飞机后货舱门多体动力学分析：HyperWorks精准助力

行业：航空航天

挑战：后货舱门开启和关闭时手柄力 值过大的原因

Altair 解决方案：利用MotionView/MotionSolve 对后货舱门进行多体动力学分 析

优点：精确模拟机构运动 ； 加速研发流程

背景介绍

舱门是民用飞机机身中的重要且特殊的运动部件，而后货舱门是机身舱门中重 要的部件，它的主要功能是提供乘客行李装载的通道及应急撤离通道。 西安飞机工业（集团）有限责任公司（简称西飞）是科研、生产一体化的特大 型航空工业企业，是我国大中型军民用飞机的研制生产基地，国家一级企业。西飞 使用 Altair HyperWorks 模块 MotionView/MotionSolve 建立后货舱门的多体动力学 模型，基于建模－对标－分析的完整建模流程，得到高精度的后货舱门多体动力学 刚柔耦合模型。根据后货舱门开启和关闭的运动原理，建立内手柄操纵舱门时的分 析工况。另外根据后货舱门实际使用情况，通过调整部分部件的安装角度和位置后 模拟仿真，从而找出舱门开启和关闭时手柄力值过大的原因。

挑战

利用 CAD 软件建立的后货舱门三维模型，附之材料属性，直接输入到 HyperWorks 中。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。 刚体模型建立完成并通过调试仿真后，在该模型基础上，将货舱门门体和开启 机构、锁定运动机构中的主要构件替换成柔性体，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。并采用模态综合法缩减模型自由度，提取有 限元模型的前 15 阶模态进行柔性体建模，最终建立后货舱门的多体动力学刚柔耦 合模型。后货舱门多体动力学模型包含有 4 个子系统，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密封带压缩力等组成。子系统之间是相 互链接的，整个模型包含 47 个运动体，73 个运动副，5 个弹簧。  

“利用MotionView/MotionSolve建立的多体动力学模型，能够精确模拟舱门机构的运动，不仅能够观察到每个运 动体的运动轨迹，还能够得到每个运动体或运动副在每个时间段的承受的力或力矩值，从而可以发现舱门机构能 否满足所期望的目标性能。” 罗涛

解决方案

根据后货舱门开启和关闭的运动原理，创建内手柄操纵舱门时的分析工况。包括模拟用内手柄操纵后货舱门解锁、开 启、关闭和锁定时的分析工况。再输出后货舱门运动过程中部分运动体的力或力矩曲线，如内手柄力矩曲线，舱门开关推 力曲线等。然后模拟内手柄操纵后货舱门解锁运动，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，还 能够得到每个运动体或运动副在每个时间段的力或力矩值。在整个运动过程中，机构零部件的应力和变形都较小。

图 1 移动的交点

图 2 交点位置变化对内手柄开启力矩值影响                                                                  

后货舱门在实际使用时，经常发生手柄力值过大甚至手柄很难转动等情况，为排除设计因素，工程师们对装配时较难 保证的内手柄支耳交点位置和锁座安装角度进行模拟仿真，评估装配精度对手柄力值的影响。

由于后货舱门解锁/锁定是由一系列机构杆件传力运动，因此，机构杆件的交点位置对手柄力值有较大影响，若在安装 过程中交点误差较大，会对手柄力值产生较大影响。对内手柄支耳与可调杆上的交点进行微调移动（如图 1 所示）。

由于内 手柄转臂轴不变，因此当交点 Q1 向下移动 3mm 时，交点 Q2 也相应的向上移动一段距离。此时，内手柄开启力矩最大值 为 60.9Nm，增加了 22.6Nm，交点位置的变化对内手柄开启力矩值影响结果（如图 2 所示）。

后货舱门解锁过程中，锁滚轮沿锁座外形滚动，当其中任何一个锁座安装角度偏差过大时，将会对手柄力值产生较大 影响。将 8 个锁座中的 1 个锁座沿逆时针方向旋转 2°（如图 3 所示）后，锁座安装角度的变化对手柄开启力矩值的影响。 （如图 4 所示）从图中可以看出，锁座安装角度一旦偏差过大，锁滚轮滚过锁座最高点时的手柄力值将会大幅增加。

图 3 锁座安装角度变化

图4 锁座安装角度变化对手柄开启力矩值影响

结论

MotionView/MotionSolve 具有强大的机械仿真功能，能够输出精准的力值曲线，实现刚性体和柔性体的混合仿真，能 够为设计人员提供清晰的受力信息。

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