基于Hyperworks的某型飛機后貨艙門多體動力學分析

技術支持

行業：航空航天

挑戰：后貨艙門開啟和關閉時手柄力值過大的原因

Altair 解決方案：利用MotionView/MotionSolve 對后貨艙門進行多體動力學分析

優點：精確模擬機構運動；加速研發流程

背景介紹

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。西安飛機工業（集團）有限責任公司（簡稱西飛）是科研、生產一體化的特大型航空工業企業，是我國大中型軍民用飛機的研制生產基地，國家一級企業。西飛使用 Altair 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。根據后貨艙門開啟和關閉的運動原理，建立內手柄操縱艙門時的分析工況。另外根據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。

挑戰

利用 CAD 軟件建立的后貨艙門三維模型，附之材料屬性，直接輸入到 HyperWorks 中。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，根據資料預估各方向剛度和摩擦系數。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。并采用模態綜合法縮減模型自由度，提取有限元模型的前 15 階模態進行柔性體建模，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，每個子系統由運動體、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。

“利用MotionView/MotionSolve建立的多體動力學模型，能夠精確模擬艙門機構的運動，不僅能夠觀察到每個運動體的運動軌跡，還能夠得到每個運動體或運動副在每個時間段的承受的力或力矩值，從而可以發現艙門機構能否滿足所期望的目標性能。”

羅濤

解決方案

根據后貨艙門開啟和關閉的運動原理，創建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。再輸出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。然后模擬內手柄操縱后貨艙門解鎖運動，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，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。在整個運動過程中，機構零部件的應力和變形都較小。

圖 1 移動的交點

圖 2 交點位置變化對內手柄開啟力矩值影響

后貨艙門在實際使用時，經常發生手柄力值過大甚至手柄很難轉動等情況，為排除設計因素，工程師們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。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 1 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 2 所示）。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 3 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 4 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。

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