行業(yè)：航空航天

    挑戰(zhàn)：如何通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來改進(jìn)機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)，以滿足設(shè)計(jì)要求。

    Altair 解決方案：利用 HyperMesh 建立貨艙門 機(jī)構(gòu)的剛體模型和剛?cè)狁詈夏?型，并通過 MotionSolve 和 HyperStudy 對(duì)當(dāng)前艙門機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，全面評(píng)估當(dāng)前 的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)性能。

    優(yōu)點(diǎn)：HyperMesh能夠快速建模 ； MotionSolve快速精確地 進(jìn)行剛?cè)狁詈嫌?jì)算

    背景介紹 

    貨艙門是運(yùn)輸機(jī)上的運(yùn)動(dòng)功能部件，它的功能、使用壽命、安全性、維修 性和可靠性直接關(guān)系到飛機(jī)的出勤率。貨艙門設(shè)計(jì)的好壞也直接關(guān)系到人員和 貨物的進(jìn)出安全。若設(shè)計(jì)不當(dāng)飛機(jī)在高空中飛行時(shí)可能發(fā)生貨艙門的意外打開， 將造成壓力艙減壓。同時(shí)，嚴(yán)重影響飛行姿態(tài)，改變氣動(dòng)特性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造 成飛機(jī)的墜落而解體。有關(guān)貨艙門設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的飛機(jī)事故已引起了各航空設(shè) 計(jì)院所和訂貨方的關(guān)注。貨艙是大型運(yùn)輸機(jī)最基本特征之一，為保證貨物、設(shè) 備進(jìn)出，貨艙必須設(shè)有至少一個(gè)供裝卸貨物、并與貨艙大小相匹配的貨艙門。 另外，由于飛機(jī)的性能不同，裝運(yùn)貨物的性質(zhì)不同，對(duì)飛機(jī)貨艙的要求也各不 相同。因此貨艙門的外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式、開啟方式及鎖定機(jī)構(gòu)等也各有差異。 貨艙門既是運(yùn)輸類飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)的難點(diǎn)，又是關(guān)系到飛機(jī)飛行安全的 關(guān)鍵部件。尤其對(duì)機(jī)身大開口剛度、貨艙門結(jié)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、鎖定機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng) 軌跡控制等均有極高要求。（摘自《航空科學(xué)技術(shù)》）  

    挑戰(zhàn) 

    某型貨機(jī)貨艙門位于后機(jī)身右側(cè)（順航向）27～32 框間，門尺寸為 2500mm*2000mm，飛機(jī)裝卸貨物時(shí)，貨艙門向上翻轉(zhuǎn)開啟（完全開啟時(shí)向上 翻轉(zhuǎn) 100°）和向下翻轉(zhuǎn)關(guān)閉，貨艙門采用電動(dòng)操作。

    某型貨機(jī)貨艙門操縱機(jī)構(gòu)由開啟機(jī)構(gòu)、鎖定機(jī)構(gòu)和保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等三部分組成。 開啟機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)開啟機(jī)構(gòu)、手動(dòng)開啟機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)離合器和提升裝置組成。 鎖定機(jī)構(gòu)主要由鎖定動(dòng)力裝置、手動(dòng)鎖定裝置、鎖定連桿裝置、主承力鎖（側(cè) 面 2 個(gè)，下面 8 個(gè)）、導(dǎo)引鎖（2 個(gè)）等組成。保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)由開關(guān)盒、頂爪與釋壓 窗機(jī)構(gòu)組成。

    通過仿真分析來對(duì)艙門機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得滿足要求的機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案。     

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    “運(yùn)用 HyperMesh 建立貨艙門機(jī)構(gòu)的剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ停u(píng)估當(dāng)前機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)性能及改進(jìn)方向。 通過優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，應(yīng)用 MotionSolve 和 HyperStudy 對(duì)當(dāng)前艙門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。得到滿足要求的改 進(jìn)方案。”  

                                                                                                                            ——摘自HyperWorks技術(shù)論文 作者 朱巖 王卯升 張一葦                                                                                                            

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    解決方案

    貨艙門機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)建模 

             貨艙門動(dòng)力學(xué)模型的坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系一致。貨艙門剛體模型中包含的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)有 3 個(gè)：開啟電機(jī)的位移驅(qū)動(dòng)、 鎖定電機(jī)的位移驅(qū)動(dòng)和手動(dòng)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的位移驅(qū)動(dòng)。貨艙門剛體模型中連接物體之間的摩擦力通過子系統(tǒng)的方式創(chuàng)建， 在子系統(tǒng)中設(shè)置靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)、動(dòng)靜摩擦轉(zhuǎn)化速度和摩擦力作用半徑等參數(shù)。

             貨機(jī)貨艙門剛?cè)狁詈夏Ｐ褪紫壬珊髾C(jī)身、門體及其他部件的柔性體模型，總規(guī)模約 20 萬單元，再將生成的柔 性體集成到剛體動(dòng)力學(xué)模型中。對(duì)貨艙門的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真，考察運(yùn)動(dòng)過程中各部件的應(yīng)力和變形。   

    貨艙門機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化 

    利用貨艙門初始設(shè)計(jì)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)在開鎖、開門、關(guān)門、上鎖的過程進(jìn)行仿真，仿真 結(jié)果提供了整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)構(gòu)組件的應(yīng)力。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)構(gòu)各部件的受力也不斷發(fā)生變化，在開關(guān)鎖過程 中，受力比較大的部件主要集中在鎖定機(jī)構(gòu)，在開關(guān)門過程中，受力比較大的部件主要集中在開啟機(jī)構(gòu)。 

               通過貨艙門機(jī)構(gòu)系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果可以知道直角拉桿的受力比較大，強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)要求。 直角拉桿連接在鎖定機(jī)構(gòu)電機(jī)扭力管上的一端受到電機(jī)扭力管傳來的載荷，另一端受到滾輪鎖銷通過導(dǎo)引鎖傳來支反 力載荷。所以要降低直角拉桿的應(yīng)力，一方面對(duì)直角拉桿的連接端點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，增加力臂，減少力值。另一方面減少 導(dǎo)引鎖傳來的支反力載荷。通過 MotionSolve 結(jié)合 HyperStudy 的方法進(jìn)行優(yōu)化動(dòng)力學(xué)分析，改變導(dǎo)引鎖內(nèi)腔表面， 也就是改變滾輪鎖銷在導(dǎo)引鎖內(nèi)腔表面滾動(dòng)的軌跡，可以有效地減少支反力載荷。 

              在簡化模型中，在電機(jī)軸上施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)來模擬電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，在導(dǎo)引鎖處施加一個(gè)轉(zhuǎn)矩來模擬門在解鎖過程中 導(dǎo)引鎖的支反力。通過模型的優(yōu)化可以看出改變直角拉桿的空間坐標(biāo)不但可以降低直角拉桿的受力，同時(shí)也可以減小 電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

    采用優(yōu)化后的新交點(diǎn)，做出直角拉桿的模型并生成柔性體，導(dǎo)入到貨艙門的剛?cè)狁詈夏Ｐ椭兄匦掠?jì)算。優(yōu)化后的 直角拉桿對(duì)應(yīng)的導(dǎo)引鎖的初始角度比較小，這樣使得在傳給導(dǎo)引鎖扭矩的時(shí)直角拉桿對(duì)導(dǎo)引鎖的力臂比優(yōu)化前大，從而減小直角拉桿的受力。

    從動(dòng)力學(xué)仿真過程可以發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)引鎖將門推開的過程中，導(dǎo)引鎖的有效作用力是導(dǎo)引鎖對(duì)鎖銷的作用力在門運(yùn) 動(dòng)方向上的分量。影響導(dǎo)引鎖對(duì)鎖銷的作用力方向的主要因素是滾輪鎖銷在導(dǎo)引鎖內(nèi)腔表面滾動(dòng)的軌跡，因此通過導(dǎo) 引鎖內(nèi)腔表面調(diào)整軌跡來改變導(dǎo)引鎖對(duì)鎖銷作用力的方向，使得導(dǎo)引鎖對(duì)鎖銷的作用力在門運(yùn)動(dòng)方向上的分量增大， 進(jìn)而來減小直角拉桿的支反力。 

    采用改進(jìn)后的導(dǎo)引鎖模型，導(dǎo)入到貨艙門的剛?cè)狁詈夏Ｐ椭校瑢?duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行重新仿真計(jì)算。從載荷曲線的 對(duì)比可以看出優(yōu)化后直角拉桿的受力整體上減小，改進(jìn)前載荷的最大值為 6418.45N，改進(jìn)后載荷的最大值為 3436.54N。

    采用優(yōu)化后的直角拉桿新交點(diǎn)和改進(jìn)后的導(dǎo)引鎖模型，導(dǎo)入到貨艙門的剛?cè)狁詈夏Ｐ椭校瑢?duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿 真計(jì)算。載荷的最大值為從優(yōu)化改進(jìn)前 6418.45N 降到優(yōu)化改進(jìn)后 3340.00N。從應(yīng)力云圖的對(duì)比可以看出直角拉桿 的應(yīng)力最大值從優(yōu)化改進(jìn)前的 930.00MPa 降到優(yōu)化改進(jìn)后 484.00MPa。

    結(jié)論 

    利用 HyperMesh 建立貨艙門機(jī)構(gòu)的剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ停⑼ㄟ^ MotionSolve 和 HyperStudy 對(duì)當(dāng)前艙門 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，全面評(píng)估當(dāng)前的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)性能。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)直角拉桿交點(diǎn)優(yōu)化和導(dǎo)引鎖內(nèi)腔面形狀進(jìn)行 了改進(jìn)，得到滿足要求的機(jī)構(gòu)改進(jìn)方案。 

              某型貨機(jī)貨艙門機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中形成的技術(shù)路線和流程方法，為后續(xù)艙門機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范，有 助于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。    

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