Motion View在登機門多體動力學分析中的應用

作者：Simwe    

“Altair　MotionView作為虛擬樣機技術應用仿真軟件的代表，已經得到業內的廣泛認可。我們采用MotionView創建登機門運動仿真模型，得到運動副、擋塊和作動筒上的力和力矩，為分析登機門開啟力和作動筒提升力的設計以及關鍵部件強度提供設計依據。”——摘自HTC2010大會用戶論文

簡介

    隨著科技的發展，在虛擬樣機仿真領域，基于多體動力學理論開發的仿真分析軟件功能日趨完美。虛擬樣機技術應用仿真軟件能夠使用程序準確的模擬真實的機械系統，并能夠精確計算出運動過程中的各種運動副上力和力矩的大小，為結構強度和疲勞提供參考，避免了傳統的產品開發過程中零部件和樣機的反復制造、試驗等過程。

    MotionView是新一代系統動力學仿真分析軟件。它具有簡捷友好的用戶界面、高效的建模語言（MDL），同時也是第一款支持多求解器輸出的多體動力學軟件。MotionView可以將模型直接輸出成ADAMS、ABAQUS、DADS、NASTRAN、RADIOSS等多種求解格式文件，也可直接通過Altair MotionSolve進行求解。MotionSolve是采用新一代點輔助坐標系原理（Point-Auxiliary-Coordinate System）的多體動力學求解器，它具有更快捷、更穩定的計算特點；適用范圍廣泛，可以處理機械系統動力學、隔振、控制系統設計、針對耐久性分析的載荷預期和穩健性仿真等多方面的問題，還可以對零自由度的機械系統和具有復雜非線性應變的模型進行仿真。

挑戰

    西安飛機工業集團公司（簡稱“西飛”）在某型飛機的登機門設計中，由于采用門梯合一的設計，門部件間的運動關系十分復雜，因此機門能否有效開啟和關閉是機門設計中的主要設計因素。

西飛技術中心結構設計團隊希望通過利用虛擬樣機技術模擬真實的機門機構，分析機門開啟手柄力大小和回收所需的液壓力；并且需要精確計算出運動過程中的各種運動副上力和力矩的大小，為結構強度和疲勞提供參考。

    因此，如何選擇一種通用的、功能強大的動力學仿真工具以滿足以上需求成為設計團隊關注的重要問題。

 

解決方案

    圖1所示的登機門為門梯合一式，位于機身左側7框～9框之間的地板上側。門梯合一登機門主要由登機門提升機構、登機門鎖定機構、登機梯結構、登機門門體結構及登機門液壓操縱系統等組成，各個系統部件之間既有普通鉸鏈也有多種高副連接關系。艙門為內、外蒙皮及隔板組成的鉚接結構，門四周有一圈密封膠管，即密封帶，門內部裝有門的門閂鎖操縱機構。操縱機構由內手柄和帶鑰匙鎖的外手柄、搖臂、連桿、鎖定機構及液壓操縱系統等組成。

 

    在創建運動學模型之前，需要獲取模型的一些建模所需的輸入數據，利用Catia軟件建立登機門的三維電子樣機，附之材料屬性。利用Catia軟件自帶的測量每個零部件的質量、質心坐標以及運動副的位置點坐標；驅動缸的驅動力由實驗測試數據得到（見圖2）；彈簧剛度由設計圖紙得到，而預載則安裝角度和壓縮長度通過計算方法得到；模型外形由Catia模型直接導入得到；軸瓦鐵和銅構成在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。

 

    最終建立的多體動力學模型（圖3）中共有36個運動體、44普通鉸鏈、4個點到曲線的高副鉸鏈、兩個運動驅動和1個齒輪副、7個彈簧阻尼元素、21個力定義以及1個控制運動過程的觸發器Sensor。整個模型仿真時間定為22秒。0－4秒是插銷鎖解鎖和門結構提升過程；4－10秒是門和梯子一起翻轉打開過程；10－17.5秒是門和梯子一起翻轉收起過程；17.5－21.5秒是門收起結構到位和插銷鎖鎖上過程。

模型完成后首先需要檢查模型的正確性，確保模型與被模擬的登機門有同樣的運動。通過對比仿真和實驗結果測量得到的門運動軌跡（見圖4-5）、擋塊的相對位置、梯子和翻板的下翻情況等是否合理，確保模型與樣機的一致性。

    在機門開啟階段最主要的評價參數是開啟機門所需要的內手柄力，在設計規范中對這個力的最大值和變化過程都有一定的規范要求，通過仿真分析得出了手柄力的變化曲線（圖6），從結果可以看出手柄力最大值和變化趨勢滿足設計要求。在機門關閉階段最主要的評價標準是作動筒的驅動力能否帶動機門機構自動收起，減少最好能避免人員手動推動門關閉的關閉動作，實現機門的自動回收過程，但同時又要避免驅動力過大造成門關閉時沖擊過大，進而造成關門噪音過大。初始設計的驅動力太小，機門無法自動回收，通過仿真模型找到了合適的驅動力大小，優化前后力的對比曲線（圖7），通過實驗驗證發現仿真結果是可行的。

結論

    利用MotionView強大的模擬運動功能，給設計工程師提供了運動副上的力和力矩曲線，提高了工作效率。后續工作將考慮部件柔性變形對機構的影響，進行登機門設計參數的靈敏度分析，找出影響機門開啟和關閉的關鍵設計參數并對其進行優化設計，最后將根據得出的部件受力進行部件強度的驗算。