1 概述
舷梯门作为驾驶员及乘员上下飞机的出入通道,为门梯合一式舱门,使用频繁。同时舷梯门作为飞机上的舱门,具有承受飞机气动载荷,保持飞机外形,保证飞机的密封性等功能。舷梯门由舱门、插销锁机构、舷梯拉杆系统、助力机构和门框锁槽等组成,打开时向乘客提供正常出入通道,关闭时要保证水密。
使用软件HyperWorks模块MotionViewMotionSolve建立舷梯门的多体动力学模型,根据舷梯门开启和关闭的运动原理,建立了舱门有无阻尼器时的运动分析工况,并对两种工况得到的舱门接头上的力进行了对比分析。
2 舷梯门多体动力学模型的建立
舷梯门多体动力学模型采用CAD建模法,利用CAD软件Catia建立的舷梯门三维模型,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,模型外形由Catia模型直接导入。运动机构的每个运动副根据资料预估摩擦系数。舷梯门多体动力学模型包含有3个子系统,每个子系统由运动体、运动副,以及作用在运动副上的摩擦力和作用在运动体上的接触碰撞力等组成。整个模型包含26个运动体,42个运动副,4个接触碰撞力,4个弹簧。
2.1 子系统组成
A.弦梯门插销锁运动机构
此系统主要由内手柄、外手柄、齿轮、锁销、可调拉杆等组成。共由9个运动体,13个运动副和4个弹簧组成,内外手柄通过可调拉杆实现联动,使舷梯门在飞机内部和外部都能被锁定和解锁。该插销锁机构较为简单,而且在实际使用时稳定可靠,因此,在之后的分析中将不再赘述。插销锁机构多体运动学模型如图1所示。
图1 插销锁运动机构
B.舷梯门开启关闭运动机构
此系统主要由舱门门体、舷梯拉杆系统等组成,共有17个运动体和29个运动副。此外,为防止机构在仿真运动过程中杆件与门体、杆件之间发生穿透,运动模型中还加入了杆系与门体、杆件之间的接触碰撞力,力值函数表达式为:
IMPACT(DY({m_9.idstring},{m_11.idstring},{m_11.idstring}),VY({m_9.idstring},{m_11.idstring},{m_11.idstring}),6.5,1000,1.5,10,0.1)
舷梯门开启关闭运动机构如图2所示。
C.舷梯门机构摩擦力
此系统主要给舷梯门运动机构转轴施加摩擦力。
力值函数表达式:
VARVAL({mu_eff_rot_x.idstring})VARVAL({norm_reac.idstring})R
其中mu_eff_rot_x.idstring为摩擦系数,norm_reac.idstring为接头正压力,R为摩擦圆半径。
图2 舷梯门开启关闭运动机构
2.2 子系统之间的链接关系
舷梯门多体动力学模型中各子系统及运动构件之间的链接关系见表1,整个系统的多体动力学模型见图3。
表1 子系统及运动构件之间的链接关系
图3 全系统的多体动力学模型
3 舷梯门多体动力学分析
根据舷梯门机构的运动原理,建立了无阻尼和有阻尼时舷梯门开启和关闭的分析工况。整个仿真过程包括操纵内手柄使舷梯门解锁、推动舷梯门使其打开、模拟两个人踩踏舷梯门登机、拉动与门框铰接的拉杆使舷梯门关闭、操纵内手柄使舷梯门锁定。通过计算最终输出了舷梯门运动过程中部分运动体运动副上的力或力矩曲线,如舷梯门门体和杆系与门框铰接点的力值曲线,舷梯门关闭时的力矩值曲线等。并对两种工况得到的力值力矩值曲线进行了对比分析。
3.1 模拟无阻尼时舷梯门开启和关闭的分析工况
模拟内手柄操纵舷梯门解锁运动(0~5秒),之后在内手柄处施加18N的瞬时脉冲力使舱门随自身重力打开,接着拉动(旋转)右侧与门框铰接的拉杆使舷梯门关闭(15~20秒),最后扳动内手柄,舷梯门锁定到位(20~25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,如舱门打开时产生震荡的运动轨迹,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,如舷梯门门体与门框铰接点的力值曲线、舷梯拉杆与门框铰接点的力值曲线、舷梯门关闭力矩值曲线等。舷梯门门体与门框铰接点的力值曲线如图4所示,舷梯拉杆与门框铰接点的力值曲线如图5所示,舷梯门关闭力矩值曲线如图6所示。
图4 舷梯门门体与门框铰接点(下铰点)力值曲线
图5 舷梯拉杆与门框铰接点(上铰点)力值曲线
图6 舷梯门关闭力矩值曲线
3.2 模拟有阻尼时舷梯门开启和关闭的分析工况
模拟内手柄操纵舷梯门解锁运动(0~5秒),之后在内手柄处施加18N的瞬时脉冲力使舱门随自身重力打开,舱门完全打开后在第一级和第二级台阶上均分别施加一个最大值为800N的踩踏力以模拟两个80kg的乘客登机(15~19秒),踩踏力值的表达式为STEP(time,15,0,15.5,-800)+STEP(time,18.5,0,19,800);接着拉动(旋转)右侧与门框铰接的拉杆使舷梯门关闭(20~25秒),最后扳动内手柄,舷梯门锁定到位(25~30秒)。其中,阻尼力采用一最大输出为175N的线性阻尼模拟,该阻尼器布置在门体右侧,力的作用点分
别位于门框和门体上;在多体动力学模型中该阻尼采用两点力来模拟,其力的大小和方向随舱门的开闭不断变化。舱门开启(关闭)到任一位置时,该两点力的典型矢量图如图7所示。
图7 阻尼力的典型矢量图
在该工况下,除增加了阻尼力外,还增加了乘员登机的踩踏力模拟。最终得到的舷梯门门体与门框铰接点的力值曲线如图8所示,舷梯拉杆与门框铰接点的力值曲线如图9所示,舷梯门关闭力矩值曲线如图10所示。
图8 舷梯门门体与门框铰接点(下铰点)力值曲线
图9 舷梯拉杆与门框铰接点(上铰点)力值曲线
图10 舷梯门关闭力矩值曲线
3.3 对比分析两种工况的关键输出力值力矩值
两种工况下各时间段主要承力铰接点最大受力值和最大关门力矩值的数据对比见表2。
表2 主要承力铰接点最大力值和最大关门力矩值
通过对两种工况得到的力值力矩值曲线进行对比分析,结果表明选用恰当的阻尼器,在舱门开启过程中可以有效减小主要承力铰链处的受力,并能有效减小舱门开启时的震荡;而在舱门关闭过程中则能有效降低舱门关闭力矩值,对关闭舱门有很好助力效果。
4 小结
综上所述,MotionView具有强大的机械仿真功能,能够输出精准的力值和力矩值曲线,能够为设计人员提供清晰的受力信息,并有助于提高设计人员的整体水平,特别是在飞机舱门设计中大有用武之地。
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本文标题:某型飞机弦梯门多体动力学分析