机场仿真范文

机场仿真范文（精选5篇）

机场仿真 第1篇

关键词：重庆机场,塔台选址,遮蔽分析,仿真与建议

塔台是机场及机场附近空中交通安全、有序、迅速的流通, 并向其管制下的航空器放行许可和发布情报, 以防止地面障碍物、航空器、交通车辆等之间发生碰撞的关键基础设施。因此, 塔台管制人员须对机场及其附近所有的飞行活动, 包括机动区内的车辆、人员、障碍物保持不间断目视观测, 在低能见度的天气条件下由可供使用的雷达加强。

当因机场扩建、改建或新建等导致机场管制范围和空域结构发生变化时, 空管、机场当局或其他组织机构需对塔台位置和高度进行分析论证, 以保障塔台管制与机场运行协调一致, 满足空管安全管理和机场高效运行[1]。

1 重庆机场工程和空管工程概况

1.1 机场工程

重庆机场四期扩建是在现有第二跑道东侧1620米处新建一条长3800米、宽75米的4F级第三跑道及相应的滑行道、联络道以及相配套的设施, 相对于第二跑道由南向北错开1600米, 可起降世界上最大飞机A380;在第二、第三跑道之间新建53万平方米的T3A航站楼 (含用于特种车库的3万平方米架空层面积, 建筑高度49米) ;T3A航站楼前建设26万平方米的综合交通枢纽, 集城际列车、轻轨、APM、长途大巴、停车楼于一体;新建停机坪80万平方米, 新增停机位94个;新建10.05万平方米货运站及配套用房;配套建设20万平方米的东工作区, 包括消防救援、配餐、通信、供电、供水、供冷、供热等工程及辅助生产生活设施。

T3B航站楼是远期建设的卫星厅, 与T3A行成“主楼+卫星”的模式、一同承担东区远期5500万旅客吞吐量。T3B航站楼规划面积约20万平方米。据此, 假定T3B建成规模为地下一层, 地上二层, 总高度估计为20~30米。

1.2 空管工程

建一座塔台和2500平方米的裙楼, 建设管制大楼及通导气象业务用房11000平方米、职工食堂3000平方米、过渡周转用房4918平方米、值班宿舍4397平方米;建设1套场面监视雷达、1套多点定位系统及航管、通信、气象、导航等设施设备。

2 塔台地址初选

重庆机场塔台选址首要职能是保证机场空侧运行安全, 并在此基础上极可能提高并满足机场及空域运行效率。为确保塔台位置和高度的安全、合理、适用、高效, 在进行塔台选址和高度评估时要综合考虑重庆机场本期建设内容、总体规划、净空限制、管制区域通视和管制目标的识别、本场气象、交通、飞行程序及塔台管制人员的日常工作和习惯等。结合以上情况, 重庆机场的塔台拟定了4个备选位置点。

塔台备选位置P1点:位于机场东区T3A和T3B航站楼之间, 靠近地下通道西北方向。

塔台备选位置P2点:位于机场东区T3A和T3B航站楼之间, 靠近地下通道东北方向。

塔台备选位置P3点:位于机场东区T3A和T3B航站楼之间, 靠近地下通道西南方向。

塔台备选位置P4点:位于机场东区T3A和T3B航站楼之间, 靠近地下通道东南方向。

T3A航站楼高点H1、H2:设计建筑标高49米, 设计建筑正负零高程408.5米。

T3A航站楼:设定建筑标高20~30米, 设定建筑正负零高程400米。

3 遮蔽分析与建模仿真

重庆塔台遮蔽主要是从运行安全和效率方面, 结合重庆本期机场规划和总体布局, 对塔台管制范围进行分析, 尤其是对于未来多跑道运行的重庆机场来说, 地面障碍物 (重点是航站楼) 、管制方式、飞行程序、飞机性能都是影响塔台选址的因素。本文的塔台遮蔽计算是通过采用重庆机场和空管分局提供的真实、准确的测绘、设计、统计数据, 使用地理信息软件对重庆机场航站楼位置和高度、跑道位置和长度、滑行道、停机坪等进行建模, 然后以确定的分辨率沿着机场的横坐标和纵坐标选取点位, 分析所选点位与目标点位的连线是否通视, 逐一分析模型中所有的点位, 最后完成遮蔽计算。最后, 利用3D仿真软件建立重庆机场的仿真模型, 模拟塔台视景并对遮蔽计算结果进行校验。

为了便于计算建筑物对视线的遮蔽, 文中的所有的视点、建筑物都取黄海海平面为参考水平面, 所有的建筑物标高都是相对于建筑正负零, 所有的高度都相对于黄海海平面。

下面以P1点为例进行遮蔽计算和仿真。

3.1 基于现有程序的最低限制面的遮蔽分析

基于航行计算的结论P1点塔台高度受重庆机场现有程序20RGP不工作程序控制最严格, 限高63m, 机场20R跑道标高411米, 视点距塔台顶距离10米, 可计算出:视点高度=63+411-10=464 (米) 现假定T3B的高度为25米, 根据P1点的视点高度进行遮蔽分析, 仿真和计算结果如下。

经过计算, 视点在位置P1, 高度464米时, 仿真效果如图2所示, 遮蔽的范围为:T3A航站楼遮蔽部分平行联络道, 总计长度为595米;T3B航站楼遮蔽横向联络道, 总计长度为970米。

3.2 基于不突破OAS面的遮蔽分析

若选取航行计算的结论P1点塔台高度受21ROAS程序控制, 限高88.5m, 机场21R跑道标高394.7米, 视点距塔台顶距离10米, 可得出:视点高度=88.5+394.7-10=473.2 (米)

现假定T3B的高度为25米, 根据P1点的视点高度进行遮蔽分析, 仿真和计算结果如下

经过计算, 视点在位置P1, 高度473.2米时, 遮蔽的范围为:T3A航站楼遮蔽部分垂直联络道, 总计长度为470米;T3B航站楼遮蔽部分垂直联络道, 总计长度为360米。

4 建议

根据以上步骤, 依次对P1、P2、P3、P4进行遮蔽分析和建模计算后发现, 现有的四个选点在不突破机场精密进近OAS面的情况下, 都不能通视机场的机动区, 因此通过降低航站楼高度和提高塔台高度两种方式对方案进行进一步的优化。经综合比较分析后, 在不改变航站楼和道面设计基础上, 塔台的坐标为机场坐标A=3864.8, B=5396.5, 海拔高度为507米 (最低安全裕度高度不低于505米;视点高度497米, 视点最低安全裕度高度不低于495米) 是较优的方案, 此时塔台不影响02L和21R跑道精密近进运行的天气标准。

5 总结

塔台位置和高度直接关系到管制人员能否通视机场机动区并正确判断航空器的运行情况, 而塔台的遮蔽分析和仿真是保障塔台位置和高度可行的重要要素, 并能够通过模拟仿真为塔台的选址提供更科学、更合理的方案, 使其满足相关技术标准和规范的要求。

参考文献

机场仿真 第2篇

以机场目标的飞行场地为主要研究对象,通过作战仿真的.手段,建立了机场目标起降能力评估模型.该模型以单位时间内起降飞机的数量作为衡量机场起降能力的指标,通过仿真作战过程中机场目标各子目标的毁伤状态和毁伤情况,动态地评估作战过程中任意时刻机场目标的起降能力.模型对作战指挥和火力分配有重要的辅助决策作用.

作 者：关爱杰 王运吉 刘增良 邱成龙 GUAN Ai-jie WANG Yun-ji LIU Zeng-liang QIU Cheng-long 作者单位：关爱杰,GUAN Ai-jie(北京科技大学信息学院,北京,100080;第二炮兵装备研究院,北京,100085)

王运吉,邱成龙,WANG Yun-ji,QIU Cheng-long(第二炮兵装备研究院,北京,100085)

刘增良,LIU Zeng-liang(国防大学,北京,100085)

机场仿真 第3篇

机场容量评估是有效提高机场容量、改善机场空中交通阻塞状况的基础和前提。随着机场规模越来越大,机场系统越来越复杂,基于计算仿真模型的评估方法,开发机场容量评估系统对空中交通容量进行科学有效的评估尤为重要。要评价一个终端区,飞机流是一个必不可少的对象。产生一个符合条件的随机飞机流对于容量评估是非常重要的。

航空器的到达与地面交通的车辆到达一样,在某种程度上具有随机性。对于机场跑道容量的研究,Bowen和Pearcelf在1948年最早提出假定服从泊松分布的到达流模型。1969年,Harris首次考虑了导航设备的误差和人的因素,假设飞机间隔服从正态分布。黄卫芳[1],胡明华等人在成都国际机场、首都国际机场的仿真评估中,仿真飞机流均采用均匀分布。随机变量的数字特征和概率分布对飞机流仿真是相当重要的。这些数据的获取,国外有专门的机构和人员从事这方面的工作,其覆盖之广泛、采集之全面是国内目前尚无法比拟的。

如何产生满足条件的飞机流,如何保证飞机流的随机性是要解决的2大问题。即飞机流各属性满足什么概率分布及如何生成该分布的随机序列问题,本文以这2点为着力点,进行深入的研究。

1 数据需求与分析

飞机流生成模型实际上就是根据飞机流的仿真输入条件,依靠随机数技术产生符合已给定概率分布的单个飞机状态属性以及飞机流参数。仿真飞机流是一个复杂的、庞大的各属性数据的组合。对实际航班运行数据库的数据进行提取、筛选及处理,对所需数据的详细、全面分析是生成优质飞机流的必要基础。下面对仿真飞机流的数据需求与处理进行详细的说明,如图1所示。

由于重、中、轻型机的前后的尾流间隔不同,在机场场面上的滑行速度和安全间隔也不同,因此在模拟飞机流时,各航班的机型以及仿真时间段内的各机型比率是仿真飞机流的一个重要考虑因素。进离场航班数量的不同比率直接导致容量评估结果的差异。同时,交通运输的到达流在某种程度上具有随机性,服从一定的交通流分布规律,对航班到达流时刻统计处理,是保证仿真飞机流准确与否的关键问题之一。在我国,民用机场附近的军航机活动对机场的容量也产生较大的影响,因此,如果所评估机场存在军航机活动,必须取得军航机机型、数量、飞行速度和高度等数据。经过对实际飞行数据库数据的处理分析,结合航空器性能、管制规则等条件,共同构成仿真飞机流模块的初始所需输入数据。

2 飞机流仿真的2个关键问题研究

如何产生起飞/到达流分布满足条件的飞机流和如何保证飞机流的随机性是飞机流仿真要解决的2个关键问题。

2.1 机头时距分布类型确定及检验

在模拟过程中,选用机头时距作为表征动态飞机流的随机变量,根据机头时距分布确定飞机的事件发生时刻。

2.1.1 移位负指数分布确定

交通运输的到达流在某种程度上具有随机性,描述这种随机性的统计分布规律可以以描述事件之间时间间隔的连续性分布为工具,研究事件发生的间隔时间或距离的统计分布特性,如时距分布等。

若飞机到达流符合泊松分布,则机头时距就是负指数分布。有

${\rm P}(h\ge t)=\text{e}{}^{-\lambda t}(1)$

而机头时距小于t的概率为:

${\rm P}(h＜t)=1-\text{e}{}^{-\lambda t}(2)$

用样本的均值m代替M、样本方差S2代替D,即可算出负指数分布的参数λ。其中M、D分别为负指数分布的均值和方差。

但在随机飞机流中,由于尾流影响和安全距离的要求,飞机之间需要满足某一最小的时间间隔,且到达流具有"单列不可超车"性,不可能是无间距的到达,即ti+1-ti必须大于等于某一个要求的经验数tmin,而并不是零。因此,本文引入移位负指数分布,它能更好的拟合所观测的数据,以确定理想的仿真飞机流的概率分布类型。

移位负指数分布的分布函数为:

$\begin{array}{l}{\rm P}(h\ge t)=1-\text{e}{}^{-{\lambda }^{\prime }(t-\tau )}‚t\ge \tau (3)\\ {\rm P}(h＜t)=1-\text{e}{}^{-{\lambda }^{\prime }(t-\tau )}‚t\ge \tau (4)\end{array}$

其概率密度函数为:

$f(t)=\{\begin{array}{l}{\lambda }^{\prime }\text{e}{}^{-{\lambda }^{\prime }(t-\tau )}t\ge \tau \\ 0t＜\tau \end{array}(5)$

式中:${\lambda }^{\prime }=\frac{1}{\overline{t}-\tau }$;$\overline{t}$为平均机头距。

分布的均值为${\rm M}=\frac{1}{{\lambda }^{\prime }}+\tau$。

对成都双流国际机场2007年10月15日的07:00～09:00时间段的离港航班时刻表数据进行观测,整理出机头时距数据如表1所列。

根据所观测的数据,用移位负指数分布拟合观测数据。

$\lambda =\frac{1}{\overline{t}-\tau }=0.8571$

式中:τ为机场实际运行观测数据的最小机头时距,取1.5 min。

有移位负指数分布:

${\rm P}(h\ge t)=\text{e}{}^{-0.8571(t-1.5)}(6)$

2.1.2 X2检验

统计学中对分布函数的拟合检验方法很多,通常采用的是X2皮尔逊检验法。检验统计量为

$X{}^2={\displaystyle \sum _{j=1}^g(}\frac{f{}_j}{n}-p{}_j)\frac{n}{p{}_j}={\displaystyle \sum _{j=1}^g\frac{f{}_j^2}{F{}_j}}-n(7)$

式中:fj为样本在第j段区间(tj-1,tj)的频率;pj为概率分布在第j段区间(tj-1,tj)的相应概率;n为样本数。在X2分布中,参数只与自由度R有关。

根据皮尔逊定理,若给定显著性水平,可计算X2分布的临界量X${}_{\alpha }^2$,若X${}_{\alpha }^2$≥X2,则接受原假设。若X${}_{\alpha }^2$<X2,则拒绝原假设。

$\begin{array}{l}X{}^2={\displaystyle \sum _{j=1}^g\frac{f{}_i^2}{F{}_j}}-n=2.0188\\ DF=g-1=5\\ X{}_{0.05}^2=11.070＞X{}^2\end{array}$

可见,成都双流机场所考察的这个时间段离港航班的机头时距用移位负指数分布拟合是可以接受的。

2.2 素数模积式发生器和逆变法

在研究中,突出飞机流的随机性是至关重要的,它保证了模拟的可信度。

1) 产生随机数。

随机数产生技术是模拟成败的关键问题。计算机只能产生伪随机数,本文采用素数模积式发生器来产生随机数序列。

素数模积式发生器是是目前使用最广的一种均匀随机数发生器,素数模积式发生器方法如下:

$\{\begin{array}{l}x{}_n=3125x{}_{n-1}\text{m}\text{o}\text{d}(2{}^{35}-31)\\ r{}_n=\frac{x{}_n}{2{}^{35}-31}\end{array}(8)$

式中:x0为小于M的任意正整数。

该方法可以保证随机性、长周期的同时,计算效率高。

2) 产生服从移位负指数分布的随机变量。

用"逆变法"推导产生移位负指数随机变量序列公式。移位负指数概率密度函数为

$f(t)=\{\begin{array}{l}{\lambda }^{\prime }\text{e}{}^{-{\lambda }^{\prime }(t-\tau )}t\ge \tau \\ 0t＜\tau \end{array}(9)$

移位负指数分布的分布函数为

$F(x)=1-\text{e}{}^{-{\lambda }^{\prime }(x-\tau )}‚x\ge \tau (10)$

由此得

$X=F{}^{-1}=-(1/\lambda )\ln (1-U)+\tau (11)$

先产生独立的U(0,1)随机数u1,u2,,un,令

$x{}_i=-(1/\lambda )\ln (1-u{}_i)+\tau ‚$

得到移位负指数分布的随机数序。

3 飞机流仿真模块及流程

飞机流仿真模块及流程如图2所示。飞机流生成模型包括2部分信息:单个飞机信息和飞机流信息,其实质反映了系统初始化的两个随机性,即飞机个体的随机性和飞机流到达时刻的随机性。将仿真参数和仿真所需数据输入到数据库。系统根据用户的需要,从数据库中读取基本数据,按数理统计方法产生服从一定概率分布的时距,构成某走廊口进场或离场的时刻序列。利用计算机产生均匀分布的随机数,按要求比率配置相应航班的机型、航班号、走廊口及其它相关属性的赋值。不失一般性,假设以变量X的值为1、2、3分别表示某属性的3种类别,且

$f(X)=\{\begin{array}{l}{\rm P}\{X=1\}={\rm P}{}_1\\ {\rm P}\{X=2\}={\rm P}{}_2\\ {\rm P}\{X=3\}={\rm P}{}_3\end{array}(12)$

产生随机数u则

$x=\{\begin{array}{l}10＜u{\rm P}{}_1\\ 2{\rm P}{}_1＜u{\rm P}{}_1+{\rm P}{}_2\\ 3{\rm P}{}_1+{\rm P}{}_2＜u1\end{array}(13)$

根据产生的随机数u,判断所属区间,对应比率参数,配置具体机型、走廊口等属性值,并分别生成离场飞机流和各走廊口的进场飞机流。最后,采用冒泡排序法,将各航班流以航班时刻为序,排列出一个准确的仿真飞机流。经过系统的处理后,系统将仿真飞机流结果写入数据库中,供评估系统使用。

4 仿真及结果分析

本仿真系统采用Visual C++编程实现。以成都双流国际机场2007年10月15日的07:00～09:00时间段的航班时刻表为例。

表1表2是所采集样本的统计数据,作为飞机流仿真的输入模块,对此阶段的运行状态进行了4 h的仿真,结果如图3所示。

图4为实际样本数据点、第2-3小时阶段的仿真数据点、均匀分布数据点与移位负指数分布理论值进行比较的对比图。由图4可知,仿真结果与实际样本十分接近,且两者均与本文提出的移位负指数分布相吻合。并优于以往研究中直接采用随机生成的方法的效果。

对仿真结果的统计可知,走廊口比率、各走廊口机型比率、时刻概率分布等,与实际航班流基本相一致。结果显示,本文采用移位负指数分布的拟合是可行的,产生的飞机流效果是理想的。

5 结束语

本文利用移位负指数分布来拟合航班流机头距分布,解决了如何产生满足条件的飞机流问题,利用素数模积式发生器和逆变法保证了飞机流的随机性这一问题。文中围绕这2个关键问题进行研究,保证了模拟的可信度,得到了可行的仿真结果。但是关于飞机流随机变量的数字特征和概率分布这些数据国内还没有专门的机构和人员从事这方面的采集和分析工作,另外,由于飞机流受众多因素影响,以及外在客观的条件的制约,所以飞机流的仿真还有待今后进一步的研究。

参考文献

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[3]Chowdhury D,Santen L,Schadschneider A.Statis-tical physics of vehicular traffic and some relatedsystem[J].Physics Reports,2000,329(4):99-116

[4]Yang Qi,Koutsopoulos H N.A microscopic trafficsimulator for evaluation of dynamic traffic manage-ment systems[J].Transportation Research C,1996,4(3):113-129

[5]王炜,过秀成.交通运输工程学[M].南京:东南大学出版社,2000

[6]余劲,张玮,姜继红,等.西江航道船舶流的概率分布特性[J].交通运输工程学报,2006,6(2):88-93

[7]邹智军,杨东援.城市交通仿真实验系统的面向对象开发[J].系统仿真学报,2002,14(7):844-848

机场仿真 第4篇

地理标记语言 (GML) 是一个被采用的国际性标准, 它使用XML (可扩展标记语言) 进行理要素交换。GML一个重要优势就是它能够让开发者或用户非常灵活地使用已被广泛接受的XML技术, 它建立在XML、XML Schema、XLink和XPointer基础之上, GML数据能够很容易地与非空间数据集成使用。GML使用XML对地理数据进行编码, 为开发商和用户提供了一种开放的、中立于任何厂商的地理数据建模框架, 使地理信息能够在不同领域、不同部门进行语义共享。

任何基于GML的应用都在这三个模式的基础上进行扩展。Feature.xsd定义了基本的要素/属性模型。GML以要素为描述空间数据的基本单位, 而地物特征又由非空间属性和空间属性组成。Geometry.xsd提供了详细的基本空间几何组件定义。GML的Geometry Schema既包含了用于抽象几何元素和具体点、线、多边形空间几何元素的类型定义, 也包含了复杂要素类型的定义。Xlinks.xsd提供了用于实现链接功能的XLink属性。该Schema中定义了前两个基本Schema中要用到的链接属性。通过这些链接属性, GML能够将位于不同数据源的地物特性, 通过链接的方式组织在一个文件中。他们分别属于对应的命名空间, 这三个模式相当于提供给用户3个基本的类。用户可以声明或者定义自己的类型, 用以命名和区分重要的地物特征和地物集合特征。

2 系统结构及功能

机场空侧活动区建模仿真系统为在机场及空侧活动区之上的事件仿真程序及优化提供了一种基础程序, 系统结构为物理结构上采用分布式地理信息系统模型, 通过局域网或互联网实现分布式地理信息处理。

3 机场空侧活动区的定义及要素分析

机场空侧被定义为飞机在其上运行的各组成部分的体系。包括跑道、滑行道、机坪、停机位、空中交通管制程序等, 机场空侧活动区是指机场上供航空器起飞、着陆和滑行使用的部分, 包括机动区和停机坪[1]。如图1

机场空侧活动区的要素是指具有共同特性和关系的一组现象 (如跑道) 或一个确定的实体及其目标的表示[2]。

由于机场空侧活动区的主要组成部分为跑道、滑行道、机坪上的道路、停机位, 分别对应机场活动区的不同要素, 下面分别分析各个要素的属性: (1) 对于跑道, 具备的属性为, 跑道号, 跑道入口距离, 跑道上跑道与滑行道的交叉点数量, 跑道宽度, 跑道磁航向, 跑道中心位置点, 可用起飞滑跑距离, 可用起飞距离, 可用加速停止距离, 可用着陆距离, 净空道宽度, 转弯点高度, 跑道入口高等。 (2) 对于滑行道, 由于滑行道由连接组成。滑行道便继承了连接的所有属性。除此之外, 对于滑行道还应该具有的属性为, 是否是快速脱离道, 滑行道宽度。 (3) 机坪上的道路, 应该具有的属性为普通连接所具有的属性, 不需要有更多的属性设置。 (4) 对于停机位, 由于停机位由结点直接构成, 因此, 停机位会继承结点的所有属性, 除此之外, 停机位还应该具备的属性为, 停机位名称, 是否靠近廊桥, 停机位停靠机型, 占用停机位的航空公司, 与停机位相连的连接名称, 与停机位相连的连接编号。

4 机场空侧活动区DXF显示

机场建设图通常是以Auto CAD格式文件来提供的。DXF文件作为CAD文件的另一种数据文件组织格式, 为CAD格式文件与其它应用软件进行数据交换提供了一种方式。在这里, 我们可以根据获得机场建设图的DXF文件, 对机场建设图进行分析[3,4]。

机场建设图的DXF文件一般分为多层, 每一层表示不同的含义。其中, 机场空侧活动区通常会包含以下方面的内容, 机场范围, 机场路面, 草坪, 滑跑中心线, 跑道中心线, 服务车道, 进场航路, 离场航路等等, 其中每一部分都可以单独作为一个图层, 图层之间相互叠加构成了整个机场建设图的空侧活动区部分。

DXF到GML文件的格式接口设计:第一步, 将DXF格式的文件中需要的点线格式解析并保存, 第二步, 将得到的点线格式信息按照GML格式文件进行写入。转换过程需要遵循一定的规则, 即按照GML的Schema规则将解析后的DXF文件转化为对应的GML格式。

DXF文件要转化为GML文件, 首先需要创建一个GML格式文档, 添加GML描述信息, 然后循环的将DXF文件中独到的地理信息元素转化为GML的几何图元。对于DXF文件来讲, Read DxfGroups () 调用方法Get Chopped Line () 每次从DXF文件中读取两个数据行, 再调用方法Process DXFGroup () 对这两个数据行进行处理, 解析出其中包含的组码和对应的组值。如此循环, 直到DXF文件中的所有组码组值都读取完毕。所有的实体数据通过一个DXF-in-interface对象向外传递, 以提供给任何使用该实体数据的接口。

参考文献

[1]杜实, 张炳祥, 高伟.飞行的组织与实施[M].天津:中国民航学院, 2001.7-8.[1]杜实, 张炳祥, 高伟.飞行的组织与实施[M].天津:中国民航学院, 2001.7-8.

[2]童小华, 徐谷声.基于GML的GIS空间要素描述与应用研究[J].同济大学学报, 2004, 32 (6) .[2]童小华, 徐谷声.基于GML的GIS空间要素描述与应用研究[J].同济大学学报, 2004, 32 (6) .

[3]奚砚涛, 谭海樵, 杨奎奇.DXF格式地理空间实体的GML表示[J].现代测绘, 2003, 26 (4) :32-33.[3]奚砚涛, 谭海樵, 杨奎奇.DXF格式地理空间实体的GML表示[J].现代测绘, 2003, 26 (4) :32-33.

机场仿真 第5篇

关键词：机场升降平台车,主平台,MATLAB仿真,ADAMS运动学分析,动力学分析

0 引言

机场集装箱升降平台车是用来向飞机货舱装卸集装箱或其他货物的特种车辆。近几年随着我国民航运输业的发展, 集装箱升降平台车的需求量不断增加, 而且伴随大型飞机出现的加大加重集装箱对升降平台车承载能力要求更高[1]。通过各家公司网站公布的图片及资料可知, 国外能够研制30吨以上大型机场集装箱/板升降平台车的公司只有美国JPT、法国TLD、德国Trepel、法国Airmarrel。国内飞机集装箱/板升降平台车的生产厂家有威海广泰、深圳达航科技等少数企业, 且仅能生产7吨及14吨系列的机场集装箱升降平台车。国内平台车大部分依靠进口, 特别是14吨以上的机场集装箱升降平台车完全依赖进口, 因此, 研制大吨位机场集装箱升降平台车迫在眉睫。

国内科研院所近年已经开始针对平台车进行相应的理论分析, 以期在相关领域提高我国机场特种车辆的研究水平。如:中国民航大学的郭海乐、解本铭等针对升降平台车的主平台进行了虚拟样机的设计及有限元分析[1]。此外, 郭凯[2]、郑玉巧[3]等人对于普通的剪叉机构的研究对特种车辆的研究也有一定的参考意义。机场集装箱升降平台车不同于港口、厂房等场地使用的升降平台车, 工作时作业空间受限, 液压缸的布置位置受限。为实现大型集装箱升降平台车的平台在483mm到5600mm范围内的上下移动[4], 为主平台提供动力的液压缸极为重要。而其推力大小与其在剪叉上布置位置直接相关, 如何合理布局, 对于升降平台车的举升性能具有重要意义。

运用虚位移原理分析液压缸推力的解析式, 针对分析结果, 运用MATLAB软件进行仿真, 获得液压缸最优安装位置, 最后利用ADAMS软件进行主平台运动学及动力学分析, 为机场集装箱升降平台车优化设计提供理论依据及指导。

1 集装箱升降平台车主平台力学分析

机场集装箱升降平台车主要由桥平台及前剪撑、主平台及后剪撑、底盘总成、动力系统、液压系统、电气系统等组成。集装箱经主平台、桥平台, 实现到机舱的装卸, 主平台的承载能力决定了平台车的承载能力, 因此主平台的性能是保证大吨位机场集装箱升降平台车性能的关键技术之一。

1.1 力学模型

升降平台车的主平台由上台面、剪叉臂、滚轮、液压缸、底盘等构成。液压缸的活塞杆铰接在内剪叉臂上, 缸筒铰接在与下滚轮同轴的梁上, 随下滚轮左右移动。当活塞杆伸出时, 两剪叉臂的夹角改变, 推动上平台上升, 达到举升集装箱的目的。主平台的结构参数及受力分析如图1所示。

图1中各参数说明如下:

1.2 液压缸推力解析分析

选取整个剪叉机构平衡状态时的质点系, 设铰链和滚轮的约束为理想约束。上台面载荷W, 液压缸活塞推力P及液压缸对下平台的压力F为主动力, 其中P与F互为作用力与反作用力。

依据虚位移原理:作用于质点系的所有主动力在任何虚位移中所作虚功的和等于零[5], 即, 其解析式为:

式中Fxi、Fyi、Fzi分别为质点i受力Fi在x、y、z方向的分力;δxi、δyi、δzi为质点虚位移δi在x、y、z方向的虚位移。

如图1所示建立直角坐标系, 以A点为坐标原点, 水平方向为X轴, 平台升降方向为Y轴, 可得剪叉机构的力学方程:

式中Px、Py液压缸推力P在x、y方向的分力, Px=Pcosθ, Py=Psinθ

Fx、Fy液压缸对剪叉梁压力F在x、y方向分力, Fx=Fcosθ, Fy=Fsinθ, F=P

XP、YP液压缸推力P作用下质点x、y方向上的虚位移, XP= (l+a) cosα, YP= (l+a) sinα

XF质点在压力F作用下其x方向虚位移XFF=2lcosα

YW质点在质量载荷W作用下其y方向虚位移YW=2lsinα

由图1中各点几何关系可得

式中hAC剪叉臂与上平台铰接点C的高度, 即主平台升降高度h。

将以上各式带入式 (2) , 整理得液压缸活塞推力为:

由式 (5) 可知, 质量载荷W一定时, 活塞推力P与剪叉和水平面夹角α、液压缸与水平面夹角θ及活塞杆位置参数a有关。可通过调整液压缸活塞杆铰接位置参数a调整活塞推力。但式 (5) 中P与参数a之间不是简单的线性关系, 不能通过公式直观的得出参数a对推力P的影响规律。MATLAB软件具有强大的数据处理功能, 利用MATLAB软件分析参数a对P的影响。

2 液压缸推力曲线的MATLAB仿真

已知参数如图1所示, 剪叉机构结构尺寸:l=3700mm, h=300~5500mm。由于主平台是对称结构, 取1/2剪叉为研究对象, 其质量载荷为总载荷的1/2, 即:W=1.96105N。

根据公式 (3) 、 (4) 、 (5) , 利用MATLAB软件编写相应程序, 程序运行后可以得到液压缸活塞杆不同铰接位置时 (a不同) 整个升程范围内液压缸活塞杆推力P随液压缸活塞行程变化的关系曲线, 如图2所示。

由图2可知:

1) 液压缸活塞杆铰接位置参数a确定时, 随着升降平台的上升, 所需液压缸的推力非线性减小, 开始减小较快, 然后变化趋于平缓。

2) 随着液压缸活塞杆铰接位置参数a增大, 液压缸推力P逐渐减小。但具体的变化规律不能从图中得知, 因此进一步分析参数a与P之间的关系。

由图2可知, 液压缸推力在机构处于最低位置时最大。故分析上平台最低位置 (即h最小, h=300mm) 时, 参数a与P之间的关系。以参数a为变量, 利用MATLAB软件绘制液压缸推力随参数a变化的曲线图, 如图3所示。

由图3可知:液压缸推力P随液压缸活塞杆铰接位置参数a非线性减小。当a为200~1500mm时, 减小较快;当a取1500~3500mm时, 减小较慢。因此, 设计液压缸支撑位置时, 应在安装空间允许的条件下尽可能的取较小的a值。本文综合考虑上、下平台之间空间位置及液压缸受力与参数之间的关系, 取a=1100mm。

3 主平台的ADAMS运动学及动力学仿真

3.1 ADAMS模型的建立

ADAMS可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。运用ADAMS软件, 对升降平台车主平台的力学模型进行运动学分析, 得出平台车主平台在上升的任意时刻平台车的位移, 速度, 加速度大小, 为下一步做应力分析做必要的条件准备。同时进行动力学分析, 得出液压缸在最低位置时受力大小, 以此验证基于解析方法进行的MATLAB仿真结果的正确性, 从而确定液压缸的最佳位置, 实现最大限度延长液压缸的使用寿命。

利用Solid Works软件建立主平台的三维模型, 导入ADAMS软件, 然后添加材料属性, 对几何模型添加约束、驱动、作用力, 获得主平台的ADAMS模型, 如图4所示。

使用ADAMS进行运动学、动力学计算时, 只考虑零件的质心和质量, 对零件外部形状不予考虑, 因此在模型中精确地描述出复杂的零件外形, 并没有多大的实际意义。故Solid Works建模过程中, 对模型做以下处理:用一个薄板代替模型的上平台, 用一个平板代替下平台。

对模型添加的约束为:在剪叉臂固定端铰链处添加旋转副、剪叉臂内外臂之间添加旋转副, 液压缸两端与横梁之间分别添加旋转副, 液压缸活塞推杆与缸筒之间添加滑移副、滚轮与上下台面间添加滑移副, 底盘添加固定约束, 在上平台的中心点施加大小为392KN的随上平台移动的力, 在液压缸的滑移副上添加驱动, 对主平台模型进行运动学及动力学仿真。

3.2 主平台的仿真和结果分析

液压缸是双铰剪叉机构的原动件, 平台升降速度由液压缸活塞速度决定, 而液压缸的速度取决于整个液压系统提供给液压缸的流量。液压系统的流量由流量控制阀调整, 且调试好后就不再改变。一般情况下液压系统提供给液压缸的是恒流量, 所以在此运动学分析中认为液压系统为液压缸提供恒流量油液, 液压缸的活塞速度为匀速。

对于机场集装箱升降平台车, 按照标准应能在60s内完成一个循环[4], 经过计算设定液压缸活塞速度为50mm/s, 设置结束时间 (End time) 为28.7s, 仿真步数为400, 交互式仿真, 可得到上台面的位移曲线、速度曲线、加速度曲线, 以及液压缸的推力曲线, 分别如图5、图6所示。

由图5可知, 随着上台面的上升, 上台面的速度、加速度的绝对值都随之非线性减小, 在2.5s内减小的很快, 2.5s以后减小缓慢。由图6可知, 在上台面的上升行程, 液压缸的推力非线性减小。且在上台面上升行程的前期液压缸推力减小较快, 到了后段减小比较缓慢, 所得变化趋势与用MATLAB所得的液压缸推力曲线一致。

4 结束语

建立了主平台的模型, 利用解析法分析了液压缸受力, 然后将数据分析软件MATLAB和多体动力学软件ADAMS结合起来, 进行了系统的运动学及动力学分析。具体如下:

1) 基于虚位移原理得到集装箱升降平台车主平台液压缸的推力解析式。结果显示:载荷W一定时, 活塞推力P与剪叉和水平面夹角α、液压缸与水平面夹角θ及活塞杆位置参数a有关。可通过调整液压缸活塞杆铰接位置参数a来调整活塞推力。

2) 利用MATLAB软件进行仿真, 得出了液压缸的推力随液压缸活塞杆铰接位置参数a及平台的举升高度h的变化曲线, 直观的反映出其变化趋势, 获得液压缸的最佳安装位置;

3) 利用ADAMS软件仿真得到上台面随举升高度变化的位移、速度、加速度曲线以及液压缸的推力曲线。

将两种方法获得的液压缸推力变化曲线进行比较, 分析结果一致, 验证了这两种分析方法的可行性, 为液压缸的选型提供了理论依据, 为主平台的优化设计, 特别是为选择液压缸的最优安装位置提供了理论指导。

参考文献

[1]解本铭, 郭海乐.叉剪式液压平台车结构模态有限元分析[J].中国民航大学学报.2007, 25 (2) :25-27.

[2]郭凯, 潘存云, 张湘, 等.平面剪叉式机构通用运动学模型的建立与分析.机械设计与研究, 2010, 26 (6) :27-28.

[3]郑玉巧, 张堆学, 毛建军, 等.剪叉式升降台液压缸位置参数优化设计[J].机床与液压, 2010, 38 (20) :39-41.

[4]GB/T23423-2009, 宽体飞机主舱集装箱、集装板装载机功—能要求[S].北京:中国国家标准化管理委员会, 2009.