1 概述

    舷梯門作為駕駛員及乘員上下飛機的出入通道，為門梯合一式艙門，使用頻繁。同時舷梯門作為飛機上的艙門，具有承受飛機氣動載荷，保持飛機外形，保證飛機的密封性等功能。舷梯門由艙門、插銷鎖機構(gòu)、舷梯拉桿系統(tǒng)、助力機構(gòu)和門框鎖槽等組成，打開時向乘客提供正常出入通道，關(guān)閉時要保證水密。

    使用軟件HyperWorks模塊MotionViewMotionSolve建立舷梯門的多體動力學模型，根據(jù)舷梯門開啟和關(guān)閉的運動原理，建立了艙門有無阻尼器時的運動分析工況，并對兩種工況得到的艙門接頭上的力進行了對比分析。

2 舷梯門多體動力學模型的建立

    舷梯門多體動力學模型采用CAD建模法，利用CAD軟件Catia建立的舷梯門三維模型，附之材料屬性，測量每個零件的質(zhì)量、質(zhì)心坐標以及質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量，直接輸入到CAE軟件HyperWorks中，模型外形由Catia模型直接導入。運動機構(gòu)的每個運動副根據(jù)資料預估摩擦系數(shù)。舷梯門多體動力學模型包含有3個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)由運動體、運動副，以及作用在運動副上的摩擦力和作用在運動體上的接觸碰撞力等組成。整個模型包含26個運動體，42個運動副，4個接觸碰撞力，4個彈簧。

2.1 子系統(tǒng)組成

A.弦梯門插銷鎖運動機構(gòu)

    此系統(tǒng)主要由內(nèi)手柄、外手柄、齒輪、鎖銷、可調(diào)拉桿等組成。共由9個運動體，13個運動副和4個彈簧組成，內(nèi)外手柄通過可調(diào)拉桿實現(xiàn)聯(lián)動，使舷梯門在飛機內(nèi)部和外部都能被鎖定和解鎖。該插銷鎖機構(gòu)較為簡單，而且在實際使用時穩(wěn)定可靠，因此，在之后的分析中將不再贅述。插銷鎖機構(gòu)多體運動學模型如圖1所示。

圖1 插銷鎖運動機構(gòu)

B.舷梯門開啟關(guān)閉運動機構(gòu)

    此系統(tǒng)主要由艙門門體、舷梯拉桿系統(tǒng)等組成，共有17個運動體和29個運動副。此外，為防止機構(gòu)在仿真運動過程中桿件與門體、桿件之間發(fā)生穿透，運動模型中還加入了桿系與門體、桿件之間的接觸碰撞力，力值函數(shù)表達式為：

    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)

    舷梯門開啟關(guān)閉運動機構(gòu)如圖2所示。

C.舷梯門機構(gòu)摩擦力

    此系統(tǒng)主要給舷梯門運動機構(gòu)轉(zhuǎn)軸施加摩擦力。

    力值函數(shù)表達式：

    VARVAL({mu_eff_rot_x.idstring})VARVAL({norm_reac.idstring})R

    其中mu_eff_rot_x.idstring為摩擦系數(shù)，norm_reac.idstring為接頭正壓力，R為摩擦圓半徑。

圖2 舷梯門開啟關(guān)閉運動機構(gòu)

2.2 子系統(tǒng)之間的鏈接關(guān)系

    舷梯門多體動力學模型中各子系統(tǒng)及運動構(gòu)件之間的鏈接關(guān)系見表1，整個系統(tǒng)的多體動力學模型見圖3。

表1 子系統(tǒng)及運動構(gòu)件之間的鏈接關(guān)系

圖3 全系統(tǒng)的多體動力學模型

3 舷梯門多體動力學分析

    根據(jù)舷梯門機構(gòu)的運動原理，建立了無阻尼和有阻尼時舷梯門開啟和關(guān)閉的分析工況。整個仿真過程包括操縱內(nèi)手柄使舷梯門解鎖、推動舷梯門使其打開、模擬兩個人踩踏舷梯門登機、拉動與門框鉸接的拉桿使舷梯門關(guān)閉、操縱內(nèi)手柄使舷梯門鎖定。通過計算最終輸出了舷梯門運動過程中部分運動體運動副上的力或力矩曲線，如舷梯門門體和桿系與門框鉸接點的力值曲線，舷梯門關(guān)閉時的力矩值曲線等。并對兩種工況得到的力值力矩值曲線進行了對比分析。

3.1 模擬無阻尼時舷梯門開啟和關(guān)閉的分析工況

    模擬內(nèi)手柄操縱舷梯門解鎖運動(0～5秒)，之后在內(nèi)手柄處施加18N的瞬時脈沖力使艙門隨自身重力打開，接著拉動（旋轉(zhuǎn)）右側(cè)與門框鉸接的拉桿使舷梯門關(guān)閉(15～20秒)，最后扳動內(nèi)手柄，舷梯門鎖定到位(20～25秒)。

    在整個模擬運動過程中，不僅能夠觀察到每個運動體的運動軌跡，如艙門打開時產(chǎn)生震蕩的運動軌跡，還能夠得到每個運動體或運動副在每個時間段的力或力矩值，如舷梯門門體與門框鉸接點的力值曲線、舷梯拉桿與門框鉸接點的力值曲線、舷梯門關(guān)閉力矩值曲線等。舷梯門門體與門框鉸接點的力值曲線如圖4所示，舷梯拉桿與門框鉸接點的力值曲線如圖5所示，舷梯門關(guān)閉力矩值曲線如圖6所示。

圖4 舷梯門門體與門框鉸接點（下鉸點）力值曲線

圖5 舷梯拉桿與門框鉸接點（上鉸點）力值曲線

圖6 舷梯門關(guān)閉力矩值曲線

3.2 模擬有阻尼時舷梯門開啟和關(guān)閉的分析工況

    模擬內(nèi)手柄操縱舷梯門解鎖運動(0～5秒)，之后在內(nèi)手柄處施加18N的瞬時脈沖力使艙門隨自身重力打開，艙門完全打開后在第一級和第二級臺階上均分別施加一個最大值為800N的踩踏力以模擬兩個80kg的乘客登機（15～19秒），踩踏力值的表達式為STEP(time,15,0,15.5,-800)+STEP(time,18.5,0,19,800)；接著拉動（旋轉(zhuǎn)）右側(cè)與門框鉸接的拉桿使舷梯門關(guān)閉(20～25秒)，最后扳動內(nèi)手柄，舷梯門鎖定到位(25～30秒)。其中，阻尼力采用一最大輸出為175N的線性阻尼模擬，該阻尼器布置在門體右側(cè)，力的作用點分

    別位于門框和門體上；在多體動力學模型中該阻尼采用兩點力來模擬，其力的大小和方向隨艙門的開閉不斷變化。艙門開啟（關(guān)閉）到任一位置時，該兩點力的典型矢量圖如圖7所示。

圖7 阻尼力的典型矢量圖

    在該工況下，除增加了阻尼力外，還增加了乘員登機的踩踏力模擬。最終得到的舷梯門門體與門框鉸接點的力值曲線如圖8所示，舷梯拉桿與門框鉸接點的力值曲線如圖9所示，舷梯門關(guān)閉力矩值曲線如圖10所示。

圖8 舷梯門門體與門框鉸接點（下鉸點）力值曲線

圖9 舷梯拉桿與門框鉸接點（上鉸點）力值曲線

圖10 舷梯門關(guān)閉力矩值曲線

3.3 對比分析兩種工況的關(guān)鍵輸出力值力矩值

    兩種工況下各時間段主要承力鉸接點最大受力值和最大關(guān)門力矩值的數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 主要承力鉸接點最大力值和最大關(guān)門力矩值

    通過對兩種工況得到的力值力矩值曲線進行對比分析，結(jié)果表明選用恰當?shù)淖枘崞�，在艙門開啟過程中可以有效減小主要承力鉸鏈處的受力，并能有效減小艙門開啟時的震蕩；而在艙門關(guān)閉過程中則能有效降低艙門關(guān)閉力矩值，對關(guān)閉艙門有很好助力效果。

4 小結(jié)

    綜上所述，MotionView具有強大的機械仿真功能，能夠輸出精準的力值和力矩值曲線，能夠為設計人員提供清晰的受力信息，并有助于提高設計人員的整體水平，特別是在飛機艙門設計中大有用武之地。

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本文標題：某型飛機弦梯門多體動力學分析

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