1 概述
舷梯門作為駕駛員及乘員上下飛機(jī)的出入通道,為門梯合一式艙門,使用頻繁。同時(shí)舷梯門作為飛機(jī)上的艙門,具有承受飛機(jī)氣動(dòng)載荷,保持飛機(jī)外形,保證飛機(jī)的密封性等功能。舷梯門由艙門、插銷鎖機(jī)構(gòu)、舷梯拉桿系統(tǒng)、助力機(jī)構(gòu)和門框鎖槽等組成,打開時(shí)向乘客提供正常出入通道,關(guān)閉時(shí)要保證水密。
使用軟件HyperWorks模塊MotionViewMotionSolve建立舷梯門的多體動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù)舷梯門開啟和關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)原理,建立了艙門有無阻尼器時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析工況,并對兩種工況得到的艙門接頭上的力進(jìn)行了對比分析。
2 舷梯門多體動(dòng)力學(xué)模型的建立
舷梯門多體動(dòng)力學(xué)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(gè)零件的質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)以及質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,直接輸入到CAE軟件HyperWorks中,模型外形由Catia模型直接導(dǎo)入。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的每個(gè)運(yùn)動(dòng)副根據(jù)資料預(yù)估摩擦系數(shù)。舷梯門多體動(dòng)力學(xué)模型包含有3個(gè)子系統(tǒng),每個(gè)子系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)體、運(yùn)動(dòng)副,以及作用在運(yùn)動(dòng)副上的摩擦力和作用在運(yùn)動(dòng)體上的接觸碰撞力等組成。整個(gè)模型包含26個(gè)運(yùn)動(dòng)體,42個(gè)運(yùn)動(dòng)副,4個(gè)接觸碰撞力,4個(gè)彈簧。
2.1 子系統(tǒng)組成
A.弦梯門插銷鎖運(yùn)動(dòng)機(jī)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(gè)運(yùn)動(dòng)體,13個(gè)運(yùn)動(dòng)副和4個(gè)彈簧組成,內(nèi)外手柄通過可調(diào)拉桿實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),使舷梯門在飛機(jī)內(nèi)部和外部都能被鎖定和解鎖。該插銷鎖機(jī)構(gòu)較為簡單,而且在實(shí)際使用時(shí)穩(wěn)定可靠,因此,在之后的分析中將不再贅述。插銷鎖機(jī)構(gòu)多體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖1所示。
圖1 插銷鎖運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
B.舷梯門開啟關(guān)閉運(yùn)動(dòng)機(jī)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(gè)運(yùn)動(dòng)體和29個(gè)運(yùn)動(dòng)副。此外,為防止機(jī)構(gòu)在仿真運(yùn)動(dòng)過程中桿件與門體、桿件之間發(fā)生穿透,運(yùn)動(dòng)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(dá)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。
C.舷梯門機(jī)構(gòu)摩擦力
此系統(tǒng)主要給舷梯門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸施加摩擦力。
力值函數(shù)表達(dá)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
2.2 子系統(tǒng)之間的鏈接關(guān)系
舷梯門多體動(dòng)力學(xué)模型中各子系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間的鏈接關(guān)系見表1,整個(gè)系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型見圖3。
表1 子系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間的鏈接關(guān)系
圖3 全系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型
3 舷梯門多體動(dòng)力學(xué)分析
根據(jù)舷梯門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理,建立了無阻尼和有阻尼時(shí)舷梯門開啟和關(guān)閉的分析工況。整個(gè)仿真過程包括操縱內(nèi)手柄使舷梯門解鎖、推動(dòng)舷梯門使其打開、模擬兩個(gè)人踩踏舷梯門登機(jī)、拉動(dòng)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(jì)算最終輸出了舷梯門運(yùn)動(dòng)過程中部分運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)副上的力或力矩曲線,如舷梯門門體和桿系與門框鉸接點(diǎn)的力值曲線,舷梯門關(guān)閉時(shí)的力矩值曲線等。并對兩種工況得到的力值力矩值曲線進(jìn)行了對比分析。
3.1 模擬無阻尼時(shí)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(yùn)動(dòng)(0~5秒),之后在內(nèi)手柄處施加18N的瞬時(shí)脈沖力使艙門隨自身重力打開,接著拉動(dòng)(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(dòng)內(nèi)手柄,舷梯門鎖定到位(20~25秒)。
在整個(gè)模擬運(yùn)動(dòng)過程中,不僅能夠觀察到每個(gè)運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)軌跡,如艙門打開時(shí)產(chǎn)生震蕩的運(yùn)動(dòng)軌跡,還能夠得到每個(gè)運(yùn)動(dòng)體或運(yùn)動(dòng)副在每個(gè)時(shí)間段的力或力矩值,如舷梯門門體與門框鉸接點(diǎn)的力值曲線、舷梯拉桿與門框鉸接點(diǎn)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(diǎn)的力值曲線如圖4所示,舷梯拉桿與門框鉸接點(diǎn)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(diǎn)(下鉸點(diǎn))力值曲線
圖5 舷梯拉桿與門框鉸接點(diǎn)(上鉸點(diǎn))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(shí)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(yùn)動(dòng)(0~5秒),之后在內(nèi)手柄處施加18N的瞬時(shí)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(tái)階上均分別施加一個(gè)最大值為800N的踩踏力以模擬兩個(gè)80kg的乘客登機(jī)(15~19秒),踩踏力值的表達(dá)式為STEP(time,15,0,15.5,-800)+STEP(time,18.5,0,19,800);接著拉動(dòng)(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(dòng)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(diǎn)分
別位于門框和門體上;在多體動(dòng)力學(xué)模型中該阻尼采用兩點(diǎn)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(shí),該兩點(diǎn)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(jī)的踩踏力模擬。最終得到的舷梯門門體與門框鉸接點(diǎn)的力值曲線如圖8所示,舷梯拉桿與門框鉸接點(diǎn)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(diǎn)(下鉸點(diǎn))力值曲線
圖9 舷梯拉桿與門框鉸接點(diǎn)(上鉸點(diǎn))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(shí)間段主要承力鉸接點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行對比分析,結(jié)果表明選用恰當(dāng)?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(shí)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(qiáng)大的機(jī)械仿真功能,能夠輸出精準(zhǔn)的力值和力矩值曲線,能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供清晰的受力信息,并有助于提高設(shè)計(jì)人員的整體水平,特別是在飛機(jī)艙門設(shè)計(jì)中大有用武之地。
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