吳揚(yáng)，吳勝同，裘旭冬，王楠，王鵬飛，秦強(qiáng)

(1. 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210； 2. 上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海 201109)

0 引言

飛機(jī)艙門是用于進(jìn)出機(jī)艙的可開(kāi)關(guān)重要組件，具有功能要求嚴(yán)格、運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜、部件多、空間狹小等特點(diǎn)。多數(shù)部件作為機(jī)構(gòu)的一部分參與運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中傳遞力與轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)艙門的打開(kāi)與鎖閉。所以要求艙門機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中，在克服外力作用傳導(dǎo)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)也要滿足運(yùn)動(dòng)功能要求?；诙囿w運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法對(duì)艙門進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化是國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)工作的主要方法[1]。

隨著現(xiàn)代飛機(jī)對(duì)可靠性以及安全性能要求的不斷提高，在艙門的方案設(shè)計(jì)階段建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真模型顯得十分必要，在機(jī)構(gòu)開(kāi)啟過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到機(jī)構(gòu)集中力變化，構(gòu)件傳力性能以及應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，為機(jī)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)以及零件的參數(shù)確定提供依據(jù)[2]。

關(guān)于含柔性件的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真，部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。張銳等通過(guò)剛?cè)狁詈蠈?duì)起落架開(kāi)度進(jìn)行了研究[3]；谷長(zhǎng)河等應(yīng)用LMS對(duì)解鎖抬升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析[4]；袁強(qiáng)飛應(yīng)用ADAMS對(duì)機(jī)構(gòu)卡滯載荷進(jìn)行了相關(guān)分析實(shí)驗(yàn)[5]；王文浩等對(duì)門鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析[6]。對(duì)艙門整體進(jìn)行剛?cè)狁詈?，可以輸出柔性部件相?duì)于整個(gè)艙門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)功能及傳力特性。

1 飛機(jī)艙門機(jī)構(gòu)組成

某型號(hào)艙門模型如圖1所示，其工作過(guò)程可描述為：機(jī)務(wù)人員轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使艙門沿著門框上的導(dǎo)軌做提升運(yùn)動(dòng)；當(dāng)提升至正確位置后機(jī)構(gòu)被鎖定，向外推動(dòng)艙門，艙門在主鉸鏈臂以及上方兩平衡桿的作用下做平移運(yùn)動(dòng)，打開(kāi)過(guò)程中始終保持艙門與機(jī)身的平行關(guān)系；當(dāng)運(yùn)動(dòng)到正確位置后艙門由陣風(fēng)鎖鎖定。艙門機(jī)構(gòu)的主要功能為保證艙門正常安全的上鎖、解鎖以及按照預(yù)定的軌跡打開(kāi)。

圖1 某型號(hào)艙門總裝模型

艙門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化分為提升四桿機(jī)構(gòu)以及助力四桿機(jī)構(gòu)。提升四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)艙門的提升運(yùn)動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄連桿帶動(dòng)艙門下?lián)u臂轉(zhuǎn)動(dòng)使艙門向上提升，以主鉸鏈臂十字鉸為提升支點(diǎn)，同時(shí)艙門兩側(cè)的滾輪在門框架上的導(dǎo)軌內(nèi)沿著預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。助力四桿機(jī)構(gòu)可以將下放扭桿彈簧的轉(zhuǎn)矩傳遞到提升機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)助力作用，以克服艙門重力、密封袋壓縮力、機(jī)構(gòu)間摩擦力等。

2 艙門系統(tǒng)剛?cè)狁詈戏治鲋饕紤]因素

為了驗(yàn)證艙門設(shè)計(jì)方案的可行性，本文主要針對(duì)以下重要因素對(duì)艙門進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析。

1)控制艙門手柄驅(qū)動(dòng)力矩以及變化狀態(tài)：根據(jù)要求，艙門提升所施加的手柄力以及驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)處于合適范圍，且變化平穩(wěn)，提升過(guò)程流暢，保證機(jī)務(wù)人員的可操作性，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的負(fù)擔(dān)。

2)關(guān)鍵部件應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)：由于部分關(guān)鍵部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中總是承擔(dān)傳遞運(yùn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)矩的任務(wù)，極易發(fā)生變形，變形疊加會(huì)影響艙門功能。通過(guò)剛?cè)狁詈媳O(jiān)控艙門運(yùn)動(dòng)過(guò)程中部件的狀態(tài)變化，提高系統(tǒng)的安全性與可行性。

3)艙門運(yùn)動(dòng)軌跡：艙門在打開(kāi)過(guò)程中，應(yīng)保證艙門與機(jī)身始終保持平行的狀態(tài)。為了驗(yàn)證艙門是否位于正確的運(yùn)動(dòng)路徑，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真確定艙門運(yùn)動(dòng)路徑的準(zhǔn)確性。

3 艙門剛?cè)狁詈戏抡娣治龇桨?/h2>

艙門剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真在Simcenter3D平臺(tái)中完成。通過(guò)Simcenter3D Motion模塊定義剛體及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并由NX Nastran求解器對(duì)Simcenter3D中分析的剛體模型柔性化，從而完成整個(gè)機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析。艙門動(dòng)力學(xué)分析流程如圖2所示。

圖2 艙門動(dòng)力學(xué)分析流程

艙門的主要傳力部件包括連桿、傳力桿和導(dǎo)軌等，結(jié)構(gòu)變形也主要發(fā)生在上述部件。因此，剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析過(guò)程如下：將艙門三維模型導(dǎo)入NX之后，轉(zhuǎn)入Simcenter3D運(yùn)動(dòng)仿真模塊，定義運(yùn)動(dòng)體，同時(shí)利用其前處理功能NX Nastran求解器對(duì)考慮變形的部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行模態(tài)分析；隨后將柔性體結(jié)果文件導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)模塊中作為柔性體，并且施加載荷、約束、運(yùn)動(dòng)副等，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行求解，完成艙門的剛?cè)狁詈戏治鯷7]。

3.1 剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模

由于初建的艙門模型不具有物理意義(包括各零部件的質(zhì)量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等)，將各個(gè)零部件添加至Simcenter3D中定義為運(yùn)動(dòng)體，并創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，保證艙門具有正確的運(yùn)動(dòng)軌跡。

艙門運(yùn)動(dòng)體定義完畢后，對(duì)其施加運(yùn)動(dòng)副及相關(guān)約束，凸輪桿相對(duì)艙門的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系為驅(qū)動(dòng)，對(duì)艙門內(nèi)部齒輪箱、提升機(jī)構(gòu)、助力機(jī)構(gòu)、門鎖機(jī)構(gòu)及門閂機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)按照其實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系定義約束，保證艙門具有合理自由度。

艙門約束定義完畢后，對(duì)其受力情況定義載荷，艙門受載荷情況分為重力、彈簧力、密封帶壓縮力等。艙門的重力可由Simcenter3D系統(tǒng)對(duì)單個(gè)機(jī)構(gòu)重力模擬疊加而來(lái)，對(duì)于重力按照標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值施加。對(duì)于彈簧力，由于實(shí)體彈簧模型模擬彈力計(jì)算量較大、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)不便調(diào)整彈簧相關(guān)彈性系數(shù)，仿真中利用滑動(dòng)副虛擬彈簧代替，簡(jiǎn)化模型的同時(shí)，便于調(diào)參。

艙門在開(kāi)關(guān)過(guò)程中與密封帶的壓縮為均勻壓縮，在艙門四周均勻密布，可將密封帶壓縮力由彈簧彈力進(jìn)行模擬(圖3)，其壓縮量由艙門中心與艙門弧線圓心之間的半徑差來(lái)確定。由于密封帶的壓縮力隨著壓縮量的增大而增大，壓縮量與壓縮力之間的曲線為非線性曲線，仿真中其關(guān)系由函數(shù)線段模擬。

圖3 模擬密封帶壓縮力

3.2 柔性體模型的建立

運(yùn)動(dòng)體構(gòu)建完成后，將需要考慮變形的部件由Nastran求解器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義彈性模量、泊松比等材料屬性以及網(wǎng)格大小、網(wǎng)格類型等單元屬性，最終生成.op2結(jié)果文件，創(chuàng)建Simcenter3D中的柔性體。

以主鉸鏈臂為例，考慮其變形將它定義為柔性體，進(jìn)行約20階模態(tài)分析[4]，其有限元網(wǎng)格模型以及模態(tài)分析模型如圖4所示。

圖4 剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

多體動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈戏抡嬖頌橛?jì)算柔性模態(tài)，而模態(tài)是材料結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。通過(guò)計(jì)算各個(gè)構(gòu)件的模態(tài)特征，可以預(yù)見(jiàn)在該振動(dòng)頻率階段各種外部或者內(nèi)部振源作用下的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。

艙門剛?cè)狁詈线\(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立后可以求得機(jī)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)矩、速度位移變化曲線和應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D。例如，針對(duì)現(xiàn)有模型求解得出手柄轉(zhuǎn)矩曲線以及位移變化曲線等(圖5)，手柄轉(zhuǎn)矩的最大值如圖5(a)所示。

圖5 手柄轉(zhuǎn)矩及艙門位移變化曲線

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)艙門設(shè)計(jì)，通過(guò)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真是其中不可或缺的一環(huán)。為得出艙門部件應(yīng)力集中以及運(yùn)動(dòng)變化情況，通過(guò)Simcenter3D建立艙門剛?cè)狁詈夏Ｐ停瑢?duì)其運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，得出相關(guān)參數(shù)變化范圍，對(duì)機(jī)構(gòu)打開(kāi)、關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真，得到機(jī)構(gòu)的交點(diǎn)力、傳力特性以及應(yīng)變狀態(tài)，從而為機(jī)構(gòu)交點(diǎn)的優(yōu)化改進(jìn)和零部件的參數(shù)確定提供依據(jù)。