飞机登机门优化设计

 飞机登机门优化设计

魏宇宏   卢润   黄雅茵

(中航工业西安飞机工业(集团)有限责任公司、陕西西安、710089)

摘 要：本文应用MotionView/MotionSolve软件建立并求解了登机门刚柔耦合多体动力学模型，评估了登机门机构的设计性能。暴露了登机门机构中存在手柄力过大的问题，应用HyperStudy对机构交点进行优化，得到了满足登机门手柄力设计要求的结果。

关键词：机构优化 MotionView/MotionSolve  HyperStudy 多体动力学

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1 概述

门梯合一登机门首次在国内民机成功研制使用，在生产使用过程中，发现从外手柄打开登机门时费力，峰值达到220N左右，而国外同类舱门的开启力值不超过150N。因此，必须找出手柄力值过大问题的原因以及改进措施。

首先建立了登机门的刚柔耦合多体动力学模型，通过与试验的对标，修正摩擦力等参数，得到了精确的手柄力值（包括内手柄开启、关闭力值，外手柄开启、关闭力值）。找出了影响手柄力的一些因素，包括门体质量因素、机构交点因素、主弹簧因素、安装因素、摩擦力因素等等，通过分析，发现机构交点因素可实现改动量最少，效果最明显。应用HyperStudy对主弹簧交点和外手柄杆件交点分别进行优化，最终降低了手柄力，满足了设计要求。

2 刚柔耦合多体动力学模型的建立

2.1模态综合法生成柔性体

采用模态综合法（CMS）缩减模型自由度，为了保证计算的精确程度，需确定要提取零部件模态的阶数，以提升拉杆为例，将结果与有限元的计算结果对比，见图1和图2，两者之间的最大应力和变形差别均保持在5%以内，确定提取前15阶模态进行柔性体建模。

图1有限元与柔性体变形结果对比

图2 有限元与柔性体应力结果对比

2.2 柔性体部件的选取

选取原则：运动过程中的主承力部件、柔性变形较大的部件。整个模型中选取的柔性体部件包括提升机构、门闩锁机构、门体结构，见图3所示。将舱门门体离散为二维板壳单元，机构零件离散为六面体单元，螺栓简化为刚体单元，机构连接处简化为刚体单元。最终有限元模型共6万单元，9万多节点。

图3 选取的柔性体部件

2.3 刚柔耦合模型建立

依次将每个部件的有限元文件生成柔性体文件应用到多体动力学模型中。建立的门体合一式登机门刚柔耦合多体动力学模型见图4。

图4 登机门刚柔耦合多体动力学模型（隐藏掉登机梯外形）

3 多体动力学仿真

3.1 手柄力对标

由于模型的简化、运动体柔度不精确、摩擦力的不准确性、实际装配误差等等因素，多体动力学模型与实物有一些偏差，对标过程是缩小模型与实物偏差最直接的方法。实测手柄力矩大小（包括内手柄打开、内手柄关闭、外手柄打开、外手柄关闭），通过细化模型、改变摩擦等方法，将手柄力矩值调整到与实测大小相差不大的范围。最终模型手柄力矩对标结果见表1。

表1力矩值对标

3.2 动力学仿真

整个仿真过程持续24秒。包括手柄开启门闩锁运动、门体放下运动、门体提升运动、手柄关闭门闩锁运动。动力学仿真可得到每个运动体的运动轨迹、每个运动体的受力情况、每个柔性体的应力变形情况等。

图5 登机门打开状态（隐藏掉登机梯外形）

4 手柄力优化

4.1 优化模型的建立

实测和模型的数据显示，外手柄开启力矩值较大，内外手柄长度200mm，外手柄开启力值达到220N左右，操作人员由外部打开登机门时很费力。而外手柄关闭、内手柄打开、内手柄关闭的力矩值均不大，满足设计要求。因此，需要对外手柄打开登机门的手柄力矩值进行优化。

在MotionView界面中调用HyperStudy建立对登机门机构的优化模型，选取影响外手柄力矩大小的交点坐标作为优化变量，包括主弹簧杆件的上下交点位置、外手柄杆件的上下交点位置，见图6所示。交点优化的约束除了结构空间的限制外，还必须不影响机构转动角度，否则登机门不能够正常打开。优化目标是外手柄开启手柄力矩的最大值最小。

图6 优化变量的选取

4.2 优化过程及结果

经过21步的迭代计算，得到了满足要求的交点位置，图7是角度约束和某两处交点的迭代过程。

图7 迭代步骤

优化后模型的外手柄开启和关闭的力矩值曲线见图8，其中1~5秒是开启登机门过程，21秒到23秒是关闭登机门过程。内手柄开启和关闭的力矩值曲线见图9，峰值降低和升高幅度对比见表2所示。可看出外手柄开启力值由220N降低到151N，大大降低了外手柄开启力值。而外手柄关闭和内手柄关闭力值虽然有所增加，但都保持在150N以下，依然符合设计要求；内手柄开启力值降低，仍满足设计要求。

图8 外手柄开启和关闭的力矩值曲线对比

图9 内手柄开启和关闭的力矩值曲线对比

表2 优化前后内外手柄力矩值和力值对比

5 总结

本文应用MotionView/MotionSolve系列软件建立了登机门刚柔耦合多体动力学模型，评估了登机门机构的设计性能，包括各个运动体的的相对轨迹、各个杆件在运动过程中的应力及刚度、各个杆件在运动过程中的受力情况。对内外手柄开启和关闭登机门的力值进行了分析，发现外手柄开启登机门力值较大，之后选取交点变量进行机构优化，得到了满足设计要求的手柄力值的结果。

登机门的优化分析方法解决了我国民机设计领域中长期急待解决的门梯合一问题，突破了门梯合一登机门研制的关键技术，可以为后续舱门优化设计提供经验和规范，有助于提高产品设计水平，缩短产品研发周期。

参考文献:

［1］ 牛春匀． 实用飞机结构设计［M］． 北京: 国防工业出版社，1991．

［2］ 飞机设计手册总编委员会． 飞机设计手册( 第9 册) 载荷、强度和刚度［M］．北京:航空工业出版社，2002．

［3］ 顾诵芬． 飞机总体设计［M］． 北京: 北京航空航天出版社，2001．

［4］ 杨黎明，杨志勤． 机构选型与运动设计［M］．北京: 国防工业出版社，2007．

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