Diplomarbeit Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau Simulation von Flugzeugsystemen mit HOPSAN Johannes Meier 10. August 2007 2 Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Department Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau Berliner Tor 9 20099 Hamburg Verfasser: Johannes Meier Abgabedatum: 10.08.2007 1. Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Dieter Scholz, MS 2. Prüfer: Prof. Dr. Schulze Betreuer: Dr. Christian Müller Christian Matalla 3 Kurzreferat In dieser Arbeit wird das Simulationsprogramm Hopsan untersucht. Es ist ein Programm, das für die Simulation von hydraulischen Systemen entworfen wurde. Entwickelt wird es an der Universität von Linköping in Schweden seit 1977 und es ist für jedermann zugänglich. Ziel ist es die Eignung von Hopsan für die Simulation von verschiedenartigen Flugzeugsystemen zu überprüfen. Dabei wird auch auf die Theorie und die Handhabung eingegangen. Diese Arbeit ist in Teilen wie eine Bedienungsanleitung aufgebaut und soll den Einstieg in das Programm erleichtern. Mit Hilfe von Beispielen werden die Möglichkeiten von Hopsan aufgezeigt. Die Beispiele lehnen sich an hydraulische Flugzeugsysteme, Pneumatiksysteme und das Fahrwerk an. Zum Teil werden Ergebnisse von Simulationen mit denen von anderen Simulationspro- grammen verglichen. Die Arbeit mit diesem Programm hat gezeigt, dass die Bedienung ein- fach und schnell von statten geht. Der Vergleich von hydraulischen Systemen mit anderen Programmen ergab sehr ähnliche Ergebnisse. Weiterhin hat die Untersuchung gezeigt, dass Hopsan nur unter bestimmten Voraussetzungen für Pneumatiksysteme geeignete ist. 1 DEPARTMENT FAHRZEUGTECHNIK UND FLUGZEUGBAU Simulation von Flugzeugsystemen mit HOPSAN Aufgabenstellung zur Diplomarbeit gemäß Prüfungsordnung Hintergrund HOPSAN ist eine integrierte Umgebung zur Simulation von strömungsmechanischen Syste- men zur Leistungsübertragung. Ein System oder eine Komponente können vor dem Bau und der Inbetriebnahme getestet und analysiert werden. HOPSAN wird seit 1977 an der Universi- tät von Linköping (Schweden) entwickelt und steht der Allgemeinheit zur freien Verfügung. Es beinhaltet eine umfangreiche Komponentenbibliothek von z. B. Ventilen, Rohren und Las- ten. HOPSAN beinhaltet Analysewerkzeuge und Optimierungsroutinen. Homepage: http://www.flumes.ikp.liu.se/tools/hopsan/index_en.xf Aufgabe Mit dem Simulationsprogramm HOPSAN sollen einfache Darstellungen von Flugzeugsyste- men simuliert werden. Es wird empfohlen den Anfang mit der Simulation eines einfachen Hydrauliksystems zu machen. Danach soll die Verwendbarkeit von HOPSAN bei Klimasys- temen getestet werden. Es gilt, die Grundlagen des Programms zu erklären sowie die Arbeits- weise des Programms zu beschreiben und zu bewerten. Dabei soll/sollen: • die Anforderungen des Programms an Soft- und Hardware des verwendeten Rechners dargelegt werden, • der Installationsvorgang dokumentiert werden, • die Modellbildung in HOPSAN beschrieben werden, • die Möglichkeiten von HOPSAN in Bezug auf Parametervariation und Optimierung ge- testet werden. Die Ergebnisse sollen in einem Bericht dokumentiert werden. Es sind die DIN-Normen zur Erstellung technisch-wissenschaftlicher Berichte zu beachten. 5 Erklärung Ich versichere, dass ich diese Diplomarbeit ohne fremde Hilfe selbstständig verfasst und nur die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Wörtlich oder dem Sinn nach aus an- deren Werken entnommene Stellen sind unter Angabe der Quellen kenntlich gemacht. .................................................................................... Datum Unterschrift 6 Inhalt Seite Verzeichnis der Bilder................................................................................................................ 9 Verzeichnis der Tabellen.......................................................................................................... 13 Liste der Symbole..................................................................................................................... 14 Liste der Abkürzungen ............................................................................................................. 17 1 Einleitung ............................................................................................................. 19 1.1 Ziel der Arbeit....................................................................................................... 19 1.2 Begriffsdefinitionen............................................................................................... 20 1.3 Literaturübersicht .................................................................................................. 21 1.4 Aufbau der Arbeit.................................................................................................. 22 2 Installation und Hardwareanforderungen ....................................................... 24 2.1 Installation............................................................................................................. 24 2.1.1 Allgemeiner Installationsvorgang.......................................................................... 24 2.1.2 Unterschiede in den Versionen.............................................................................. 25 2.2 Anforderungen an die Hardware........................................................................... 26 2.3 Deinstallation......................................................................................................... 27 3 Simulationsprinzip .............................................................................................. 28 3.1 Allgemeines zu Simulation und Modellen............................................................ 28 3.2 Modellierung von dynamischen Systemen............................................................ 28 3.3 Mathematische Theorie hinter Hopsan.................................................................. 30 3.3.1 Lösung von Systemen mit Differentialgleichungen .............................................. 30 3.3.2 Anwendungsbeispiel ............................................................................................ 32 3.3.3 Das Unit Transmision Element UTL..................................................................... 34 3.3.4 Hydraulische Kapazität ......................................................................................... 36 3.3.5 Hydraulische Induktivität...................................................................................... 37 3.3.6 Hydraulische Reibung........................................................................................... 40 3.3.6.1 Laminare Reibung................................................................................................. 40 3.3.6.2 Turbulente Reibung............................................................................................... 41 3.3.7 Laminare Drossel................................................................................................... 42 3.3.8 Modellierung eines Hydraulikzylinders ................................................................ 43 3.3.9 Mechanische Subsysteme...................................................................................... 44 3.4 Theorie im Frequenzbereich.................................................................................. 45 3.4.1 Grundlagen der Frequenzanalyse .......................................................................... 45 3.4.2 Leitung mit Widerstand......................................................................................... 46 7 4 Modellbildung und Handhabung ...................................................................... 50 4.1 Allgemeine Vorgehensweise bei der Modellbildung ............................................ 50 4.1.1 Entwicklung des Modellkonzeptes........................................................................ 51 4.1.2 Entwicklung des Simulationsmodells ................................................................... 52 4.1.3 Simulation des Systems......................................................................................... 53 4.1.4 Verhalten des Modellsystems................................................................................ 55 4.1.5 Verhaltensänderung durch Systemänderung ......................................................... 56 4.2 Vom realen System zum Modell .......................................................................... 57 4.2.1 Das Hopsan Steurungsprogramm.......................................................................... 57 4.2.2 Erstellung und Simulation eines hydraulischen Modells ...................................... 58 4.2.3 Nachstellen von Differntialgleichungen................................................................ 62 4.3 Besondere Funktionen........................................................................................... 66 4.3.1 Änderung von Komponentensymbolen ................................................................ 66 4.3.2 Zusammenfassung von Komponenten zu Einer.................................................... 67 4.3.3 Durchführung von Frequenzanalysen.................................................................... 68 4.3.3.1 Grundlagen............................................................................................................ 68 4.3.3.2 Beispiel ................................................................................................................. 69 4.4 Probleme mit der Handhabung.............................................................................. 71 5 Simulation einfacher Flugzeugsysteme