CAE于飛機后貨艙門多體動力學分析中的應用

 1、概述

 艙門是民用飛機機身中的重要且特殊的運動部件，而后貨艙門是機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模型，基于建模－對標－分析的完整建模流程，得到高精度的后貨艙門多體動力學剛柔耦合模型。根據(jù)后貨艙門開啟和關閉的運動原理，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測的手柄力對比，數(shù)值比較接近。另外根據(jù)后貨艙門實際使用情況，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閉時手柄力值過大的原因。

 2、后貨艙門多體動力學模型的建立

 后貨艙門多體動力學模型采用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)心坐標以及質(zhì)心轉動慣量，直接輸入到CAE軟件HyperWorks中，模型外形由Catia模型直接導入。氣彈簧力值由設計力值曲線數(shù)據(jù)輸入。運動機構轉軸用襯套連接處在多體動力學模型中處理成襯套元素，根據(jù)資料預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，在該模型基礎上，將貨艙門門體和開啟機構、鎖定運動機構中的主要構件替換成柔性體，機構桿件與機構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)進行柔性體建模，最終建立后貨艙門的多體動力學剛柔耦合模型。后貨艙門多體動力學模型包含有4個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)由運動體、運動副、彈簧，以及作用在運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個運動體，73個運動副，5個彈簧。

 （1）子系統(tǒng)組成

 A、后貨艙門開啟運動機構

 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個運動體，20個運動副和4個彈簧組成。如圖1所示：

圖1后貨艙門開啟運動機構

 B、后貨艙門鎖定運動機構

 此系統(tǒng)主要由鎖滾輪、鎖機構搖臂、鎖座、機構連桿、平衡桿等組成。共有28個運動體和44個運動副。如圖2所示：

圖2后貨艙門鎖定運動機構

 C、后貨艙門內(nèi)手柄機構

 此系統(tǒng)主要由內(nèi)手柄、限位氣彈簧、連桿等組成。共有5個運動體、7個運動副、1個彈簧組成。如圖3所示：

圖3內(nèi)手柄機構

 D、后貨艙門外手柄機構

 此系統(tǒng)主要由外手柄、滾輪組件等組成。共有1個運動體、2個運動副組成。如圖4所示：

圖4外手柄機構

 E、后貨艙門內(nèi)外手柄聯(lián)動機構

 內(nèi)外手柄聯(lián)動機構是通過一套鋼索機構來實現(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)動機構

 F、后貨艙門機構摩擦力

 此系統(tǒng)主要給后貨艙門運動機構轉軸襯套施加摩擦力。

 力值函數(shù)表達式：

 （2）子系統(tǒng)之間的鏈接關系

 后貨艙門多體動力學模型4個子系統(tǒng)之間的鏈接關系見表1，整個系統(tǒng)的多體動力學剛柔耦合模型見圖6。

表1子系統(tǒng)之間的鏈接關系

圖6剛柔耦合多體動力學模型

 3、后貨艙門多體動力學分析

 根據(jù)后貨艙門開啟和關閉的運動原理，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、關閉和鎖定時的分析工況。輸出了后貨艙門運動過程中部分運動體的力或力矩曲線，如內(nèi)手柄力矩曲線，艙門開關推力曲線等。從手柄力矩曲線和艙門開關推力曲線與實測值對比，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)。

 在整個模擬運動過程中，不僅能夠觀察到每個運動體的運動軌跡，如鎖滾輪在鎖座內(nèi)的運動軌跡，還能夠得到每個運動體或運動副在每個時間段的力或力矩值，如內(nèi)手柄的解鎖(實測力矩最大值38.7Nm)和鎖定(實測力矩最大值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閉的分析工況

 模擬內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖運動(0-5秒)，后貨艙門在氣彈簧和人為推力的作用下旋轉打開(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關閉(7.5-10秒)。

 在該工況下，由于內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖運動(0-5秒)與前述工況完全一致，因此，僅考慮艙門打開和關閉時的推/拉力值。后貨艙門開啟和關閉時的推/拉力曲線如圖9所示(實測最大推力值217N)。

圖9后貨艙門開啟和關閉時的推/拉力曲線

 （3）柔性體應力和變形分析

 部分柔性體零部件在運動過程中的最大應力和應變?nèi)鐖D10所示。在整個運動過程中，機構零部件的應力和變形都較小。

 A、門體

 B、內(nèi)手柄

 C、叉形連桿

 D、搖臂

圖10柔性體零部件應力和變形云圖

 4、后貨艙門故障模擬

 后貨艙門在實際使用時，經(jīng)常發(fā)生手柄力值過大甚至手柄很難轉動等情況，排除設計因素，對裝配時較難保證的內(nèi)手柄支耳交點位置和鎖座安裝角度進行模擬仿真，評估裝配精度對手柄力值的影響。

（1）模擬后貨艙門內(nèi)手柄支耳交點位置裝配誤差過大

 由于后貨艙門解鎖/鎖定是由一系列機構桿件傳力運動，因此，機構桿件的交點位置對手柄力值有較大影響，若在安裝過程中交點誤差較大，會對手柄力值產(chǎn)生較大影響。對內(nèi)手柄支耳與可調(diào)桿上的交點進行微調(diào)移動，如圖11所示。由于內(nèi)手柄轉臂軸不變，因此當交點Q1向下移動3mm時，交點Q2也相應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，交點位置的變化對內(nèi)手柄開啟力矩值影響結果如圖12所示。

圖11移動的交點

圖12交點位置變化對內(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

 綜上所述，MotionView具有強大的機械仿真功能，能夠輸出精準的力值曲線，能夠實現(xiàn)剛性體和柔性體的混合仿真，能夠為設計人員提供清晰的受力信息。

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