某型货机货舱门机构优化设计
朱岩 王卯升 张一苇
中航工业西安飞机工业公司西安 710089
摘要：本文运用HyperWorks软件建立了货舱门机构的刚体模型和刚柔耦合模型，评估了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。
关键词：货舱门，多体动力学，模拟仿真，优化设计
0货舱门机构简介
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。货舱门及门框如图1所示。
图1 某型货机货舱门及门框
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。如图2所示。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。
图2 某型货机货舱门机构组成
1货舱门机构多体动力学建模
1.1坐标系和单位
货舱门动力学模型的坐标系与机体坐标系一致，机体坐标系定义如下：机体坐标系为直角坐标系，坐标原点为机头端点在构造水平面上的投影后1m处，X轴沿飞机构造水平线向后为正，Y轴在对称面内垂直于X轴向上为正，Z轴向左为正与X、Y轴构成右手坐标系。单位采用毫米、千克、秒、牛顿、兆帕。
1.2 刚体动力学模型
基于原有设计的CATIA模型，共建立了51个运动体，76个运动副。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。为更加真实的反映各个运动副和物体的受力情况，货舱门刚体模型中考虑了连接物体之间的摩擦力。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。此外还定义了考核运动体的位移、速度、加速度、载荷及用户自定义变量的输出。货舱门刚体动力学模型见图3。
图3 货舱门刚体多体动力学模型
1.3 刚柔耦合多体动力学模型
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，根据实际情况添加或修改物体之间的铰接，并对相应的参数进行一定的调整，便可对货舱门的运动过程进行仿真。仿真结果可以考察运动过程中各部件的应力和变形。货舱门刚柔耦合多体动力学模型见图4。
图4 门体柔性体有限元模型
2 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，仿真结果可提供整个运动过程中机构组件的应力，找到初始设计中机构受力比较严重的部位，供机构优化及结构强度分析使用。筛选出机构系统中比较薄弱的组件，使其在不影响工作要求和性能的情况下，进行优化设计，满足强度设计要求。
2.1货舱门机构初始动力学分析
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。综合分析整个运动过程可知，锁定机构中直角拉杆的最大应力值为930MPa，超过了零件材料屈服强度，如图5所示。机构其它部件的应力最大值都远远小于其强度极限，满足强度和刚度要求。
图 5 直角拉杆的应力云图
2.2 货舱门机构优化
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。直角拉杆一端连接在锁定机构电机扭力管上，另一端与导引锁连接，按照货舱门机构运动原理，锁定机构电机使扭力管组件旋转，带动直角拉杆运动从而使导引锁旋转，导引锁内腔表面沿着固定在门框上的滚轮锁销滚动，等导引锁与滚轮锁销脱开后，货舱门解锁。因此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。通过动力学分析可以发现，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。本文采用MotionSlove结合HyperStudy的方法进行优化。
