Motion View在登机门多体动力学分析中的应用案例

“Altair　MotionView作为虚拟样机技术应用仿真软件的代表，已经得到业内的广泛认可。我们采用MotionView创建登机门运动仿真模型，得到运动副、挡块和作动筒上的力和力矩，为分析登机门开启力和作动筒提升力的设计以及关键部件强度提供设计依据。”——摘自HTC2010大会用户论文

简介

随着科技的发展，在虚拟样机仿真领域，基于多体动力学理论开发的仿真分析软件功能日趋完美。虚拟样机技术应用仿真软件能够使用程序准确的模拟真实的机械系统，并能够精确计算出运动过程中的各种运动副上力和力矩的大小，为结构强度和疲劳提供参考，避免了传统的产品开发过程中零部件和样机的反复制造、试验等过程。

MotionView是新一代系统动力学仿真分析软件。它具有简捷友好的用户界面、高效的建模语言（MDL），同时也是第一款支持多求解器输出的多体动力学软件。MotionView可以将模型直接输出成ADAMS、ABAQUS、DADS、NASTRAN、RADIOSS等多种求解格式文件，也可直接通过Altair MotionSolve进行求解。MotionSolve是采用新一代点辅助坐标系原理（Point-Auxiliary-Coordinate System）的多体动力学求解器，它具有更快捷、更稳定的计算特点；适用范围广泛，可以处理机械系统动力学、隔振、控制系统设计、针对耐久性分析的载荷预期和稳健性仿真等多方面的问题，还可以对零自由度的机械系统和具有复杂非线性应变的模型进行仿真。

挑战

西安飞机工业集团公司（简称“西飞”）在某型飞机的登机门设计中，由于采用门梯合一的设计，门部件间的运动关系十分复杂，因此机门能否有效开启和关闭是机门设计中的主要设计因素。

西飞技术中心结构设计团队希望通过利用虚拟样机技术模拟真实的机门机构，分析机门开启手柄力大小和回收所需的液压力；并且需要精确计算出运动过程中的各种运动副上力和力矩的大小，为结构强度和疲劳提供参考。

因此，如何选择一种通用的、功能强大的动力学仿真工具以满足以上需求成为设计团队关注的重要问题。

解决方案

图1所示的登机门为门梯合一式，位于机身左侧7框～9框之间的地板上侧。门梯合一登机门主要由登机门提升机构、登机门锁定机构、登机梯结构、登机门门体结构及登机门液压操纵系统等组成，各个系统部件之间既有普通铰链也有多种高副连接关系。舱门为内、外蒙皮及隔板组成的铆接结构，门四周有一圈密封胶管，即密封带，门内部装有门的门闩锁操纵机构。操纵机构由内手柄和带钥匙锁的外手柄、摇臂、连杆、锁定机构及液压操纵系统等组成。

在创建运动学模型之前，需要获取模型的一些建模所需的输入数据，利用Catia软件建立登机门的三维电子样机，附之材料属性。利用Catia软件自带的测量每个零部件的质量、质心坐标以及运动副的位置点坐标；驱动缸的驱动力由实验测试数据得到（见图2）；弹簧刚度由设计图纸得到，而预载则安装角度和压缩长度通过计算方法得到；模型外形由Catia模型直接导入得到；轴瓦铁和铜构成在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。

最终建立的多体动力学模型（图3）中共有36个运动体、44普通铰链、4个点到曲线的高副铰链、两个运动驱动和1个齿轮副、7个弹簧阻尼元素、21个力定义以及1个控制运动过程的触发器Sensor。整个模型仿真时间定为22秒。0－4秒是插销锁解锁和门结构提升过程；4－10秒是门和梯子一起翻转打开过程；10－17.5秒是门和梯子一起翻转收起过程；17.5－21.5秒是门收起结构到位和插销锁锁上过程。

模型完成后首先需要检查模型的正确性，确保模型与被模拟的登机门有同样的运动。通过对比仿真和实验结果测量得到的门运动轨迹（见图4-5）、挡块的相对位置、梯子和翻板的下翻情况等是否合理，确保模型与样机的一致性。

在机门开启阶段最主要的评价参数是开启机门所需要的内手柄力，在设计规范中对这个力的最大值和变化过程都有一定的规范要求，通过仿真分析得出了手柄力的变化曲线（图6），从结果可以看出手柄力最大值和变化趋势满足设计要求。在机门关闭阶段最主要的评价标准是作动筒的驱动力能否带动机门机构自动收起，减少最好能避免人员手动推动门关闭的关闭动作，实现机门的自动回收过程，但同时又要避免驱动力过大造成门关闭时冲击过大，进而造成关门噪音过大。初始设计的驱动力太小，机门无法自动回收，通过仿真模型找到了合适的驱动力大小，优化前后力的对比曲线（图7），通过实验验证发现仿真结果是可行的。

结论

利用MotionView强大的模拟运动功能，给设计工程师提供了运动副上的力和力矩曲线，提高了工作效率。后续工作将考虑部件柔性变形对机构的影响，进行登机门设计参数的灵敏度分析，找出影响机门开启和关闭的关键设计参数并对其进行优化设计，最后将根据得出的部件受力进行部件强度的验算。

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