基于HyperWorks的飞机舱门机构多体动力学分析
The Multi-body Dynamics
Analysis of
Aircraft
Door Based on HyperWorks
王瑛
(中航工业西安飞机公司 陕西西安
710089）
摘
要：本文通过某型飞机舱门机构多体动力学分析为例，介绍了HyperWorks软件的多体动力学分析功能及应用方法。应用表明利用该软件建立的多体动力学模型，经过实物对标和调试能够精确的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，可以发现舱门机构能否满足所期望的目标性能；并可对舱门机构关键重要构件建立柔性体，建成舱门机构刚柔耦合模型，在使用过程中对构件的薄弱部位进行模拟仿真分析原因，进行强度、刚度校核。
关键词：舱门 机构 多体动力学 柔性体 模拟仿真
Abstract: Taking a certain type of aircraft door body
multi-body dynamics analysis as an example, this paper introduces
the HyperWorks software of multi-body dynamics analysis functions
and application methods. Application shows that the software is
used to establish the multi-body dynamics model, through the
physical simulation of label and debugging accurately door body
movement, can not only observe the trajectories of each movement of
body, will also be able to get each body movement or motion pair in
each time period under the force or torque value, you can find
doors can meet the desired objective performance; and can be the
key important component of hatch mechanism to establish flexible
body, built doors agency the coupled model, in use process
simulation analysis was carried out on the weak parts of the
component, the strength and rigidity.
Key Words：Aircraft Door, Mechanism, Multi-Body Dynamics
Analysis, Flexible body
1
概述
舱门是飞机机身中的重要且特殊的运动部件。它的主要功能是向乘客提供正常出入通道及应急 撤离通道。而舱门机构是舱门中设计最复杂、功能要求最严格的部件。由于舱门机构具有部件多、 空间相对狭小、相互运动关系复杂的特点，基于多体动力学方法进行分析和优化已成为国内外设计的主要方法。
使用软件HyperWorks模块MotionView/MotionSolve建立舱门机构的多体动力学刚体模型，基于建模－对标－分析的完整建模流程，得到高精度的舱门多体动力学刚体模型。根据舱门开启和关
闭的运动原理，建立了两种分析工况。从手柄力矩曲线和实测的手柄力对比，数值比较接近。另外根据舱门机构实际使用情况，使用
HyperWorks
模块
HyperMesh
对舱门机构重要构件建立柔性体， 运动机构刚柔耦合，进行模拟仿真，分析了机构重要构件的刚度、强度及薄弱部位，为机构改进提供依据。
2
舱门机构多体动力学刚体模型的建立
舱门机构多体动力学模型采用CAD建模法，利用CAD软件Catia建立的舱门三维模型，附之材料属性，测量每个零件的质量、质心坐标以及质心转动惯量，直接输入到CAE软件HyperWorks中，几何模型由Catia模型直接导入。机构中弹簧按设计图纸计算出刚度系数；根据弹簧初始安装角度或压缩长度通过计算得到弹簧预载荷。机构中转轴衬套连接部位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。本舱门机构多体动力学模型包含有8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接触碰撞力等组成。子系统之间是相互链接的，整个模型包含30
个运动体，45个运动副，5个弹簧。
2.1
子系统组成
A.舱门解锁和提升下降运动机构
此系统主要由主摇臂、提升机构、助力机构、插销锁机构、上位锁、手柄机构、辅助摇臂组件、平衡杆组成。共有
20
个运动体，29
个运动副和
5
个弹簧组成。如图
1
所示：
http://s12/mw690/002m4bgBzy77cY6tUIr1b&690
图 1 舱门相对于登机梯的上升和下降运动构
B.舱门绕固定轴的开启和关闭机构
此系统主要由主摇臂、辅助摇臂、平衡杆等组成。共有 3
个运动体，6个运动副组成。如图2所示：
http://s5/mw690/002m4bgBzy77cYdnxgEa4&690
图 2
舱门与主摇臂一起绕机身固定轴的开启和关闭运动机构
C.
插销锁机构
此系统主要由扭簧、插销、拉杆、摇臂、可调拉杆组成。共有 4
个运动体，6
个运动副和
1
个弹簧组成。如图3所示。
http://s16/mw690/002m4bgBzy77cYwGyKP8f&690
图
3
插销锁机构
D.上位锁机构
此系统主要由碰锁、限位角材组件、扭簧等组成。共有1个运动体、1个运动副、1个扭簧以及碰撞力和接触力组成。如图
4
所示：
http://s5/mw690/002m4bgBzy77cYNbRqsf4&690
图
4
上位锁机构
E.滑槽座
此系统主要由滚轮、滑槽座等组成。共有1个运动体、1个运动副以及碰撞接触力。如图5所
示：
http://s2/mw690/002m4bgBzy77cZbPVQJa1&690
图
5 滑槽座
F.舱门机构摩擦力
http://s1/mw690/002m4bgBzy77cZMN8k050&690摩擦系数，norm_reac.idstring 为接头正压力，10为力臂。
G.舱门密封带摩擦力和压缩力
http://s16/mw690/002m4bgBzy77cZSUb7h6f&690
I. 主摇臂弹簧限位止动碰撞力
http://s7/mw690/002m4bgBzy77cZWR0SW26&690
2.2 子系统之间的链接关系
舱门多体动力学模型8
个子系统之间的链接关系见表1。
表1
子系统之间的链接关系
http://s11/mw690/002m4bgBzy77d004Hcm4a&690
3
舱门多体动力学分析
根据舱门开启和关闭的运动原理，建立了二种分析工况。包括模拟用内外手柄操纵舱门开启和关闭时的分析工况。输出了舱门运动过程中部分运动体的力或力矩曲线，如手柄力钜曲线，滚轮对滑槽座的碰撞力等。从手柄力矩曲线和实测的手柄力对比，数值比较接近。
3.1
模拟内手柄操纵舱门打开和关闭的分析工况
模拟内手柄操纵插销锁相打开(1-4s)，舱门沿门框滑槽座向上提升运动（4.1～8s），舱门及主摇
臂绕固定轴在外力作用下旋转打开(8.1-12
秒)。然后舱门及主摇臂绕固定轴在外力作用下旋转关闭
(16
秒开始)，最后扳动内手柄，舱门相对于门框滑槽座向下运动，关闭到位(21-22.5
秒)。
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，如滚轮在滑槽座内的运动轨迹，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，如内手柄的开启(实测力矩最大值24.1Nm)和关闭(实测力矩最大值
14.6Nm)力矩曲线，滚轮对滑槽座的碰撞力值等。内手柄的开启力
矩曲线如图
7
所示，关闭力矩曲线如图
8
所示，滚轮对滑槽座的碰撞力曲线如图9所示。
http://s15/mw690/002m4bgBzy77d15aPUy1e&690
图7 内手柄开启力矩曲线
图8
内手柄关闭力矩曲线
http://s16/mw690/002m4bgBzy77d18R9GDef&690
图 9
滚轮对滑槽座的碰撞力
3.2
模拟外手柄操纵舱门打开和关闭的分析工况
模拟外手柄操纵舱门相对于门框滑槽座向上运动(1-4
秒)
，舱门绕主摇臂逆时针旋转同时与主 摇臂一起绕固定轴在外加推力作用下旋转打开(4-12
秒)
。然后舱门绕主摇臂逆时针旋转同时与主摇
臂一起绕固定轴在外加推力作用下旋转关闭(16
秒开始)
，最后搬动外手柄，舱门相对于门框滑槽座
向下运动，关闭到位(21-22.5
秒)。
由于外手柄与内手柄联动，除了外手柄与内手柄的开启和关闭力矩曲线不同外，其余运动体的轨迹和受力情况基本相同。外手柄的开启力矩曲线如图 10
所示(实测最大力矩值
60.8Nm)，关闭力矩曲线如图
11所示(实测关闭最大力矩值
31.7Nm)。
http://s4/mw690/002m4bgBzy77d1eXVOHd3&690
图 10
外手柄开启力矩曲线
图 11
外手柄关闭力矩曲线
3.3
对标
通过与实物试验对标，使模型能够更加精确的模拟实物舱门运动机构。进行了内外手柄开启和关闭后服务门所需最大力矩值对标。表 2是力矩值对标结果。
表
2
力矩值对标
http://s8/mw690/002m4bgBzy77d1s2xvh67&690
由表
2可以看出，4种力矩值与试验数据基本相似，误差为
10%左右。结论在正常的内手柄操纵后服务门打开与关闭工况和外手柄操纵后服务门打开与关闭工况下，手柄力矩值和零部件强度刚度满足要求。
门体在运动到
2.1s
时，助力弹簧压缩量最大。在运动到
2.3s
时，手柄力突变，此时服务门开始提升，由于要克服门体本身自重以及门体向上运动时密封带与门框的静摩擦力，此时手柄力达到最大值。而门在关闭时只克服机构的动摩擦力，故开启时的手柄力明显大于关闭时的手柄力。
4 舱门机构重要构件刚柔耦合仿真
4.1
多体动力学模型（刚柔耦合模型）
在已建立的多体动力学模型（刚体）的基础上，将机构支座、平衡杆、扭力管和辅助摇臂替换成柔性体，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。图8是要建立柔性体部件的有限元模型，图
9
转轴细节有限元模型。
http://s6/mw690/002m4bgBzy77d1Bgbn735&690
图8 建立柔性体的有限元模型
图9 转轴部分有限元模型
4.2
柔性体计算结果
http://s14/mw690/002m4bgBzy77d1Mv2clad&690
图
10
平衡杆应力及变形计算结果
http://s11/mw690/002m4bgBzy77d1N1n1U7a&690
图 11
辅助摇臂应力及变形计算结果
http://s8/mw690/002m4bgBzy77d1NttTVc7&690
图 12
支座应力及变形计算结果
http://s9/mw690/002m4bgBzy77d1NR2NW28&690
图
13
扭力管应变、应力云图
部件强度校核
表 3
http://s8/mw690/002m4bgBzy77d2coGQnd7&690
http://s3/mw690/002m4bgBzy77d2djzkS52&690
部件刚度变形
http://s2/mw690/002m4bgBzy77d2dIky581&690
5
小结
综上所述，HyperWorks
具有强大综合性功能。其中的
MotionView
模块的机械仿真功能，不仅能够输出精准的力值曲线，而且能够实现刚性体和柔性体的混合仿真；MotionView
模块与HyperMesh
模块相结合，更能满足设计人员不论是前期方案设计还是最终详细设计需求，是不可或缺的利器。
6 参考文献
[1] 洪嘉振. 计算多体系统动力学[M]. 北京:高等教育出版社,2002
[2]
傅志方.模态分析理论与应用.上海：上海交通大学出版社，2000
[3] HyperWorks Reference Guide
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