量从一个油箱转移到另一个油 箱。同时，燃油系统可以作为热的吸收器，吸收发动机润滑系统或液力系统产生的热 量。这些系统包括控制阀、热交换器、泵和控制系统。因为成本和安全的原因，像这种 复杂的系统必须要求“一次成功”。针对这种要求，工程师完全可以利用 SIMULATIONX 达到设计目的。
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5. 主飞行器控制中的电液作动器
近年来，由于航电(FBW)系统和功率电传 (PBM)系统的发展，现已成为目前航空作 动系统的标准。因此，在电传系统和分布 式液压系统结构（目前典型是 2 个电路和 2 个液压回路）的改进是必要的。电液作 动器（EHA）就是 PBW 系统其中一例。 图 1 是 1995 年 Goldenberg 和 Habibi 给出 的 EHA 示意图。
传感器测量汽缸的位移。 测量信号和控制信号的差作为控制器的输入信号。控制器的输出信号传递到与泵直接相 连的伺服电动机。作动器通过平动转换元件直接连接到副翼的多体系统模型。根据分析 的目标，附加负载的分析，及冲压 气流，很容易的添加到系统中。根 据结果物理量和 3D 可动画，可同 时观察模型的特性。3D 显示可自 由转动，放大及在不同的模式间的 转换，如透视图，等积图，实体 图，和线框图等。
不同调节器增益的阶跃响应（左） 6. 航空发动机转速调节器性能仿真
1 作动器 A 室的压力和电机需用功率（右）
转速调节器是航空发动机燃油调节系统的重要部件，所以在发动机燃油调节系统的 设计中，对转速调节器的仿真研究也是整个燃油调节系统设计的重要部分。可利用多学 科仿真软件 SimulationX 对转速调节器的动态仿真研究。
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SIMULATIONX 在航空飞行器领域的应用
飞机设计是一个非常复杂的专业，涉及到的研究领域有燃油、环控、液压、控制、 机械、电子等众多系统，而各系统之间经常互相作用，为此，要求仿真设计软件要具备 多学科仿真分析能力。而 SIMULATIONX 作为目前先进的多学科系统工程仿真分析平台涵 盖了燃油、环控、液压，电磁，控制、机械系统多领域，并有着完备的接口。用户可以 根据飞机设计单位的具体应用自己来选择分析模块。。
发动机转速控制是发动机控制中最基本、最重要的控制。因为发动机转速大小不仅 基本上决定了发动机推力大小，而且也决定了发动机叶片强度和涡轮前温度大小，因此 控制发动机转速大小也就控制了发动机推力大小和发动机的叶片强度，这对于保证发动 机安全运行也具有十分重要的意义；所以随着航空发动机系统性能的迅速提高，要求更 加充分的发挥发动机的潜力，从而需要设计最优发动机转速控制系统，以保证发动机被
飞机内部的冷循环温度不能超越规定的限度，为的是避免机器损坏和使机器在一个适当 的环境中运转。同样舱室内的温度必须调节的与乘坐者的需求一致。通过快速地系统仿 真和高效率的调查关于不同的种类热转换器或控制方法是可以执行性。工程师可以利用 SIMULATIONX 空调系统模块完成空调系统的优化设计。还可以通过传感器观测随时 间变化的各点状态量，如下 p,h-Diagram。
• 减小尺寸，使在有限的空间内安装更加容易，而剩余的空间为其它部件的安装带 来更大的便利。
• 减轻重量，使系统载重负荷更小，降低运营成本，提高利润。 • 提高效率，使系统功耗更低，降低机身阻力，节省燃油消耗、降低成本。
挑战来自在竞争对手之前将产品投入市场。更快的产品研发周期意味着更加迅速的战略 市场。
Avionics Cooling
Oxygen Systems Environmental Control Systems
Control Surface
On-board fuel systems Landing Gear Hydraulics
Engine Thermal Management
1．燃油系统
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德国 ITI 有限公司
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采用 EHA 技术副翼作动 系统的 SimulationX 模 型。模型是由两个独立运 行的 EHA 单位组成。模 型是由 SimulationX 中信 号模块，液压，传动和多 体动力学库的元件建立而 成。
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德国 ITI 有限公司
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控参数不变或按预定的规律变化，从而达到控制发动机推力（或功率）的目的。在设计 发动机转速控制系统中，常常采用仿真来探讨转速控制系统调节器各结构尺寸与发动机 调节器各参数之间的关系，以便设计最优的发动机转速控制系统。德国 ITI 公司的多学 科仿真软件 SimulationX, 集一维和三维力学于一体，对某型航空发动机转速自动调节 器的建模仿真将十分方便。航空发动机转速调节器性能仿真
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德国 ITI 有限公司
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4．空调系统
蒸汽循环制冷在中小型商务客机、直升飞机空调系统中所普遍采用。空调系统利用冷却 介质的蒸发循环过程为成员舱提供舒适的环境以及对设备进行必要冷却。 在 OEM 厂商及航空用户的压力下，工程师必须设计出最小、最轻、效率最高的空调系 统组件，客户们的要求主要出于以下原因：
开循环系统 Bode 图和 k=1 的零极点图 15
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领跑在工程化系统工程建模和仿真技术的最前沿
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SIMULATION SOFTWARE ENGINEERING
模型所有的内部变量，如位移，速度，压力，很容易观测到和求值。下左图显示不同调 节器增益闭循环系统的阶跃响应。还有对应几个调节器增益的 1 作动器 A 室压力和发 动机需用功率也显示给出。
如今，EHA 系统广泛的用于航行器副翼和升降舵的作动系统。在性能方面的优势可 以看到，如减轻重量，提高效率，消除潜在泄漏源以及增加功率密度方面。EHA 系统 由变速伺服电动机推动双向固定柱塞泵，对称汽缸，安全转换阀，作动器和传感器组 成。由于泵和作动器的直接联，作动器的运动直接取决于泵的速度和方向。
3. 液压系统
对飞行器上带有支路的液压系统进行分析是一个难题，即使在稳态下也是如此（即 系统中的元件或参数没有发生变化，而且系统中流体的压力和流量在某个时间段没有变 化），尽管每个分支中每个元件都有明确的数学公式，但手工计算系统的压力和流量仍
11
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按照工程师的设计目标分析系统驱动特性和元件的尺寸。SimulationX 帮助工程师进行 控制器参数标定 和在系统故障的情况时（如传感器故障）设计合适的控制方案。另 外，在多个运行条件下系统的稳定性均可观察到，如风力或温度的影响。控制器设计首 先要确定控制对象的行为。对于控制器设计系统分析，SimulationX 中提供的更多详细 的方法，输入输出分析的 Bode 图，Nyquist 图，零极点图
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在设计 ECS 系统时，工程师必须考虑所有这些因素。由于系统的复杂性以及希望 缩短设计周期，工程师现在要利用如多学科系统工程仿真分析平台 SIMULATIONX 以 迎接挑战。SIMULATIONX 是一个包含流体分析多学科系统工程仿真分析平台，他的 热流体库如上图右，它支持分析稳态的和瞬态的、有或者没有热传递、可压缩的和不可 压缩的流体，它是用来分析复杂 ECS 的理想工具，工程师用它对重要的设计进行系统 行为的预测。它的灵活性和快速分析能力提供了分析许多不同的重要设计方案的可能 性，便于工程师在规定的设计周期内对环境控制系统的内部环节进行深入的分析。
复杂模型的仿真过程分成 热范围和质量传输，通过 SimulationX 的热Fra Baidu bibliotek-流体 模型库 的帮助可以有效 的实现 。通过热交换模 型元件和节流阀，作用像 节温阀一样，冷循环网络 可以被设计，允许大范围 的冷却系统进行综合分 析。热力学的一个标准任 务是冷循环的建立和计 算，它带有连接空气换气扇的热发动机和坐舱加温。在接下来的汽车里的冷却循环动力 系统将会被描述。
工程师可以利用 SIMULATIONX 中的元件，诸如油箱、泵、管道、控制阀、止回阀 等，建立完整的飞行器供油系统模型，对模型可以进行各种工况的仿真，精确的得到每 种工况的油压、流量、温度、流速和其他性能参数，同时也可以进行瞬态的热传导分 析。
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德国 ITI 有限公司
SIMULATION SOFTWARE ENGINEERING
是很困难的事情，主要原因就是各分支是连接在一起并互相影响的。而对于系统的瞬态 分析（即系统中的元件或参数随时都在发生变化）来说，系统压力和流量的计算量更是 一件庞大而复杂的工作，手工计算几乎是不可能的事情，那么利用 SIMULATIONX 就 很容易解决这个问题。
因此，用仿真工具（如 SIMULATIONX）建立虚拟样机变得非常必要。要实现一个 最佳的设计，时常要将计算机仿真与实物仿真设备联合使用，用来确定一些设计中的未 知量。SIMULATIONX 能通过 HiL 帮助工程师实现在时间和成本制约下的“一次设计 成功 ”。
12
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液压缸 (位置控制)
外部扭矩
SIMULATIONX 起落架液压系统模型
航天工程师使用 SIMULATIONX 来建立航天飞机液压系统计算机模型。这一系统 包括的液压元件有：泵、压力调节阀、方向控件阀、液压缸、T 形和 Y 形三通、供油管 和回油管，这些模型能用来实现系统在正常及异常的运转情况下的仿真，可以确定系统 稳态的和瞬态的压力损失、动态性能、零件和次系统之间的交互作用和瞬间压力峰值， 另外，还可以预测该液压系统的热性能。