基于Simcenter3D的艙門剛柔耦合動力學仿真分析

吳揚，吳勝同，裘旭冬，王楠，王鵬飛，秦強

(1. 上海飛機設計研究院，上海 201210； 2. 上海無線電設備研究所，上海 201109)

0 引言

飛機艙門是用于進出機艙的可開關重要組件，具有功能要求嚴格、運動關系復雜、部件多、空間狹小等特點。多數(shù)部件作為機構的一部分參與運動，同時在運動過程中傳遞力與轉矩，實現(xiàn)艙門的打開與鎖閉。所以要求艙門機構在運行過程中，在克服外力作用傳導轉矩的同時也要滿足運動功能要求。基于多體運動學的方法對艙門進行仿真分析與優(yōu)化是國內(nèi)外設計工作的主要方法[1]。

隨著現(xiàn)代飛機對可靠性以及安全性能要求的不斷提高，在艙門的方案設計階段建立剛柔耦合動力學仿真模型顯得十分必要，在機構開啟過程進行動力學仿真，得到機構集中力變化，構件傳力性能以及應力、應變狀態(tài)，為機構的優(yōu)化改進以及零件的參數(shù)確定提供依據(jù)[2]。

關于含柔性件的剛柔耦合動力學仿真，部分學者進行了相關研究。張銳等通過剛柔耦合對起落架開度進行了研究[3]；谷長河等應用LMS對解鎖抬升機構進行了分析[4]；袁強飛應用ADAMS對機構卡滯載荷進行了相關分析實驗[5]；王文浩等對門鎖機構進行了動力學仿真分析[6]。對艙門整體進行剛柔耦合，可以輸出柔性部件相對于整個艙門機構的運動功能及傳力特性。

1 飛機艙門機構組成

某型號艙門模型如圖1所示，其工作過程可描述為：機務人員轉動手柄使艙門沿著門框上的導軌做提升運動；當提升至正確位置后機構被鎖定，向外推動艙門，艙門在主鉸鏈臂以及上方兩平衡桿的作用下做平移運動，打開過程中始終保持艙門與機身的平行關系；當運動到正確位置后艙門由陣風鎖鎖定。艙門機構的主要功能為保證艙門正常安全的上鎖、解鎖以及按照預定的軌跡打開。

圖1 某型號艙門總裝模型

艙門運動機構可簡化分為提升四桿機構以及助力四桿機構。提升四桿機構實現(xiàn)艙門的提升運動，通過轉動手柄連桿帶動艙門下?lián)u臂轉動使艙門向上提升，以主鉸鏈臂十字鉸為提升支點，同時艙門兩側的滾輪在門框架上的導軌內(nèi)沿著預定的軌跡運動。助力四桿機構可以將下放扭桿彈簧的轉矩傳遞到提升機構，實現(xiàn)助力作用，以克服艙門重力、密封袋壓縮力、機構間摩擦力等。

2 艙門系統(tǒng)剛柔耦合分析主要考慮因素

為了驗證艙門設計方案的可行性，本文主要針對以下重要因素對艙門進行剛柔耦合動力學分析。

1)控制艙門手柄驅動力矩以及變化狀態(tài)：根據(jù)要求，艙門提升所施加的手柄力以及驅動力矩應處于合適范圍，且變化平穩(wěn)，提升過程流暢，保證機務人員的可操作性，不會產(chǎn)生過大的負擔。

2)關鍵部件應力、應變狀態(tài)：由于部分關鍵部件在運動過程中總是承擔傳遞運動以及轉矩的任務，極易發(fā)生變形，變形疊加會影響艙門功能。通過剛柔耦合監(jiān)控艙門運動過程中部件的狀態(tài)變化，提高系統(tǒng)的安全性與可行性。

3)艙門運動軌跡：艙門在打開過程中，應保證艙門與機身始終保持平行的狀態(tài)。為了驗證艙門是否位于正確的運動路徑，通過動力學仿真確定艙門運動路徑的準確性。

3 艙門剛柔耦合仿真分析方案

艙門剛柔耦合動力學仿真在Simcenter3D平臺中完成。通過Simcenter3D Motion模塊定義剛體及運動學模型，并由NX Nastran求解器對Simcenter3D中分析的剛體模型柔性化，從而完成整個機構的剛柔耦合動力學分析。艙門動力學分析流程如圖2所示。

圖2 艙門動力學分析流程

艙門的主要傳力部件包括連桿、傳力桿和導軌等，結構變形也主要發(fā)生在上述部件。因此，剛柔耦合動力學分析過程如下：將艙門三維模型導入NX之后，轉入Simcenter3D運動仿真模塊，定義運動體，同時利用其前處理功能NX Nastran求解器對考慮變形的部件進行網(wǎng)格劃分，并對各個部件進行模態(tài)分析；隨后將柔性體結果文件導入運動模塊中作為柔性體，并且施加載荷、約束、運動副等，對運動學模型進行求解，完成艙門的剛柔耦合分析[7]。

3.1 剛柔耦合動力學建模

由于初建的艙門模型不具有物理意義(包括各零部件的質量，轉動慣量等)，將各個零部件添加至Simcenter3D中定義為運動體，并創(chuàng)建運動體之間的運動關系，保證艙門具有正確的運動軌跡。

艙門運動體定義完畢后，對其施加運動副及相關約束，凸輪桿相對艙門的轉動關系為驅動，對艙門內(nèi)部齒輪箱、提升機構、助力機構、門鎖機構及門閂機構等機構按照其實際運動關系定義約束，保證艙門具有合理自由度。

艙門約束定義完畢后，對其受力情況定義載荷，艙門受載荷情況分為重力、彈簧力、密封帶壓縮力等。艙門的重力可由Simcenter3D系統(tǒng)對單個機構重力模擬疊加而來，對于重力按照標準數(shù)值施加。對于彈簧力，由于實體彈簧模型模擬彈力計算量較大、計算時間長，同時不便調(diào)整彈簧相關彈性系數(shù)，仿真中利用滑動副虛擬彈簧代替，簡化模型的同時，便于調(diào)參。

艙門在開關過程中與密封帶的壓縮為均勻壓縮，在艙門四周均勻密布，可將密封帶壓縮力由彈簧彈力進行模擬(圖3)，其壓縮量由艙門中心與艙門弧線圓心之間的半徑差來確定。由于密封帶的壓縮力隨著壓縮量的增大而增大，壓縮量與壓縮力之間的曲線為非線性曲線，仿真中其關系由函數(shù)線段模擬。

圖3 模擬密封帶壓縮力

3.2 柔性體模型的建立

運動體構建完成后，將需要考慮變形的部件由Nastran求解器進行網(wǎng)格劃分，定義彈性模量、泊松比等材料屬性以及網(wǎng)格大小、網(wǎng)格類型等單元屬性，最終生成.op2結果文件，創(chuàng)建Simcenter3D中的柔性體。

以主鉸鏈臂為例，考慮其變形將它定義為柔性體，進行約20階模態(tài)分析[4]，其有限元網(wǎng)格模型以及模態(tài)分析模型如圖4所示。

圖4 剛柔耦合模型

多體動力學剛柔耦合仿真原理為計算柔性模態(tài)，而模態(tài)是材料結構的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。通過計算各個構件的模態(tài)特征，可以預見在該振動頻率階段各種外部或者內(nèi)部振源作用下的實際振動響應。

艙門剛柔耦合運動學模型建立后可以求得機構之間的轉矩、速度位移變化曲線和應力、應變云圖。例如，針對現(xiàn)有模型求解得出手柄轉矩曲線以及位移變化曲線等(圖5)，手柄轉矩的最大值如圖5(a)所示。

圖5 手柄轉矩及艙門位移變化曲線

4 結語

針對艙門設計，通過剛柔耦合動力學仿真是其中不可或缺的一環(huán)。為得出艙門部件應力集中以及運動變化情況，通過Simcenter3D建立艙門剛柔耦合模型，對其運動情況進行分析，得出相關參數(shù)變化范圍，對機構打開、關閉過程進行剛柔耦合動力學仿真，得到機構的交點力、傳力特性以及應變狀態(tài)，從而為機構交點的優(yōu)化改進和零部件的參數(shù)確定提供依據(jù)。