搜索CAE于飛機后貨艙門多體動力學分析中的應用【轉發(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。
使用軟件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(jù)后貨艙門開啟和關閉的運動原理,建立了內(nèi)手柄操縱艙門時的分析工況。從手柄力矩曲線和實測的手柄力對比,數(shù)值比較接近。另外根據(jù)后貨艙門實際使用情況,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閉時手柄力值過大的原因。
2 后貨艙門多體動力學模型的建立
后貨艙門多體動力學模型采用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,測量每個零件的質(zhì)量、質(zhì)心坐標以及質(zhì)心轉動慣量,直接輸入到CAE軟件HyperWorks中,模型外形由Catia模型直接導入。氣彈簧力值由設計力值曲線數(shù)據(jù)輸入。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(jù)資料預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(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(tǒng),每個子系統(tǒng)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(tǒng)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。
2.1子系統(tǒng)組成
A.后貨艙門開啟運動機構
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個運動體,20個運動副和4個彈簧組成。如圖1所示:
圖1后貨艙門開啟運動機構
B.后貨艙門鎖定運動機構
此系統(tǒng)主要由鎖滾輪、鎖機構搖臂、鎖座、機構連桿、平衡桿等組成。共有28個運動體和44個運動副。如圖2所示:
圖2 后貨艙門鎖定運動機構
C.后貨艙門內(nèi)手柄機構
此系統(tǒng)主要由內(nèi)手柄、限位氣彈簧、連桿等組成。共有5個運動體、7個運動副、1個彈簧組成。如圖3所示:
圖3內(nèi)手柄機構
D.后貨艙門外手柄機構
此系統(tǒng)主要由外手柄、滾輪組件等組成。共有1個運動體、2個運動副組成。如圖4所示:
圖4 外手柄機構
E.后貨艙門內(nèi)外手柄聯(lián)動機構
內(nèi)外手柄聯(lián)動機構是通過一套鋼索機構來實現(xiàn)內(nèi)外手柄的聯(lián)動,主要由鋼索、可調(diào)接頭、擋球、鋼索滑輪等組成。如圖5所示。
圖5內(nèi)外手柄聯(lián)動機構
F.后貨艙門機構摩擦力
此系統(tǒng)主要給后貨艙門運動機構轉軸襯套施加摩擦力。
力值函數(shù)表達式:
2.2子系統(tǒng)之間的鏈接關系
后貨艙門多體動力學模型4個子系統(tǒng)之間的鏈接關系見表1,整個系統(tǒng)的多體動力學剛柔耦合模型見圖6。
表1子系統(tǒng)之間的鏈接關系
圖6 剛柔耦合多體動力學模型
3 后貨艙門多體動力學分析
根據(jù)后貨艙門開啟和關閉的運動原理,建立了內(nèi)手柄操縱艙門時的分析工況。包括模擬用內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖、開啟、關閉和鎖定時的分析工況。輸出了后貨艙門運動過程中部分運動體的力或力矩曲線,如內(nèi)手柄力矩曲線,艙門開關推力曲線等。從手柄力矩曲線和艙門開關推力曲線與實測值對比,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動(0-5秒),艙門解鎖后保持靜止(5-10秒),最后扳動內(nèi)手柄,后貨艙門鎖定到位(10-15秒)。
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,如鎖滾輪在鎖座內(nèi)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,如內(nèi)手柄的解鎖(實測力矩最大值38.7Nm)和鎖定(實測力矩最大值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。
圖7 內(nèi)手柄解鎖力矩曲線
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閉的分析工況
模擬內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖運動(0-5秒),后貨艙門在氣彈簧和人為推力的作用下旋轉打開(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關閉(7.5-10秒)。
在該工況下,由于內(nèi)手柄操縱后貨艙門解鎖運動(0-5秒)與前述工況完全一致,因此,僅考慮艙門打開和關閉時的推/拉力值。后貨艙門開啟和關閉時的推/拉力曲線如圖9所示(實測最大推力值217N)。
圖9 后貨艙門開啟和關閉時的推/拉力曲線
3.3柔性體應力和變形分析
部分柔性體零部件在運動過程中的最大應力和應變?nèi)鐖D10所示。在整個運動過程中,機構零部件的應力和變形都較小。
(a)門體
(b)內(nèi)手柄
(c) 叉形連桿
(d) 搖臂
圖10 柔性體零部件應力和變形云圖
4 后貨艙門故障模擬
后貨艙門在實際使用時,經(jīng)常發(fā)生手柄力值過大甚至手柄很難轉動等情況,排除設計因素,對裝配時較難保證的內(nèi)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。
4.1模擬后貨艙門內(nèi)手柄支耳交點位置裝配誤差過大
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(chǎn)生較大影響。對內(nèi)手柄支耳與可調(diào)桿上的交點進行微調(diào)移動,如圖11所示。由于內(nèi)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(nèi)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(nèi)手柄開啟力矩值影響結果如圖12所示。
圖11 移動的交點
圖12 交點位置變化對內(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,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(chǎn)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13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時的手柄力值將會大幅增加。
圖13 鎖座安裝角度變化 圖14鎖座安裝角度變化對手柄開啟力矩值影響
5 小結
綜上所述,MotionView具有強大的機械仿真功能,能夠輸出精準的力值曲線,能夠實現(xiàn)剛性體和柔性體的混合仿真,能夠為設計人員提供清晰的受力信息。
注:文章摘自有限元科技公眾號,如有版權問題可聯(lián)系我們
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