基于HyperWorks的某型货机货舱门机构优化设计

    行业：航空航天

    挑战：如何通过优化设计来改进机构 设计，以满足设计要求。

    Altair 解决方案：利用 HyperMesh 建立货舱门 机构的刚体模型和刚柔耦合模 型，并通过 MotionSolve 和 HyperStudy 对当前舱门机构 设计进行优化，全面评估当前 的机构设计性能。

    优点：HyperMesh能够快速建模 ； MotionSolve快速精确地 进行刚柔耦合计算

    背景介绍 

    货舱门是运输机上的运动功能部件，它的功能、使用寿命、安全性、维修 性和可靠性直接关系到飞机的出勤率。货舱门设计的好坏也直接关系到人员和 货物的进出安全。若设计不当飞机在高空中飞行时可能发生货舱门的意外打开， 将造成压力舱减压。同时，严重影响飞行姿态，改变气动特性，严重时还会造 成飞机的坠落而解体。有关货舱门设计不当造成的飞机事故已引起了各航空设 计院所和订货方的关注。货舱是大型运输机最基本特征之一，为保证货物、设 备进出，货舱必须设有至少一个供装卸货物、并与货舱大小相匹配的货舱门。 另外，由于飞机的性能不同，装运货物的性质不同，对飞机货舱的要求也各不 相同。因此货舱门的外形尺寸、结构形式、开启方式及锁定机构等也各有差异。 货舱门既是运输类飞机设计、制造、维护的难点，又是关系到飞机飞行安全的 关键部件。尤其对机身大开口刚度、货舱门结构、操纵机构、锁定机构、运动 轨迹控制等均有极高要求。（摘自《航空科学技术》）  

    挑战 

    某型货机货舱门位于后机身右侧（顺航向）27～32 框间，门尺寸为 2500mm*2000mm，飞机装卸货物时，货舱门向上翻转开启（完全开启时向上 翻转 100°）和向下翻转关闭，货舱门采用电动操作。

    某型货机货舱门操纵机构由开启机构、锁定机构和保险机构等三部分组成。 开启机构主要由电动开启机构、手动开启机构、旋转离合器和提升装置组成。 锁定机构主要由锁定动力装置、手动锁定装置、锁定连杆装置、主承力锁（侧 面 2 个，下面 8 个）、导引锁（2 个）等组成。保险机构由开关盒、顶爪与释压 窗机构组成。

    通过仿真分析来对舱门机构进行优化设计，以获得满足要求的机构改进方案。     

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    “运用 HyperMesh 建立货舱门机构的刚体模型和刚柔耦合模型，评估当前机构的设计性能及改进方向。 通过优化设计技术，应用 MotionSolve 和 HyperStudy 对当前舱门机构设计进行了优化。得到满足要求的改 进方案。”  

                                                                                                                            ——摘自HyperWorks技术论文 作者 朱岩 王卯升 张一苇                                                                                                            

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    解决方案

    货舱门机构多体动力学建模 

             货舱门动力学模型的坐标系与机体坐标系一致。货舱门刚体模型中包含的运动驱动有 3 个：开启电机的位移驱动、 锁定电机的位移驱动和手动保险机构的位移驱动。货舱门刚体模型中连接物体之间的摩擦力通过子系统的方式创建， 在子系统中设置静摩擦系数、动摩擦系数、动静摩擦转化速度和摩擦力作用半径等参数。

             货机货舱门刚柔耦合模型首先生成后机身、门体及其他部件的柔性体模型，总规模约 20 万单元，再将生成的柔 性体集成到刚体动力学模型中。对货舱门的运动过程进行仿真，考察运动过程中各部件的应力和变形。   

    货舱门机构动力学分析及优化 

    利用货舱门初始设计的刚柔耦合动力学模型，对整个机构系统在开锁、开门、关门、上锁的过程进行仿真，仿真 结果提供了整个运动过程中机构组件的应力。在整个运动过程中，机构各部件的受力也不断发生变化，在开关锁过程 中，受力比较大的部件主要集中在锁定机构，在开关门过程中，受力比较大的部件主要集中在开启机构。 

               通过货舱门机构系统整个运动过程的动力学仿真结果可以知道直角拉杆的受力比较大，强度不能满足设计要求。 直角拉杆连接在锁定机构电机扭力管上的一端受到电机扭力管传来的载荷，另一端受到滚轮锁销通过导引锁传来支反 力载荷。所以要降低直角拉杆的应力，一方面对直角拉杆的连接端点进行优化，增加力臂，减少力值。另一方面减少 导引锁传来的支反力载荷。通过 MotionSolve 结合 HyperStudy 的方法进行优化动力学分析，改变导引锁内腔表面， 也就是改变滚轮锁销在导引锁内腔表面滚动的轨迹，可以有效地减少支反力载荷。 

              在简化模型中，在电机轴上施加一个驱动来模拟电机输出转矩，在导引锁处施加一个转矩来模拟门在解锁过程中 导引锁的支反力。通过模型的优化可以看出改变直角拉杆的空间坐标不但可以降低直角拉杆的受力，同时也可以减小 电机的输出转矩。

    采用优化后的新交点，做出直角拉杆的模型并生成柔性体，导入到货舱门的刚柔耦合模型中重新计算。优化后的 直角拉杆对应的导引锁的初始角度比较小，这样使得在传给导引锁扭矩的时直角拉杆对导引锁的力臂比优化前大，从而减小直角拉杆的受力。

    从动力学仿真过程可以发现，在导引锁将门推开的过程中，导引锁的有效作用力是导引锁对锁销的作用力在门运 动方向上的分量。影响导引锁对锁销的作用力方向的主要因素是滚轮锁销在导引锁内腔表面滚动的轨迹，因此通过导 引锁内腔表面调整轨迹来改变导引锁对锁销作用力的方向，使得导引锁对锁销的作用力在门运动方向上的分量增大， 进而来减小直角拉杆的支反力。 

    采用改进后的导引锁模型，导入到货舱门的刚柔耦合模型中，对整个运动过程进行重新仿真计算。从载荷曲线的 对比可以看出优化后直角拉杆的受力整体上减小，改进前载荷的最大值为 6418.45N，改进后载荷的最大值为 3436.54N。

    采用优化后的直角拉杆新交点和改进后的导引锁模型，导入到货舱门的刚柔耦合模型中，对整个运动过程进行仿 真计算。载荷的最大值为从优化改进前 6418.45N 降到优化改进后 3340.00N。从应力云图的对比可以看出直角拉杆 的应力最大值从优化改进前的 930.00MPa 降到优化改进后 484.00MPa。

    结论 

    利用 HyperMesh 建立货舱门机构的刚体模型和刚柔耦合模型，并通过 MotionSolve 和 HyperStudy 对当前舱门 机构设计进行优化，全面评估当前的机构设计性能。通过优化设计技术对直角拉杆交点优化和导引锁内腔面形状进行 了改进，得到满足要求的机构改进方案。 

              某型货机货舱门机构优化设计过程中形成的技术路线和流程方法，为后续舱门机构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。    

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