1 概述
根據(jù)某型飛機(jī)總體技術(shù)方案要求，機(jī)身尾段43～44框間布置有紅外／紫外掃描儀探測設(shè)備（以下簡稱探測設(shè)備），為同時滿足其功能及安全防護(hù)要求，機(jī)身下部需增設(shè)一套保護(hù)艙門，探測設(shè)備工作時艙門順利開啟，探測設(shè)備休眠時艙門關(guān)閉對其進(jìn)行保護(hù)。
為提高探測設(shè)備艙門設(shè)計(jì)水平并加快研制進(jìn)度，通過借助HyperWorks軟件中的多體仿真模塊MotionView，對其建立了剛體系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證了其運(yùn)動原理，并以此為基礎(chǔ)，將剛體部件替換為柔性體，得到了其運(yùn)動過程中的應(yīng)力及變形情況，驗(yàn)證了其強(qiáng)度、剛度，并作為進(jìn)一步優(yōu)化的依據(jù)。
2 探測設(shè)備艙門多體動力學(xué)模型
2.1剛體模型
剛體動力學(xué)模型采用CAD建模法，利用CATIA建立三維模型，并附之材料屬性，然后將所有固聯(lián)的零組件整合成子裝配，測量每個子裝配的質(zhì)量特性及其之間運(yùn)動副的連接點(diǎn)坐標(biāo)，再將其作為MotionView中BODY的參數(shù)輸入。而模型的外形通過MotionView自身功能將子裝配轉(zhuǎn)換成H3D文件，然后在生產(chǎn)Graphic時，直接以文件形式將H3D文件導(dǎo)入即可。最終模型由20個運(yùn)動體，24個運(yùn)動副組成。如圖1所示。
圖1 探測設(shè)備艙門剛體模型
2.2柔體模型
在己建立的剛體多體動力學(xué)模型基礎(chǔ)上，將各剛體部件替換為柔性體。生成柔性體時，首先需要通過Hypermesh建立其有限元模型，而柔性體部件內(nèi)部零組件之間的連接，在有限元建立階段通過共節(jié)點(diǎn)或剛性單元固接。圖2～圖6是要建立柔性體部件的有限元模型。
圖2 機(jī)架有限元模型
圖3 中心軸一搖臂有限元模型
圖4 調(diào)節(jié)拉桿有限元模型
圖5 轉(zhuǎn)軸-L型擺架有限元模型
圖6 艙門有限元模型
采用模態(tài)綜合法縮減模型自由度，提取有限元模型的前15階模態(tài)進(jìn)行柔性體建模，最終建立的柔性體多體動力學(xué)模型如圖7所示。
圖7 探測設(shè)備艙門柔性體模型
3 運(yùn)動仿真
探測設(shè)備艙門按一個正常工作循環(huán)進(jìn)行仿真，即打開艙門（0～30秒）一關(guān)閉艙門(30～60秒)，省略中間與艙門運(yùn)動無關(guān)的工作過程。
通過*include(“子程序目錄”)函數(shù)，將設(shè)置運(yùn)動副摩擦系數(shù)的子程序讀入主程序中。而外載荷按時間曲線輸入，方向主要來自Y、Z（艙門外形輪廓與X方向近似平行，因此忽略此方向上的外載)，其力值大小根據(jù)打開過程中艙門在外載方向上的投影面積進(jìn)行折算。最終可將艙門運(yùn)動仿真過程分為以下兩個工況。
3.1工況I(側(cè)風(fēng)順Z軸正向)
當(dāng)側(cè)風(fēng)載荷順著Z軸正向襲來時，對于對稱打開的艙門而言，可認(rèn)為外載施加于右側(cè)門頁（圖7），而左側(cè)門頁受到前者遮擋而不受力，因此其載荷曲線可按圖8輸入。
圖8.1 右側(cè)門頁Y向載荷曲線
圖8.2 右側(cè)門頁Z向載荷曲線
圖8.3 左側(cè)門頁Y向載荷曲線
3.2工況II（側(cè)風(fēng)逆Z軸正向）
當(dāng)側(cè)風(fēng)載荷逆著Z軸正向襲來時，對于對稱打開的艙門而言，可認(rèn)為外載施加于左側(cè)門頁（圖7），而右側(cè)門頁受到前者遮擋而不受力，因此其載荷曲線可按圖9輸入。
圖9.1 右側(cè)門頁Y向載荷曲線
圖9.2 左側(cè)門頁Y向載荷曲線
圖9.3 左側(cè)門頁Z向載荷曲線
4 計(jì)算結(jié)果
本報告多體分析計(jì)算使用Altair MotionSolve程序進(jìn)行。
報告僅給出探測設(shè)備艙門在運(yùn)動過程中，主要數(shù)值曲線圖及關(guān)鍵部件應(yīng)力應(yīng)變云圖。
4.1數(shù)值曲線圖
4.1.1電動機(jī)構(gòu)負(fù)載力矩曲線
電動機(jī)構(gòu)負(fù)載力矩曲線見圖10，其中虛線為工況I力矩曲線，實(shí)線為工況II力矩曲線，橫軸表示時間，縱軸表示電機(jī)負(fù)載力矩值，并規(guī)定負(fù)載力矩順航向逆時針旋轉(zhuǎn)為正，反之為負(fù)向。對比兩曲線后可知，艙門打開與關(guān)閉過程中，最大負(fù)載力矩均出現(xiàn)在工況II，對應(yīng)時間分別為19.5秒，40.5秒，力矩值分別為27574.8N．mm，27419.5N．mm。另外艙門打開時，在21.3秒之前，負(fù)載力矩對艙門開啟呈阻力矩，在21.3秒之后，負(fù)載力矩對艙門開啟呈牽引力矩；艙門關(guān)閉時，在38.7秒之前，負(fù)載力矩對艙門開啟呈阻力矩，在38.7秒之后，負(fù)載力矩對艙門開啟呈牽引力矩。
圖10 電動機(jī)構(gòu)負(fù)載力矩值曲線
4.1.2時間一角度曲線
時間一角度曲線如圖11所示，其中實(shí)線為電動機(jī)構(gòu)角度曲線，虛線為右側(cè)艙門角度曲線，雙點(diǎn)劃線為左側(cè)艙門角度曲線。由圖11可知，兩側(cè)艙門打開角度近似相等，約為143.2°，而且兩條曲線近似擬合，說明兩者同步性較好。另外，在艙門開啟末尾階段，兩側(cè)艙門的角度曲線比較平穩(wěn)，這說明艙門開啟角度對電動機(jī)轉(zhuǎn)過的角度不敏感，開啟機(jī)構(gòu)比較穩(wěn)健，這種特性非常關(guān)鍵，可有效避免電動機(jī)構(gòu)角度誤差或波動對艙門打開角度的影響。
圖11 時間一角度曲線
4.2柔性體應(yīng)力及變形云圖
本節(jié)給出的應(yīng)力及變形云圖，為兩種工況中較大的情況。
4.2.1機(jī)架應(yīng)力及變形云圖
機(jī)架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況II的連接板上，其值為87.91Mpa。機(jī)架的最大變形出現(xiàn)在工況II的止動套筒上，其值為0.56mm。
圖12 機(jī)架應(yīng)力及變形云圖
4.2.2中心軸一搖臂應(yīng)力及變形云圖
中心軸一搖臂的最大應(yīng)力及變形均出現(xiàn)在工況II的搖臂上，其值分別為257.92Mpa，0.07mm。
圖13 中心軸一搖臂應(yīng)力及變形云圖
4.2.3調(diào)節(jié)拉桿應(yīng)力及變形云圖
調(diào)節(jié)拉桿的最大應(yīng)力及變形均出現(xiàn)在工況I的艙門右側(cè)第二調(diào)節(jié)拉桿上，其值分別為246.71Mpa,0.1mm。
圖14 調(diào)節(jié)拉桿應(yīng)力及變形云圖
4.2.4轉(zhuǎn)軸-L型擺架應(yīng)力及變形云圖
艙門左側(cè)轉(zhuǎn)軸-L型擺架組件在工況II時應(yīng)力出現(xiàn)最大值，其值為131.93Mpa，而最大變形出現(xiàn)在工況I右側(cè)轉(zhuǎn)軸-L型擺架組件上，其值為0.1mm。
圖15 轉(zhuǎn)軸-L型擺架應(yīng)力及變形云圖
4.2.5艙門應(yīng)力及變形云圖
艙門的最大應(yīng)力及變形均出現(xiàn)在工況I右側(cè)艙門的合頁上，其值分別為26.419Mpa，0.025mm。
圖16 艙門應(yīng)力及變形云圖
5 電機(jī)負(fù)載力矩值及艙門開啟角度校核
5.1校核標(biāo)準(zhǔn)
按照Y7Ⅲ-XZ04-812《MA60型飛機(jī)H狀態(tài)紅外／紫外掃描儀艙門電動機(jī)構(gòu)技術(shù)協(xié)議書》的規(guī)定，電動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)輸出力矩值為48000N．mm，取許用力矩值Fb為48000N．mm。力矩值剩余系數(shù)η=Fb/Fμ，其中Fμ是計(jì)算力矩值。按照Y7Ⅲ-JT04-506《MA60型飛機(jī)H狀態(tài)紅外／紫外掃描儀艙門安裝技術(shù)條件》的規(guī)定，兩側(cè)艙門打開角度不小于13°，取許用角度為135°。
5.2校核結(jié)果
表1 力矩校核結(jié)果
表2 角度校核結(jié)果
6 艙門強(qiáng)度剛度校核
6.1衛(wèi)校核標(biāo)準(zhǔn)
材料性能取自《工程材料實(shí)用手冊》第3冊，強(qiáng)度校核公式取自《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》第9冊。零部件強(qiáng)度校核公式為η=σb/σν，其中σb是強(qiáng)度極限，σν是單元的Von Mises綜合應(yīng)力，η是剩余強(qiáng)度。
6.2強(qiáng)度校核結(jié)果
表3 各部件強(qiáng)度校核結(jié)果
6.3剛度校核結(jié)果
表4 各部件剛度校核結(jié)果
7 結(jié)論
本文應(yīng)用Hyperworks軟件中的MotinView模塊，對探測設(shè)備艙門進(jìn)行了多體動力學(xué)分析，理清了其運(yùn)動機(jī)理，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并分析了艙門的受力特性，評估了艙門的設(shè)計(jì)性能，包括電動機(jī)構(gòu)負(fù)載力矩值，艙門開啟角度，各零部件運(yùn)動過程中的應(yīng)力應(yīng)變及相對變形，有效提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平，顯著縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：HyperWorks在某型飛機(jī)探測設(shè)備艙門研制中的應(yīng)用
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