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飞机舱门机构运动仿真分析技术研究


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一架飞机有大小十几个舱门,包含登机门、服务门、货舱门、应急门等。舱 门结构设计复杂,连杆、铰链数量众多,机构运动过程多阶段,运动关系复杂多 变。由于舱门上的机构运动关系复杂,如何将这些舱门安装到位一直是飞机装配 的一个难点。为了理清舱门各个机构运动的原理,指导现场工艺人员更好地进行 工艺分析,采用 CATIA 的 DMU 模块对舱门进行运动机构仿真分析[1]。通过虚拟仿 真技术的研究应用...... 一架飞机有大小十几个舱门,包含登机门、服务门、货舱门、应急门等。舱门 结构设计复杂,连杆、铰链数量众多,机构运动过程多阶段,运动关系复杂多变。 由于舱门上的机构运动关系复杂,如何将这些舱门安装到位一直是飞机装配的一个 难点。 为了理清舱门各个机构运动的原理, 指导现场工艺人员更好地进行工艺分析, 采用 CATIA 的 DMU 模块对舱门进行运动机构仿真分析[1]。通过虚拟仿真技术的研 究应用,验证舱门机构运动,找出机构中的可调节量,能指导工人现场安装调试, 确保安装的顺利进行,缩短研制及安装周期[2]。 民用飞机舱门结构特点分析 民用飞机舱门:指民用飞机上带铰链机构,供人员进出或作为舱段主要维护通 道的开口。完整的舱门包含的主要功能有:开关功能、应急开启功能、安全性功能、 滑体预位功能、指示功能、辅助功能等。 民用飞机舱门结构一般采用金属材料。由于结构厚度较高,没有内蒙皮,采用 连接角片连接横纵梁,采用预变形设计,飞行中正常飞行压差下为 30% 压缩量,以 保证良好的密封性能。 舱门结构方式主要有 2 种:外翻式打开方式与抛放式打开方式。外翻式,如 A RJ 的货舱门、大客的应急门等,重力方向与舱门运动方向一致;抛放式主要为 ARJ 的应急门、大客的登机门等,舱门提升后与机身平行沿航向前方打开,各位置垂直 提升高度有所不同。 舱门的开启过程一般分为 3 个阶段:首先是对舱门进行解锁;然后对开启手柄 进行提升;最后是将门推开的过程。在整个过程中包含的主要机构有:提升机构、 导向机构、平移机构、内手柄及齿轮盒、外手柄机构、扭矩杆机构、阵风锁机构、 外伸机构、增压预防、内外手柄机构、滑梯启动机构、驱动机构等。 舱门机构的简化 机构由若干个相互联接起来的构件组成。机构中两构件之间直接接触并能作相 对运动的可动联接,称为运动副。机构每个运动模块里面包含若干个运动副。舱门 机构运动仿真中涉及到的运动副有:固定副、旋转副、球面副、圆柱副、点线副、 滑移副等。其中固定副、旋转副、圆柱副等运动副在舱门机构中形式单一也相对简

单。在舱门机构中有些特殊形式的运动副,出现的概率高且相对复杂,以下将对这 些特殊形式的运动副进行介绍。 1 特殊球面副 球面副是一种很常见的运动副,主要有 3 个特点:球面副连接 2 个连杆,有 3 个旋转自由度;球面副不能添加驱动,不能规定其运动极限[3];球面副的原点位于 球和铰套的公共中心点,球面副没有方向,当创建球面副时,只需制定连杆和球面 副的原点。 在舱门的机构中,存在一种特殊的机构,2 个连杆没有球、铰套和公共中心点, 图 1 为 ARJ21 货舱门中的一处机构所示,构件 1 的轴直径小于构件 2 的孔直径,该 轴能在孔中随意转动。研究发现这种结构的运动原理和球面副是相同的:两个构件 间有 3 个独立的相对运动;具有 3 个旋转自由度;构件 1 在构件 2 的孔隙内做任意角 度的旋转。因此,针对舱门机构中这种外形上完全不符合球面副的这类特殊机构, 也定义为球面副。由于两个构件没有公共中心点,在具体定义球面副的过程中需要 添加辅助点,假设辅助点就是公共中心点。

2 高副 在平面运动副中,两构件之间的直接接触有 3 种情况:点接触、线接触和面接 触。按照接触特性,通常把运动副分为低副和高副两类。 两构件通过面接触构成的运动副称为低副。根据两构件间的相对运动形式,低 副又分为移动副和转动副;两构件通过点或线接触构成的运动副称为高副。如凸轮 与尖顶推杆构成高副,如两齿轮轮齿啮合处也构成高副[4]。 在 CATIA 的 DMU 模块中,有点线副、滑动曲线副、滚动曲线副、点面副 4 种高 副。舱门机构中包含较多的高副,以点线副居多,其中还包含部分滑动曲线副。这

类机构结构形式类似, 在实际添加过程中容易混淆, 不正当的使用会引起后续错误。 针对舱门机构中经常用到的 2 种高副将做详细介绍。 2.1 点曲线副 点曲线副特点有: 点线副约束第 1 个构件的一点在第 2 个构件上的某个方向上; 点线副约束 2 个构件之间的 2 个平动自由度;定义的 2 个构件之间有 3 个旋转自由 度和一个移动自由度;可以添加长度驱动;2 个构件在运动过程中有公共点接触。 在 ARJ21 应急门的上位锁及大客登机门的阵风锁等多处出现点线副。如图 2 所 示,构件 1 在构件 2 的某个平面上运动,在构件 1 的末端有一个突起的锥点,由于 构件 2 的旋转轴和构件 1 垂直,在实际的运动过程中构件 1 的锥点始终都在构件 2 的某条直线上运动,即点线接触,将该类机构定义为点线副。

2.2 滑动曲线副 滑动曲线副约束一个构件上的一条线与另外一个构件上一条线始终接触,曲线 必须是平面曲线,且 2 个曲线必须在同一个平面内;滑动曲线副约束了 2 个平动自 由度和 2 个旋转自由度。 在大客阵风锁上出现滑动曲线副,如图 3 所示。构件 2 的插销在构件 1 的凹槽 内滑动。在运动过程中,构件 2 的插销的整个圆柱面和构件 1 的凹槽面都有接触, 且构件 1 和构件 2 始终有公共平面。在运动的任何状态下,选取其中一个公共平面 与构件 1 和构件 2 求交线,得到 2 条相交的曲线——辅助曲线 1 和辅助曲线 2。由 于插销没有绕自身轴的转动,故符合滑动曲线副的定义条件,将此类机构定义为滑 动曲线副。

复杂组合机构分析 机构每个运动模块中,各个运动副之间都是相互关联的,舱门机构中存在一些 复杂机构组合体,在此选取 2 组进行介绍。 1 可调拉杆与虎克铰组合机构 虎克铰也称为万向铰,在 CATIA 的 DMU 模块中又称 U 型接头,允许 2 个构件有 2 个相对转动的自由度,它相当与轴线相交的 2 个转动副。虎克铰常用来传递 2 根 相交轴之间的运动,它实质上是一个球面铰链 4 杆机构。当主动轴(相当于球面铰 链四杆机构中的主动曲柄)以等速度ω 1 转动时,其输出轴(相当于球面铰链四杆机 构中的从动曲柄)则以变角速度ω 2 连续转动。ω 2 的大小在ω 2min=ω 1cosα 与ω 2 max=ω 1cosα 之间变动(式中α 为输入轴与输出轴之间的夹角)。这种机构的优点在 于当两轴之间的夹角略有变化时,传递并不中断,仅仅对两轴之间的瞬时传动比有 影响。 在舱门机构中应用极为普遍,且总是和球面副成对出现,在登机门、应急门的 解锁,舱门提升和舱门开启的过程中作为主要运动机构,如图 4 所示,该机构对应 舱门开关功能里的提升机构。U 型接头机构的特点是,可调拉杆两端的孔径远大于 与之相连的轴径。构件 2 为可调拉杆,在实际安装过程中长度可调节。构件 1 与构 件 2 之间为带夹角的转动,构件 2 与构件 3 也为带夹角的转动,但构件 1 和构件 3 的转动轴都是固定的,构件 2 起到了传递转动的作用。此时将构件 1 和构件 2 定义 为虎克铰(U 型接头),构件 2 和构件 3 定义为球面副,即能保证机构系统正常运动 且无多余自由度。机构原理简图如图 4(b)所示,图中的数字对应图 4(a)中的构件 序号。

2 带虎克铰的连杆机构 在登机门、 应急门的舱门开启过程中有一类空间四连杆机构较为复杂(见图 5)。 该机构对应舱门开关功能里的平移机构。在舱门打开过程中如图 5(a)所示,三条辅 助线的距离是保持不变的,再加上两个平行杆支座在空间上的位置是相对固定的, 所以这 4 个无形之中存在的杆类似平行四连杆机构的 4 条杆。

连杆 1 与连杆 3 的孔径远大于与之相连的轴径,构件 1 与构件 3 相对与左右两 边的支座都在作带夹角的旋转,保证舱门沿外形曲线提升后与机身平行沿航向前方 打开。参照可调拉杆与虎克铰组合机构里面提到的组合机构,在此将连杆 1 和连杆 3 与左右两边的支座都分别定义为虎克铰和球面副。故该组合机构为带虎克铰的平 行四连杆机构。机构原理简图如 5(b)所示。 实例解析 参照以上提到的方法选用 ARJ21 后,以应急门为例进行完整的机构运动仿真。 ARJ21 应急门的开启分为解锁、提升和推开 3 个过程,对应 CATIA 软件 DMU 模块中 的 3 个机制,分别对 3 个机制进行运动机构分解,如图 5 所示,转换约束为运动副, 添加驱动,运行仿真,最终得到整个舱门开启过程中的每个运动状态。 1 解锁机制仿真 解锁机制包含的机构主要有:内手柄机构、可调拉杆与虎克铰组合机构、插销 机构等,机构详情如图 6 所示。

其中,在内手柄机构中有一套虎克铰和可调拉杆的组合机构以实现手柄的转动 同时带动可调拉杆机构运动,带动插销机构水平移动将插销打开,从而实现解锁的 过程。同可调拉杆机构相同,包含的运动副有:U 型副、球面副、旋转副。插销机 构里面主要有固定副、旋转副、棱形副(移动副)。 2 提升机制仿真 提升机制包含的机构主要有:导向机构、提升机构、平移机构、主铰链机构等。 如图 6 所示,其中平移机构在此作为辅助运动,只作稍微的提升运动,并没有空间 转动,主铰链机构此时也作为辅助运动实现轴线的轻微转动。 内手柄机构在平移机构及主铰链机构的辅助运动下,对整个舱门进行提升,舱 门在导向机构限定的轨迹下实现整体上升。在导向机构中包含高副的点线副。提升 机构中包含平行四连杆机构、旋转副、圆柱副等。平移机构包含固定副、球面副、 虎克铰(U 型副)等。 3 推开机制仿真 推开机制包含的机构主要为平移机构,如图 6 所示。平移机构在此时不同于提 升机制的作用,不仅只作上下方向辅助的运动,要实现舱门沿外形曲线提升与机身 平行沿航向前方打开的作用。主铰链机构此时也作为主要的运动机构,实现舱门的 轴向转动的运动。

推动内手柄机构,实现主铰链机构的轴线转动,在平移机构限定的轨迹下舱门 实现完整开启。包含的运动副有:固定副、旋转副、圆柱副、虎克铰(U 型副)。 结束语 通过对舱门的机构运动进行仿真技术研究,指导相关工艺人员对 ARJ21 应急门 进行机构运动仿真分析;设计部门提出对舱门的结构件发生更改时,通过仿真查看 舱门的整个运动过程中是否存在干涉;在 ARJ21 货舱门开展相关仿真应用,使工艺 人员熟悉掌握货舱门的机构运动原理,从而更好地指导现场工人调试安装;在大客 各种舱门签图前进行机构运动仿真,帮助工艺人员理清舱门机构运动原理,检验产 品设计是否合理,指导工艺人员进行产品的各种舱门的审图工作。 鉴于以上实用价值,民用飞机舱门机构运动仿真研究对制造部门具有重要意 义。通过对这种方法的研究,并将其在制造部门推广让更多工艺人员学习运用,能 减少飞机舱门安装过程中遇到的问题。目前民用飞机舱门机构运动仿真研究还处于 初期阶段,后续将采用专业性更强的机构运动仿真软件 ADMAS 研究,考虑舱门自身 的重力及其他载荷的影响,对它进行更深入的研究,能更好地解决实际问题[5]。 参 考 文 献 [1]尤春风.CATIA V5 高级应用.北京:清华大学出版社,2006. [2]航空制造工程手册,飞机装配.北京:航空工业出版社,2010. [3]李增刚.ADMAS 入门详解与实例.北京:国防工业出版社,2008. [4]张志贤,刘检华,宁汝新.虚拟装配环境下运动副自动识别方法.计算机集 成制造系统,2011(01):62-68. [5]李宏.虚拟装配技术的研究现状与发展趋势.现代制造工程,2004(12):114 -116.(end)


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