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，測量每個零件的質量、質心坐標以及質心轉動慣量，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、后貨艙門內手柄機構

 此系統(tǒng)主要由內手柄、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、后貨艙門內外手柄聯(lián)動機構

 內外手柄聯(lián)動機構是通過一套鋼索機構來實現(xiàn)內外手柄的聯(lián)動，主要由鋼索、可調接頭、擋球、鋼索滑輪等組成。如圖5所示。

圖5內外手柄聯(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，建立了內手柄操縱艙門時的分析工況。包括模擬用內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）模擬內手柄操縱后貨艙門解鎖和鎖定的分析工況

 模擬內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內手柄解鎖力矩曲線

圖8內手柄鎖定力矩曲線

 （2）模擬內手柄操縱后貨艙門打開和關閉的分析工況

 模擬內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如圖10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。對內手柄支耳與可調桿上的交點進行微調移動，如圖11所示。由于內手柄轉臂軸不變，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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