某型飞机前服务门多体动力学分析

摘要：本文通过HyperWorks软件在某型飞机前服务门机构多体动力学仿真中的应用，展示了MotionView模块强大的机构多体仿真分析功能。借助MotionView对前服务门机构建立多体仿真动力学模型，理清舱门各个机构的运动原理，结合实际工况，完成舱门运动过程模拟，得到运动体的运动轨迹以及承受的力或力矩值曲线。使用刚柔耦合多体模型，可计算得到各构件在运动过程中的应力和变形大小。可根据分析仿真结果，找出机构中的可调节量，提出改进方案并予以验证。
关键词：前服务门 机构 多体动力学 仿真 刚柔耦合

1.概述

前服务门为半堵塞外开式舱门，是装卸载飞机上的生活设施和乘客物品的主要通道，主要功能是作为前客舱的承力门，次要功能是作为I型应急出口。为了保证飞机舱门的各项功能要求，前服务门机构运动关系复杂，连杆、铰链数量众多。由于机构中各构件几何形状、载荷及多体运动的复杂性限制，运动过程中零部件干涉和接头、关键件的受力及变形情况分析，应用材料力学和弹性力学或经验估算的方法计算时，往往得不到足够精度的分析结果，造成实际局部机构安全域度偏大或强度刚度不足。

通过多体动力学方法，借助HyperWorks软件多体仿真模块对前服务门机构建立刚体系统仿真模型，理清舱门各个机构的运动原理，结合各种工况，完成舱门运动过程模拟，分析仿真结果，找出机构中的可调节量，提出改进方案并予以验证。以刚体模型为基础，加入关键部件的柔性体，得到其运动过程中的应力和变形情况，验证其强度、刚度，并作为进一步优化的依据。

2.多体动力学模型的建立

前服务门多体动力学模型采用CAD建模法，利用CAD软件CATIA建立的舱门机构三维模型得到。模型质量属性：将构件赋予材料属性，测量得到其质量、质心坐标以及质心转动惯量等，手动输入MotionView或通过进入.mdl文件编辑。模型外形由CATIA模型经过压缩导入MotionView环境。机构中弹簧刚度系数按设计图纸计算给出，弹簧预载荷通过弹簧初始安装角度或压缩长度计算得到。运动机构转轴用衬套连接处在多体动力学模型中处理成衬套元素，根据资料预估各方向刚度和摩擦系数。

首先对前服务门机构建立刚体多体动力学模型。前服务门机构主要包括：提升机构、提升助力机构、插销锁机构、上位锁机构、手柄机构、主摇臂、辅助摇臂、平衡杆、阵风锁机构等。前服务门多体动力学模型包含有多个子系统，子系统之间是相互链接的，每个子系统由运动体、运动副，弹簧，以及作用在运动体上的摩擦力和接触碰撞力等组成。然后对机构主要构件建立柔性体，进行刚柔耦合仿真。

2.1 子系统

A. 前服务门解锁和提升机构(共34个运动副)。此系统主要由提升机构、提升助力机构、插销锁机构、上位锁机构、手柄机构、辅助摇臂、平衡杆等组成。共有20个运动体，29个运动副和4个弹簧组成。如图1所示。

B. 前服务门绕固定轴的开启和关闭运动机构。此系统主要由主摇臂、辅助摇臂、平衡杆等组成。共有3个运动体，6个运动副组成。如图2所示。

C.插销锁机构。此系统主要由双曲柄组件、台阶轴组件、锁销组件、锁销盒组件等组成。共有4个运动体，4个运动副和1个弹簧组成。如图3所示。

D.上位锁机构。此系统主要由扭簧、锁环组件、调节拉杆、锁钩组件、可调拉杆等组成。共5个运动体，5个运动副和1个扭簧组成。如图4所示。

E.滑槽座。此系统主要由滚轮、滑槽座等组成。共有1个运动体、1个运动副以及碰撞接触力。如图5所示。

F.前服务门密封带摩擦力和压缩力。此系统给前服务门两侧施加密封带摩擦力。 力值函数表达式：(-1)*VARVAL({the_model..sv_0.idstring})。

2.2 子系统之间的链接关系

前服务门多体动力学模型子系统之间的链接关系见表1。

2.3多体动力学刚柔耦合模型

在多体动力学刚性系统模型的基础上，将机构支座、平衡杆、辅助摇臂和替换成柔性体，机构杆件与机构杆件之间通过刚性单元连接，螺栓采用刚性单元模拟。图6是要建立柔性体部件的有限元模型，图7转轴细节有限元模型。

3前服务门刚性系统多体动力学分析

根据前服务门开启和关闭的运动原理，建立了二种分析工况。包括模拟用内外手柄操纵舱门开启和关闭时的分析工况。输出了舱门运动过程中部分运动体的力或力矩曲线，如手柄力矩曲线，助力弹簧力值曲线等。从手柄力矩曲线和实测的手柄力对比，数值比较接近。

3.1模拟内手柄操纵前服务门打开和关闭的分析工况

该工况首先使用刚体动力学模型，运动驱动施加在内手柄铰链处，模拟内手柄操纵前服务门解锁及提升(0-5秒)，前服务门绕固定轴旋转打开(5-8秒)。然后前服务门绕固定轴旋转关闭(10秒开始)，最后搬动手柄，前服务门向下运动，关闭到位(12-17秒)。

在整个模拟运动过程中，不仅能够观察到每个运动体的运动轨迹，如滚轮在滑槽座内的运动轨迹。还能够得到运动体或运动副的力或力矩值，如内手柄的开启(实测力矩最大值16900N·mm)和关闭(实测力矩最大值10300 N·mm)力矩曲线，助力弹簧力值曲线等。内手柄的开启力矩曲线如图10所示，关闭力矩曲线如图11所示。仿真结果与实测结果相近，较好地反映了实际工况。

A 内手柄开启力矩

内手柄开启力矩值曲线见图8，横轴表示时间，纵轴表示力矩值，最大力矩值15338N·mm。

B 内手柄关闭力矩

内手柄关闭力矩值曲线见图9，横轴表示时间，纵轴表示力矩值，最大力矩值9230N·mm。

3.2模拟外手柄操纵前服务门打开和关闭的分析工况

使用前服务门刚体动力学模型，模拟外手柄操纵前服务门解锁及提升(0-5秒)，前服务门绕固定轴旋转打开(5-8秒)。然后前服务门绕固定轴旋转关闭(10秒开始)，最后搬动外手柄，前服务门向下运动，关闭到位(12-17秒)。

由于外手柄与内手柄联动，除了外手柄与内手柄的开启和关闭力矩曲线不同外，其余运动体的轨迹和受力情况基本相同。外手柄的开启力矩曲线如图10所示(实测最大力矩值47600 N·mm)，关闭力矩曲线如图11所示(实测关闭最大力矩值19500 N·mm)。仿真结果与实测结果相近，较好地反映了实际工况。

A 外手柄开启力矩

外手柄开启力矩值曲线见图10，横轴表示时间，纵轴表示力矩值，最大力矩值41785N·mm。

B 外手柄关闭力矩

外手柄关闭力矩值曲线见图11，横轴表示时间，纵轴表示力矩值，最大力矩值17658.7N·mm。

4前服务门多体动力学刚柔耦合模型分析

使用刚柔耦合多体模型，运动驱动施加在内手柄铰链处，计算得到机构杆件在运动过程中的应力和变形大小。根据仿真结果，构件应力、变形均小于许用值，构件满足强度刚度要求。

4.1 平衡杆应力及变形计算结果

4.2 辅助摇臂应力及变形计算结果

4.3 支座应力及变形计算结果

4.4 扭力轴应力及变形计算结果

5 小结

综上所述，MotionView具有强大的仿真分析功能，能够完整模拟机构运动过程，得到运动体轨迹和承受的力或力矩值曲线，实现刚性体和柔性体的混合仿真，验证构件是否满足强度刚度要求。

6 参考文献
[1] MotionView User’s Manual
[2] 朱岩、王卯升. 某型飞机门梯合一登机门多体动力学分析.上海：Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集.2011