基于HyperWorks的飞机门梯合一式登机门刚度分析及优化

2020/6/11 15:33:53 人评论 次浏览 分类:结构分析

项目介绍

    舱门是民用飞机机身中的重要且特殊的部件,而门梯合一式登机门是机身舱门中设计最复杂、功能要求最严格的部件。登机门关闭状态下,舱门起密封作用,主要受力为气密载荷的作用。登机门放下时,登机梯随着舱门及运动机构运动到放下状态,登机梯作为通道供乘客上下飞机。

挑战

    在舱门密封设计中,密封带的干涉量一直是设计的重点和难点,密封带干涉量过小会导致气密性和水密性不好,密封带干涉量过大影响舱门开启和关闭力过大甚至卡死。并且舱门周圈的结构形式不尽相同,密封带的干涉量也应不同。登机门放下状态时,梯子通过四连杆机构悬挂于门框上,底部距离地面约30公分,与地面无接触。因此,乘客在上下飞机时梯子会产生晃动现象。

门框与门体的有限元模型 

门框与门体的有限元模型

门框与登机梯的有限元模型 

门框与登机梯的有限元模型

解决方案

    有限元的建立与分析

    有限元模型中对蒙皮、长桁、框等大多数薄壁零件采用壳单元进行网格划分,对铆钉及螺栓采用一维单元进行模拟,对接头挡块等零件进行六面体网格划分。

    约束机身断面处的六个自由度。气密载荷施加在门体外蒙皮,外手柄盒、机身蒙皮内侧,类型为压强载荷,大小为0.03MPa,方向垂直于网格单元向外。乘客的踩踏力作用在梯子的最下面一层台阶上,大小为800N,方向向下。

    从计算结果可以得到门体与门框的变形量及其差值,从而为密封带的干涉量设计和安装调试提供依据。

气密工况下的变形云图 

气密工况下的变形云图

变形云图 

变形云图

登机梯应力云图 

登机梯应力云图

    计算结果变形云图和应力云图中得到最下面一层台阶根部的变形量为10.8mm,在实物飞机上测值10mm,实物测量与计算结果非常接近,验证了模型的正确性。应力较大的部位集中在主摇臂处,为了减少梯子的变形,则需要对主摇臂进行再次设计,使其满足登机梯的刚度要求。


  优化分析

    由于是运动部件,必须考虑运动过程中与周围零部件的干涉问题,从运动数模得到主摇臂的下部和航向尺寸不能发生变化。由于整个模型很大,因此将主摇臂单独取出,将其与梯子连接处的断面施加载荷,与门框连接处约束其自由度,进行计算测量载荷点的位移值供约束条件的确定。

    首先采用尺寸优化对主摇臂的厚度进行优化计算,计算结果并无很大改善。因此,将主摇臂的高度尺寸加大,定义设计区域和非设计区域,定义脱模方向,定义最小和最大成员尺寸,约束条件定为初始位移的40%,目标为质量最少,然后对其进行拓扑优化。

主摇臂CAD模型 

主摇臂CAD模型

主摇臂拓扑优化模型 

主摇臂拓扑优化模型

优化后的主摇臂 

优化后的主摇臂

    将优化后的结果导出为STL格式,再导入CAD软件进行重新设计,并对其进行运动模拟,保证在运动过程中不与周围结构干涉,然后将其导入HyperMesh软件进行重新有限元建模。

    将优化后的主摇臂与原始的门框梯子模型连接,校核优化后的梯子变形量。测量点的位移由10.8mm降低到5.6mm,满足了强度设计的要求,解决了登机梯晃动过大现象。

结论

    通过HyperMesh对门梯合一式登机门进行有限元建模,分析了门体在受气密载荷时的变形量,为密封带的干涉量设计提供了强有力的依据。分析了乘客上下飞机时梯子的变形晃动问题,通过OptiStruct对应变过大的主摇臂进行了优化设计,解决了梯子的变形晃动过大的问题。

    在整个的分析过程中,我们发现HyperMesh建立有限元模型的强大功能和OptiStruct强大的优化功能,应用HyperWorks软件能够设计出受力最优的零部件,能够提高设计人员的设计水平,大大缩短产品开发周期。


文章来源:http://articles.e-works.net.cn/CAE/Article120666_1.htm


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