CAE于飛機(jī)后貨艙門多體動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-07-31 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 概述

艙門是民用飛機(jī)機(jī)身中的重要且特殊的運(yùn)動(dòng)部件,而后貨艙門是機(jī)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(yīng)急撤離通道。

使用軟件HyperWorks模塊MotionView/MotionSolve建立后貨艙門的多體動(dòng)力學(xué)模型,基于建模-對(duì)標(biāo)-分析的完整建模流程,得到高精度的后貨艙門多體動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ?。根?jù)后貨艙門開啟和關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)原理,建立了內(nèi)手柄操縱艙門時(shí)的分析工況。從手柄力矩曲線和實(shí)測(cè)的手柄力對(duì)比,數(shù)值比較接近。另外根據(jù)后貨艙門實(shí)際使用情況,通過調(diào)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(guān)閉時(shí)手柄力值過大的原因。

2 后貨艙門多體動(dòng)力學(xué)模型的建立

后貨艙門多體動(dòng)力學(xué)模型采用CAD建模法,利用CAD軟件Catia建立的后貨艙門三維模型,附之材料屬性,測(cè)量每個(gè)零件的質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)以及質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,直接輸入到CAE軟件HyperWorks中,模型外形由Catia模型直接導(dǎo)入。氣彈簧力值由設(shè)計(jì)力值曲線數(shù)據(jù)輸入。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸用襯套連接處在多體動(dòng)力學(xué)模型中處理成襯套元素,根據(jù)資料預(yù)估各方向剛度和摩擦系數(shù)。

剛體模型建立完成并通過調(diào)試仿真后,在該模型基礎(chǔ)上,將貨艙門門體和開啟機(jī)構(gòu)、鎖定運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的主要構(gòu)件替換成柔性體,機(jī)構(gòu)桿件與機(jī)構(gòu)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(tài)綜合法縮減模型自由度,提取有限元模型的前15階模態(tài)進(jìn)行柔性體建模,最終建立后貨艙門的多體動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ?。后貨艙門多體動(dòng)力學(xué)模型包含有4個(gè)子系統(tǒng),每個(gè)子系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)體、運(yùn)動(dòng)副、彈簧,以及作用在運(yùn)動(dòng)體上的摩擦力和密封帶壓縮力等組成。子系統(tǒng)之間是相互鏈接的,整個(gè)模型包含47個(gè)運(yùn)動(dòng)體,73個(gè)運(yùn)動(dòng)副,5個(gè)彈簧。

2.1子系統(tǒng)組成

A.后貨艙門開啟運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

此系統(tǒng)主要由氣彈簧、固定底座、搖臂、可調(diào)拉桿等組成等組成。共有13個(gè)運(yùn)動(dòng)體,20個(gè)運(yùn)動(dòng)副和4個(gè)彈簧組成。如圖1所示:

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圖1后貨艙門開啟運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

B.后貨艙門鎖定運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

此系統(tǒng)主要由鎖滾輪、鎖機(jī)構(gòu)搖臂、鎖座、機(jī)構(gòu)連桿、平衡桿等組成。共有28個(gè)運(yùn)動(dòng)體和44個(gè)運(yùn)動(dòng)副。如圖2所示:

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圖2 后貨艙門鎖定運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

C.后貨艙門內(nèi)手柄機(jī)構(gòu)

此系統(tǒng)主要由內(nèi)手柄、限位氣彈簧、連桿等組成。共有5個(gè)運(yùn)動(dòng)體、7個(gè)運(yùn)動(dòng)副、1個(gè)彈簧組成。如圖3所示:

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圖3內(nèi)手柄機(jī)構(gòu)

D.后貨艙門外手柄機(jī)構(gòu)

此系統(tǒng)主要由外手柄、滾輪組件等組成。共有1個(gè)運(yùn)動(dòng)體、2個(gè)運(yùn)動(dòng)副組成。如圖4所示:

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圖4 外手柄機(jī)構(gòu)

E.后貨艙門內(nèi)外手柄聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)

內(nèi)外手柄聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過一套鋼索機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外手柄的聯(lián)動(dòng),主要由鋼索、可調(diào)接頭、擋球、鋼索滑輪等組成。如圖5所示。

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圖5內(nèi)外手柄聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)

F.后貨艙門機(jī)構(gòu)摩擦力

此系統(tǒng)主要給后貨艙門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸襯套施加摩擦力。

力值函數(shù)表達(dá)式:

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2.2子系統(tǒng)之間的鏈接關(guān)系

后貨艙門多體動(dòng)力學(xué)模型4個(gè)子系統(tǒng)之間的鏈接關(guān)系見表1,整個(gè)系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ鸵妶D6。

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表1子系統(tǒng)之間的鏈接關(guān)系

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圖6 剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型

3 后貨艙門多體動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)后貨艙門開啟和關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)原理,建立了內(nèi)手柄操縱艙門時(shí)的分析工況。包括模擬用內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖、開啟、關(guān)閉和鎖定時(shí)的分析工況。輸出了后貨艙門運(yùn)動(dòng)過程中部分運(yùn)動(dòng)體的力或力矩曲線,如內(nèi)手柄力矩曲線,艙門開關(guān)推力曲線等。從手柄力矩曲線和艙門開關(guān)推力曲線與實(shí)測(cè)值對(duì)比,數(shù)值比較接近。

3.1模擬內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖和鎖定的分析工況

模擬內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖運(yùn)動(dòng)(0-5秒),艙門解鎖后保持靜止(5-10秒),最后扳動(dòng)內(nèi)手柄,后貨艙門鎖定到位(10-15秒)。

在整個(gè)模擬運(yùn)動(dòng)過程中,不僅能夠觀察到每個(gè)運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)軌跡,如鎖滾輪在鎖座內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡,還能夠得到每個(gè)運(yùn)動(dòng)體或運(yùn)動(dòng)副在每個(gè)時(shí)間段的力或力矩值,如內(nèi)手柄的解鎖(實(shí)測(cè)力矩最大值38.7Nm)和鎖定(實(shí)測(cè)力矩最大值40Nm)力矩曲線等。內(nèi)手柄的解鎖力矩曲線如圖7所示,鎖定力矩曲線如圖8所示。

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圖7 內(nèi)手柄解鎖力矩曲線

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圖8 內(nèi)手柄鎖定力矩曲線

3.2模擬內(nèi)手柄操縱后貨艙門打開和關(guān)閉的分析工況

模擬內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖運(yùn)動(dòng)(0-5秒),后貨艙門在氣彈簧和人為推力的作用下旋轉(zhuǎn)打開(5-7.5秒),然后后貨艙門在人為拉力和氣彈簧的作用下旋轉(zhuǎn)關(guān)閉(7.5-10秒)。

在該工況下,由于內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖運(yùn)動(dòng)(0-5秒)與前述工況完全一致,因此,僅考慮艙門打開和關(guān)閉時(shí)的推/拉力值。后貨艙門開啟和關(guān)閉時(shí)的推/拉力曲線如圖9所示(實(shí)測(cè)最大推力值217N)。

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圖9 后貨艙門開啟和關(guān)閉時(shí)的推/拉力曲線

3.3柔性體應(yīng)力和變形分析

部分柔性體零部件在運(yùn)動(dòng)過程中的最大應(yīng)力和應(yīng)變?nèi)鐖D10所示。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中,機(jī)構(gòu)零部件的應(yīng)力和變形都較小。

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(a)門體

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(b)內(nèi)手柄

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(d) 搖臂

圖10 柔性體零部件應(yīng)力和變形云圖

4 后貨艙門故障模擬

后貨艙門在實(shí)際使用時(shí),經(jīng)常發(fā)生手柄力值過大甚至手柄很難轉(zhuǎn)動(dòng)等情況,排除設(shè)計(jì)因素,對(duì)裝配時(shí)較難保證的內(nèi)手柄支耳交點(diǎn)位置和鎖座安裝角度進(jìn)行模擬仿真,評(píng)估裝配精度對(duì)手柄力值的影響。

4.1模擬后貨艙門內(nèi)手柄支耳交點(diǎn)位置裝配誤差過大

由于后貨艙門解鎖/鎖定是由一系列機(jī)構(gòu)桿件傳力運(yùn)動(dòng),因此,機(jī)構(gòu)桿件的交點(diǎn)位置對(duì)手柄力值有較大影響,若在安裝過程中交點(diǎn)誤差較大,會(huì)對(duì)手柄力值產(chǎn)生較大影響。對(duì)內(nèi)手柄支耳與可調(diào)桿上的交點(diǎn)進(jìn)行微調(diào)移動(dòng),如圖11所示。由于內(nèi)手柄轉(zhuǎn)臂軸不變,因此當(dāng)交點(diǎn)Q1向下移動(dòng)3mm時(shí),交點(diǎn)Q2也相應(yīng)的向上移動(dòng)一段距離。此時(shí),內(nèi)手柄開啟力矩最大值為60.9Nm,增加了22.6Nm,交點(diǎn)位置的變化對(duì)內(nèi)手柄開啟力矩值影響結(jié)果如圖12所示。

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圖11 移動(dòng)的交點(diǎn)

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圖12 交點(diǎn)位置變化對(duì)內(nèi)手柄開啟力矩值影響

4.2模擬后貨艙門鎖座安裝角度變化

后貨艙門解鎖過程中,鎖滾輪沿鎖座外形滾動(dòng),當(dāng)其中任何一個(gè)鎖座安裝角度偏差過大時(shí),將會(huì)對(duì)手柄力值產(chǎn)生較大影響。將8個(gè)鎖座中的1個(gè)鎖座沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)2°(如圖13所示)后,鎖座安裝角度的變化對(duì)手柄開啟力矩值的影響如圖14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(diǎn)時(shí)的手柄力值將會(huì)大幅增加。

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