摘要：本文通過HyperWorks軟體在某型飛機前服務門機構多體動力學模擬中的應用，展示了MotionView模塊強大的機構多體模擬分析功能。藉助MotionView對前服務門機構建立多體模擬動力學模型，理清艙門各個機構的運動原理，結合實際工況，完成艙門運動過程模擬，得到運動體的運動軌跡以及承受的力或力矩值曲線。使用剛柔耦合多體模型，可計算得到各構件在運動過程中的應力和變形大小。可根據分析模擬結果，找出機構中的可調節量，提出改進方案並予以驗證。
關鍵詞：前服務門機構多體動力學模擬剛柔耦合
1.概述
前服務門為半堵塞外開式艙門，是裝卸載飛機上的生活設施和乘客物品的主要通道，主要功能是作為前客艙的承力門，次要功能是作為I型應急出口。為了保證飛機艙門的各項功能要求，前服務門機構運動關係複雜，連桿、鉸鏈數量眾多。由於機構中各構件幾何形狀、載荷及多體運動的複雜性限制，運動過程中零部件干涉和接頭、關鍵件的受力及變形情況分析，應用材料力學和彈性力學或經驗估算的方法計算時，往往得不到足夠精度的分析結果，造成實際局部機構安全域度偏大或強度剛度不足。
通過多體動力學方法，藉助HyperWorks軟體多體模擬模塊對前服務門機構建立剛體系統模擬模型，理清艙門各個機構的運動原理，結合各種工況，完成艙門運動過程模擬，分析模擬結果，找出機構中的可調節量，提出改進方案並予以驗證。以剛體模型為基礎，加入關鍵部件的柔性體，得到其運動過程中的應力和變形情況，驗證其強度、剛度，並作為進一步優化的依據。
2.多體動力學模型的建立
前服務門多體動力學模型採用CAD建模法，利用CAD軟體CATIA建立的艙門機構三維模型得到。模型質量屬性：將構件賦予材料屬性，測量得到其質量、質心坐標以及質心轉動慣量等，手動輸入MotionView或通過進入.mdl文件編輯。模型外形由CATIA模型經過壓縮導入MotionView環境。機構中彈簧剛度係數按設計圖紙計算給出，彈簧預載荷通過彈簧初始安裝角度或壓縮長度計算得到。運動機構轉軸用襯套連接處在多體動力學模型中處理成襯套元素，根據資料預估各方向剛度和摩擦係數。
首先對前服務門機構建立剛體多體動力學模型。前服務門機構主要包括：提升機構、提升助力機構、插銷鎖機構、上位鎖機構、手柄機構、主搖臂、輔助搖臂、平衡桿、陣風鎖機構等。前服務門多體動力學模型包含有多個子系統，子系統之間是相互鏈接的，每個子系統由運動體、運動副，彈簧，以及作用在運動體上的摩擦力和接觸碰撞力等組成。然後對機構主要構件建立柔性體，進行剛柔耦合模擬。
2.1子系統
A.前服務門解鎖和提升機構(共34個運動副)。此系統主要由提升機構、提升助力機構、插銷鎖機構、上位鎖機構、手柄機構、輔助搖臂、平衡桿等組成。共有20個運動體，29個運動副和4個彈簧組成。如圖1所示。
B.前服務門繞固定軸的開啟和關閉運動機構。此系統主要由主搖臂、輔助搖臂、平衡桿等組成。共有3個運動體，6個運動副組成。如圖2所示。C.插銷鎖機構。此系統主要由雙曲柄組件、台階軸組件、鎖銷組件、鎖銷盒組件等組成。共有4個運動體，4個運動副和1個彈簧組成。如圖3所示。D.上位鎖機構。此系統主要由扭簧、鎖環組件、調節拉杆、鎖鉤組件、可調拉杆等組成。共5個運動體，5個運動副和1個扭簧組成。如圖4所示。E.滑槽座。此系統主要由滾輪、滑槽座等組成。共有1個運動體、1個運動副以及碰撞接觸力。如圖5所示。F.前服務門密封帶摩擦力和壓縮力。此系統給前服務門兩側施加密封帶摩擦力。力值函數表達式：(-1)*VARVAL({the_model..sv_0.idstring})。
2.2子系統之間的鏈接關係
前服務門多體動力學模型子系統之間的鏈接關係見表1。2.3多體動力學剛柔耦合模型
在多體動力學剛性系統模型的基礎上，將機構支座、平衡桿、輔助搖臂和替換成柔性體，機構桿件與機構桿件之間通過剛性單元連接，螺栓採用剛性單元模擬。圖6是要建立柔性體部件的有限元模型，圖7轉軸細節有限元模型。3前服務門剛性系統多體動力學分析
根據前服務門開啟和關閉的運動原理，建立了二種分析工況。包括模擬用內外手柄操縱艙門開啟和關閉時的分析工況。輸出了艙門運動過程中部分運動體的力或力矩曲線，如手柄力矩曲線，助力彈簧力值曲線等。從手柄力矩曲線和實測的手柄力對比，數值比較接近。
3.1模擬內手柄操縱前服務門打開和關閉的分析工況
該工況首先使用剛體動力學模型，運動驅動施加在內手柄鉸鏈處，模擬內手柄操縱前服務門解鎖及提升(0-5秒)，前服務門繞固定軸旋轉打開(5-8秒)。然後前服務門繞固定軸旋轉關閉(10秒開始)，最後搬動手柄，前服務門向下運動，關閉到位(12-17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，如滾輪在滑槽座內的運動軌跡。還能夠得到運動體或運動副的力或力矩值，如內手柄的開啟(實測力矩最大值16900N·mm)和關閉(實測力矩最大值10300N·mm)力矩曲線，助力彈簧力值曲線等。內手柄的開啟力矩曲線如圖10所示，關閉力矩曲線如圖11所示。模擬結果與實測結果相近，較好地反映了實際工況。
A內手柄開啟力矩
內手柄開啟力矩值曲線見圖8，橫軸表示時間，縱軸表示力矩值，最大力矩值15338N·mm。B內手柄關閉力矩
內手柄關閉力矩值曲線見圖9，橫軸表示時間，縱軸表示力矩值，最大力矩值9230N·mm。3.2模擬外手柄操縱前服務門打開和關閉的分析工況
使用前服務門剛體動力學模型，模擬外手柄操縱前服務門解鎖及提升(0-5秒)，前服務門繞固定軸旋轉打開(5-8秒)。然後前服務門繞固定軸旋轉關閉(10秒開始)，最後搬動外手柄，前服務門向下運動，關閉到位(12-17秒)。
由於外手柄與內手柄聯動，除了外手柄與內手柄的開啟和關閉力矩曲線不同外，其餘運動體的軌跡和受力情況基本相同。外手柄的開啟力矩曲線如圖10所示(實測最大力矩值47600N·mm)，關閉力矩曲線如圖11所示(實測關閉最大力矩值19500N·mm)。模擬結果與實測結果相近，較好地反映了實際工況。
A外手柄開啟力矩
外手柄開啟力矩值曲線見圖10，橫軸表示時間，縱軸表示力矩值，最大力矩值41785N·mm。B外手柄關閉力矩
外手柄關閉力矩值曲線見圖11，橫軸表示時間，縱軸表示力矩值，最大力矩值17658.7N·mm。4前服務門多體動力學剛柔耦合模型分析
使用剛柔耦合多體模型，運動驅動施加在內手柄鉸鏈處，計算得到機構桿件在運動過程中的應力和變形大小。根據模擬結果，構件應力、變形均小於許用值，構件滿足強度剛度要求。
4.1平衡桿應力及變形計算結果4.2輔助搖臂應力及變形計算結果4.3支座應力及變形計算結果4.4扭力軸應力及變形計算結果5小結
綜上所述，MotionView具有強大的模擬分析功能，能夠完整模擬機構運動過程，得到運動體軌跡和承受的力或力矩值曲線，實現剛性體和柔性體的混合模擬，驗證構件是否滿足強度剛度要求。
6參考文獻
[1]MotionViewUser』sManual
[2]朱岩、王卯升.某型飛機門梯合一登機門多體動力學分析.上海：Altair2011HyperWorks技術大會論文集.2011
