馬來西亞復合材料技術研究有限公司（CTRM）是全球復合材料航空結構供應鏈的一部分，為世界上主要的商用飛機制造商提供服務。該公司在航空航天和復合材料工業中發揮著戰略作用，并將其業務多元化到復合材料飛機內飾、飛機座椅和運輸領域。

2024

工業挑戰

作為生產過程的一部分，CTRM需要對制造的每個部件進行徹底的物理測試，以確保它們符合嚴格的標準。對于由復合材料制成的部件來說尤其如此。為了確保測試過程極其細致和準確，每個部件都需要從所有可能的角度進行所要求的掃描測試。這意味著每個部件都需要有180度的翻轉、旋轉等，以確保掃描機器能夠掃描該部件的任何部分，并確保所有數據和測量都被捕獲和記錄。 

翻轉這些部件非常具有挑戰性，尤其是因為其中一些部件，例如飛機風扇罩，可能重達70公斤。因此，即使是部署了五個人來翻轉這些部件，如圖1，翻轉操作也并不容易。

圖1 將大型復合材料零件翻轉180°

此外，手動翻轉操作也可能會損壞產品，因為它可能被撞倒或碰觸和劃傷表面，從而損壞零件。由于這些零件不是按人體工程學來設計的，在很大程度上是笨重的，不容易被抓握或翻轉。然而，在將每個部件發送給OEM之前，對其進行測試和認證又是至關重要的。

該公司希望通過設計一種翻轉裝置來實現翻轉過程的機械化，該翻轉裝置可根據測試要求來翻轉測試部件。

2024

解決方案

系統及所有程序安裝完成后進行開發環境設置：

進入Dytran Explorer界面，點擊Tools下的Options按鈕，進入選項窗口，設置編譯環境所需的組件路徑。

設計團隊首先嘗試使用通用的開源軟件來設計一個翻轉裝置，雖然該軟件只有一些基本功能來實現設計概念，但它在一些方面存在不足。因此，最初的方案是基于開源軟件和手工計算設計的，如圖2。它有四個用于翻轉的氣動作動器，兩個用于上下滑動的電機，兩個位于翻轉器兩側的平衡器，以減少作動器負載，以及四個磁性夾具。該設計存在幾個問題，并且不是最佳的。它有太多的作動器，使得制造成本很高。另外它還配備了不必要的冗余電機，這不僅增加了成本，而且還帶來了異步運動的問題。

圖2 第一個設計方案，制造成本太高

然后，設計團隊使用Adams設計了第二個方案，如圖3。Adams是一款多體動力學仿真軟件，驗證和優化機構運動方案非常有效。在本案例中，翻轉裝置運動部件之間使用連接器進行連接，運動施加于平衡器和作動器。此外，在翻板和作動器臂之間施加接觸，以驗證作動器中的力。這有助于確認氣動作動器中的驅動力足以滿足提升測試部件所需的負載要求。

圖3 第二個設計方案，仍有足夠的改進空間

第二個設計方案在許多方面都比第一個方案有明顯的改進。與第一個方案中的兩個電機不同，第二種方案中消除了冗余設計，只有一個電機與齒輪箱一起上下滑動。此外，第二個方案只有兩個用于翻轉的氣動作動器。

在接下來的設計迭代中，使用Patran和MSC Nastran以及來自Adams的荷載進行分析，以計算各種應力以及所有應力的安全系數。需要分析四種類型的應力-拉伸、壓縮、局部屈曲和臨界應力，每種應力都要進行測試以確認測試是否通過或失敗。使用該分析的結果，開發了第三個設計方案，如圖4和圖5。方案采用了一些變化。例如翻轉樞軸線靠近零件重心（CG），以減少作動器臂的運動并提供更大的支撐。這也有助于提高穩定性，避免使用磁性夾具。該團隊還使用鉸鏈來進一步改進設計。

圖4 第三個設計方案

圖5 翻轉裝置最終的設計方案及實際的測試應用

2024

客戶收益

通過將Adams多體動力學模擬、Patran進行有限元分析（FEA）的前/后處理，以及MSC Nastran進行FEA的組合，設計團隊能夠構建一個具有高安全系數高度優化的翻轉裝置設計。事實上，第三次設計迭代的安全系數比第二次設計迭代提高了23倍。它不僅在功能上令人滿意，結構上也很健全，而且重量比第一次設計小了15%。同時，最終的設計方案有助于節省材料成本，并有助于防止冗余設計。