CAE于飛機(jī)后貨艙門多體動力學(xué)分析中的應(yīng)用
1、概述
艙門是民用飛機(jī)機(jī)身中的重要且特殊的運(yùn)動部件，而后貨艙門是機(jī)身艙門中重要的部件，它的主要功能是提供乘客行李裝載的通道及應(yīng)急撤離通道。
使用軟件HyperWorks模塊MotionView/MotionSolve建立后貨艙門的多體動力學(xué)模型，基于建模－對標(biāo)－分析的完整建模流程，得到高精度的后貨艙門多體動力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ?。根?jù)后貨艙門開啟和關(guān)閉的運(yùn)動原理，建立了內(nèi)手柄操縱艙門時的分析工況。從手柄力矩曲線和實(shí)測的手柄力對比，數(shù)值比較接近。另外根據(jù)后貨艙門實(shí)際使用情況，通過調(diào)整部分部件的安裝角度和位置后模擬仿真，從而找出艙門開啟和關(guān)閉時手柄力值過大的原因。
2、后貨艙門多體動力學(xué)模型的建立
后貨艙門多體動力學(xué)模型采用CAD建模法，利用CAD軟件Catia建立的后貨艙門三維模型，附之材料屬性，測量每個零件的質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)以及質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量，直接輸入到CAE軟件HyperWorks中，模型外形由Catia模型直接導(dǎo)入。氣彈簧力值由設(shè)計(jì)力值曲線數(shù)據(jù)輸入。運(yùn)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸用襯套連接處在多體動力學(xué)模型中處理成襯套元素，根據(jù)資料預(yù)估各方向剛度和摩擦系數(shù)。
剛體模型建立完成并通過調(diào)試仿真后，在該模型基礎(chǔ)上，將貨艙門門體和開啟機(jī)構(gòu)、鎖定運(yùn)動機(jī)構(gòu)中的主要構(gòu)件替換成柔性體，機(jī)構(gòu)桿件與機(jī)構(gòu)桿件之間通過剛性單元連接，螺栓采用剛性單元模擬。并采用模態(tài)綜合法縮減模型自由度，提取有限元模型的前15階模態(tài)進(jìn)行柔性體建模，最終建立后貨艙門的多體動力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ?。后貨艙門多體動力學(xué)模型包含有4個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)由運(yùn)動體、運(yùn)動副、彈簧，以及作用在運(yùn)動體上的摩擦力和密封帶壓縮力等組成。子系統(tǒng)之間是相互鏈接的，整個模型包含47個運(yùn)動體，73個運(yùn)動副，5個彈簧。
（1）子系統(tǒng)組成
A、后貨艙門開啟運(yùn)動機(jī)構(gòu)
此系統(tǒng)主要由氣彈簧、固定底座、搖臂、可調(diào)拉桿等組成等組成。共有13個運(yùn)動體，20個運(yùn)動副和4個彈簧組成。如圖1所示：
圖1后貨艙門開啟運(yùn)動機(jī)構(gòu)
B、后貨艙門鎖定運(yùn)動機(jī)構(gòu)
此系統(tǒng)主要由鎖滾輪、鎖機(jī)構(gòu)搖臂、鎖座、機(jī)構(gòu)連桿、平衡桿等組成。共有28個運(yùn)動體和44個運(yùn)動副。如圖2所示：
圖2后貨艙門鎖定運(yùn)動機(jī)構(gòu)
C、后貨艙門內(nèi)手柄機(jī)構(gòu)
此系統(tǒng)主要由內(nèi)手柄、限位氣彈簧、連桿等組成。共有5個運(yùn)動體、7個運(yùn)動副、1個彈簧組成。如圖3所示：
圖3內(nèi)手柄機(jī)構(gòu)
D、后貨艙門外手柄機(jī)構(gòu)
此系統(tǒng)主要由外手柄、滾輪組件等組成。共有1個運(yùn)動體、2個運(yùn)動副組成。如圖4所示：
圖4外手柄機(jī)構(gòu)
E、后貨艙門內(nèi)外手柄聯(lián)動機(jī)構(gòu)
內(nèi)外手柄聯(lián)動機(jī)構(gòu)是通過一套鋼索機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外手柄的聯(lián)動，主要由鋼索、可調(diào)接頭、擋球、鋼索滑輪等組成。如圖5所示。
圖5內(nèi)外手柄聯(lián)動機(jī)構(gòu)
F、后貨艙門機(jī)構(gòu)摩擦力
此系統(tǒng)主要給后貨艙門運(yùn)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸襯套施加摩擦力。
力值函數(shù)表達(dá)式：
（2）子系統(tǒng)之間的鏈接關(guān)系
后貨艙門多體動力學(xué)模型4個子系統(tǒng)之間的鏈接關(guān)系見表1，整個系統(tǒng)的多體動力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ鸵妶D6。
表1子系統(tǒng)之間的鏈接關(guān)系
圖6剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型
3、后貨艙門多體動力學(xué)分析
根據(jù)后貨艙門開啟和關(guān)閉的運(yùn)動原理，建立了內(nèi)手柄操縱艙門時的分析工況。包括模擬用內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖、開啟、關(guān)閉和鎖定時的分析工況。輸出了后貨艙門運(yùn)動過程中部分運(yùn)動體的力或力矩曲線，如內(nèi)手柄力矩曲線，艙門開關(guān)推力曲線等。從手柄力矩曲線和艙門開關(guān)推力曲線與實(shí)測值對比，數(shù)值比較接近。
（1）模擬內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖和鎖定的分析工況
模擬內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖運(yùn)動(0-5秒)，艙門解鎖后保持靜止(5-10秒)，最后扳動內(nèi)手柄，后貨艙門鎖定到位(10-15秒)。
在整個模擬運(yùn)動過程中，不僅能夠觀察到每個運(yùn)動體的運(yùn)動軌跡，如鎖滾輪在鎖座內(nèi)的運(yùn)動軌跡，還能夠得到每個運(yùn)動體或運(yùn)動副在每個時間段的力或力矩值，如內(nèi)手柄的解鎖(實(shí)測力矩最大值38.7Nm)和鎖定(實(shí)測力矩最大值40Nm)力矩曲線等。內(nèi)手柄的解鎖力矩曲線如圖7所示，鎖定力矩曲線如圖8所示。
圖7內(nèi)手柄解鎖力矩曲線
圖8內(nèi)手柄鎖定力矩曲線
（2）模擬內(nèi)手柄操縱后貨艙門打開和關(guān)閉的分析工況
模擬內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖運(yùn)動(0-5秒)，后貨艙門在氣彈簧和人為推力的作用下旋轉(zhuǎn)打開(5-7.5秒)，然后后貨艙門在人為拉力和氣彈簧的作用下旋轉(zhuǎn)關(guān)閉(7.5-10秒)。
在該工況下，由于內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖運(yùn)動(0-5秒)與前述工況完全一致，因此，僅考慮艙門打開和關(guān)閉時的推/拉力值。后貨艙門開啟和關(guān)閉時的推/拉力曲線如圖9所示(實(shí)測最大推力值217N)。
圖9后貨艙門開啟和關(guān)閉時的推/拉力曲線
（3）柔性體應(yīng)力和變形分析
部分柔性體零部件在運(yùn)動過程中的最大應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)鐖D10所示。在整個運(yùn)動過程中，機(jī)構(gòu)零部件的應(yīng)力和變形都較小。
A、門體
B、內(nèi)手柄
C、叉形連桿
D、搖臂
圖10柔性體零部件應(yīng)力和變形云圖
4、后貨艙門故障模擬
后貨艙門在實(shí)際使用時，經(jīng)常發(fā)生手柄力值過大甚至手柄很難轉(zhuǎn)動等情況，排除設(shè)計(jì)因素，對裝配時較難保證的內(nèi)手柄支耳交點(diǎn)位置和鎖座安裝角度進(jìn)行模擬仿真，評估裝配精度對手柄力值的影響。
（1）模擬后貨艙門內(nèi)手柄支耳交點(diǎn)位置裝配誤差過大
由于后貨艙門解鎖/鎖定是由一系列機(jī)構(gòu)桿件傳力運(yùn)動，因此，機(jī)構(gòu)桿件的交點(diǎn)位置對手柄力值有較大影響，若在安裝過程中交點(diǎn)誤差較大，會對手柄力值產(chǎn)生較大影響。對內(nèi)手柄支耳與可調(diào)桿上的交點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)移動，如圖11所示。由于內(nèi)手柄轉(zhuǎn)臂軸不變，因此當(dāng)交點(diǎn)Q1向下移動3mm時，交點(diǎn)Q2也相應(yīng)的向上移動一段距離。此時，內(nèi)手柄開啟力矩最大值為60.9Nm，增加了22.6Nm，交點(diǎn)位置的變化對內(nèi)手柄開啟力矩值影響結(jié)果如圖12所示。
圖11移動的交點(diǎn)
圖12交點(diǎn)位置變化對內(nèi)手柄開啟力矩值影響
（2）模擬后貨艙門鎖座安裝角度變化
后貨艙門解鎖過程中，鎖滾輪沿鎖座外形滾動，當(dāng)其中任何一個鎖座安裝角度偏差過大時，將會對手柄力值產(chǎn)生較大影響。將8個鎖座中的1個鎖座沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)2°（如圖13所示）后，鎖座安裝角度的變化對手柄開啟力矩值的影響如圖14所示。從圖中可以看出，鎖座安裝角度一旦偏差過大，鎖滾輪滾過鎖座最高點(diǎn)時的手柄力值將會大幅增加。
圖13鎖座安裝角度變化
圖14鎖座安裝角度變化對手柄開啟力矩值影響
5、小結(jié)
綜上所述，MotionView具有強(qiáng)大的機(jī)械仿真功能，能夠輸出精準(zhǔn)的力值曲線，能夠?qū)崿F(xiàn)剛性體和柔性體的混合仿真，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供清晰的受力信息。
本文出自深圳有限元科技有限公司官網(wǎng)：7zhuan.cn 轉(zhuǎn)載請注明
