飛機艙門機構運動仿真分析技術研究

1、一架飛機有大小十幾個艙門，包含登機門、服務門、貨艙門、應急門等。艙 門結構設計復雜，連桿、鉸鏈數(shù)量眾多，機構運動過程多階段，運動關系復雜多 變。由于艙門上的機構運動關系復雜，如何將這些艙門安裝到位一直是飛機裝配 的一個難點。為了理清艙門各個機構運動的原理，指導現(xiàn)場工藝人員更好地進行 工藝分析，采用CATIA的DMU模塊對艙門進行運動機構仿真分析1。通過虛擬仿 真技術的研究應用一架飛機有大小十幾個艙門，包含登機門、服務門、貨艙門、應急門等。艙門 結構設計復雜，連桿、鉸鏈數(shù)量眾多，機構運動過程多階段，運動關系復雜多變。 由于艙門上的機構運動關系復雜，如何將這些艙門安裝到位一直是飛機裝配的一個 難點

2、。為了理清艙門各個機構運動的原理，指導現(xiàn)場工藝人員更好地進行工藝分析， 采用CATIA的DMU模塊對艙門進行運動機構仿真分析1。通過虛擬仿真技術的研 究應用，驗證艙門機構運動，找出機構中的可調節(jié)量，能指導工人現(xiàn)場安裝調試， 確保安裝的順利進行，縮短研制及安裝周期 2。民用飛機艙門結構特點分析民用飛機艙門：指民用飛機上帶鉸鏈機構，供人員進出或作為艙段主要維護通 道的開口。完整的艙門包含的主要功能有： 開關功能、應急開啟功能、安全性功能、 滑體預位功能、指示功能、輔助功能等。民用飛機艙門結構一般采用金屬材料。由于結構厚度較高，沒有內蒙皮，采用 連接角片連接橫縱梁，采用預變形設計，飛行中正常飛行壓差

3、下為30%壓縮量，以保證良好的密封性能。艙門結構方式主要有2種：外翻式打開方式與拋放式打開方式。外翻式，如 A RJ的貨艙門、大客的應急門等，重力方向與艙門運動方向一致；拋放式主要為ARJ的應急門、大客的登機門等，艙門提升后與機身平行沿航向前方打開，各位置垂直 提升高度有所不同。艙門的開啟過程一般分為3個階段：首先是對艙門進行解鎖；然后對開啟手柄 進行提升；最后是將門推開的過程。在整個過程中包含的主要機構有：提升機構、 導向機構、平移機構、內手柄及齒輪盒、外手柄機構、扭矩桿機構、陣風鎖機構、 外伸機構、增壓預防、內外手柄機構、滑梯啟動機構、驅動機構等。艙門機構的簡化機構由若干個相互聯(lián)接起來的構

4、件組成。機構中兩構件之間直接接觸并能作相 對運動的可動聯(lián)接，稱為運動副。機構每個運動模塊里面包含若干個運動副。艙門 機構運動仿真中涉及到的運動副有：固定副、旋轉副、球面副、圓柱副、點線副、 滑移副等。其中固定副、旋轉副、圓柱副等運動副在艙門機構中形式單一也相對簡單。在艙門機構中有些特殊形式的運動副，出現(xiàn)的概率高且相對復雜，以下將對這 些特殊形式的運動副進行介紹。1特殊球面副球面副是一種很常見的運動副，主要有 3個特點：球面副連接2個連桿，有3 個旋轉自由度；球面副不能添加驅動，不能規(guī)定其運動極限 3;球面副的原點位于 球和鉸套的公共中心點，球面副沒有方向，當創(chuàng)建球面副時，只需制定連桿和球面 副

5、的原點。在艙門的機構中，存在一種特殊的機構，2個連桿沒有球、鉸套和公共中心點，圖1為ARJ21貨艙門中的一處機構所示，構件 1的軸直徑小于構件2的孔直徑，該 軸能在孔中隨意轉動。研究發(fā)現(xiàn)這種結構的運動原理和球面副是相同的：兩個構件 間有3個獨立的相對運動；具有3個旋轉自由度；構件1在構件2的孔隙內做任意角 度的旋轉。因此，針對艙門機構中這種外形上完全不符合球面副的這類特殊機構， 也定義為球面副。由于兩個構件沒有公共中心點，在具體定義球面副的過程中需要 添加輔助點，假設輔助點就是公共中心點。2咼副在平面運動副中，兩構件之間的直接接觸有3種情況：點接觸、線接觸和面接觸。按照接觸特性，通常把運動副分

6、為低副和高副兩類。兩構件通過面接觸構成的運動副稱為低副。根據(jù)兩構件間的相對運動形式，低 副又分為移動副和轉動副；兩構件通過點或線接觸構成的運動副稱為高副。如凸輪 與尖頂推桿構成高副，如兩齒輪輪齒嚙合處也構成高副 4。在CATIA的DMU模塊中，有點線副、滑動曲線副、滾動曲線副、點面副4種高副。艙門機構中包含較多的高副，以點線副居多，其中還包含部分滑動曲線副。這類機構結構形式類似，在實際添加過程中容易混淆，不正當?shù)氖褂脮鸷罄m(xù)錯誤。 針對艙門機構中經常用到的 2種高副將做詳細介紹。2.1點曲線副點曲線副特點有：點線副約束第1個構件的一點在第2個構件上的某個方向上； 點線副約束2個構件之間的2個

7、平動自由度；定義的2個構件之間有3個旋轉自由 度和一個移動自由度；可以添加長度驅動；2個構件在運動過程中有公共點接觸。在ARJ21應急門的上位鎖及大客登機門的陣風鎖等多處出現(xiàn)點線副。如圖2所示，構件1在構件2的某個平面上運動，在構件1的末端有一個突起的錐點，由于 構件2的旋轉軸和構件1垂直，在實際的運動過程中構件 1的錐點始終都在構件2 的某條直線上運動，即點線接觸，將該類機構定義為點線副。歳竣割2.2滑動曲線副滑動曲線副約束一個構件上的一條線與另外一個構件上一條線始終接觸，曲線 必須是平面曲線，且2個曲線必須在同一個平面內；滑動曲線副約束了 2個平動自 由度和2個旋轉自由度。在大客陣風鎖上出

8、現(xiàn)滑動曲線副，如圖 3所示。構件2的插銷在構件1的凹槽 內滑動。在運動過程中，構件 2的插銷的整個圓柱面和構件 1的凹槽面都有接觸， 且構件1和構件2始終有公共平面。在運動的任何狀態(tài)下，選取其中一個公共平面 與構件1和構件2求交線，得到2條相交的曲線一一輔助曲線1和輔助曲線2。由 于插銷沒有繞自身軸的轉動，故符合滑動曲線副的定義條件，將此類機構定義為滑 動曲線副。圖3滑動曲竣副復雜組合機構分析機構每個運動模塊中，各個運動副之間都是相互關聯(lián)的，艙門機構中存在一些 復雜機構組合體，在此選取 2組進行介紹。1可調拉桿與虎克鉸組合機構虎克鉸也稱為萬向鉸，在CATIA的DMU莫塊中又稱U型接頭，允許2個

9、構件有 2個相對轉動的自由度，它相當與軸線相交的2個轉動副?；⒖算q常用來傳遞 2根相交軸之間的運動，它實質上是一個球面鉸鏈4桿機構。當主動軸（相當于球面鉸鏈四桿機構中的主動曲柄）以等速度3 1轉動時，其輸出軸（相當于球面鉸鏈四桿機 構中的從動曲柄）則以變角速度3 2連續(xù)轉動。3 2的大小在3 2min=3 1cos a與3 2 max=3 1cos a之間變動（式中a為輸入軸與輸出軸之間的夾角）。這種機構的優(yōu)點在 于當兩軸之間的夾角略有變化時，傳遞并不中斷，僅僅對兩軸之間的瞬時傳動比有 影響。在艙門機構中應用極為普遍，且總是和球面副成對出現(xiàn)，在登機門、應急門的 解鎖，艙門提升和艙門開啟的過程中

10、作為主要運動機構，如圖4所示，該機構對應艙門開關功能里的提升機構。U型接頭機構的特點是，可調拉桿兩端的孔徑遠大于 與之相連的軸徑。構件2為可調拉桿，在實際安裝過程中長度可調節(jié)。構件1與構件2之間為帶夾角的轉動，構件 2與構件3也為帶夾角的轉動，但構件 1和構件3 的轉動軸都是固定的，構件 2起到了傳遞轉動的作用。此時將構件 1和構件2定義 為虎克鉸（U型接頭），構件2和構件3定義為球面副，即能保證機構系統(tǒng)正常運動 且無多余自由度。機構原理簡圖如圖 4（b）所示，圖中的數(shù)字對應圖4（a）中的構件 丿丁號。運動札構圖圖4 U型擾頭和球校機構2帶虎克鉸的連桿機構在登機門、應急門的艙門開啟過程中有一類

11、空間四連桿機構較為復雜(見圖5)。該機構對應艙門開關功能里的平移機構。在艙門打開過程中如圖5(a)所示，三條輔助線的距離是保持不變的，再加上兩個平行桿支座在空間上的位置是相對固定的， 所以這4個無形之中存在的桿類似平行四連桿機構的4條桿。I a i空由：四連桿札相 機構原理簡圖圖5艙門產品科湮軸機構連桿1與連桿3的孔徑遠大于與之相連的軸徑，構件 1與構件3相對與左右兩 邊的支座都在作帶夾角的旋轉，保證艙門沿外形曲線提升后與機身平行沿航向前方 打開。參照可調拉桿與虎克鉸組合機構里面提到的組合機構，在此將連桿1和連桿3與左右兩邊的支座都分別定義為虎克鉸和球面副。故該組合機構為帶虎克鉸的平 行四連桿

12、機構。機構原理簡圖如 5(b)所示。實例解析參照以上提到的方法選用 ARJ21后，以應急門為例進行完整的機構運動仿真。ARJ21應急門的開啟分為解鎖、提升和推開3個過程，對應CATIA軟件DMU模塊中的3個機制，分別對3個機制進行運動機構分解，如圖5所示，轉換約束為運動副， 添加驅動，運行仿真，最終得到整個艙門開啟過程中的每個運動狀態(tài)。1解鎖機制仿真解鎖機制包含的機構主要有：內手柄機構、可調拉桿與虎克鉸組合機構、插銷 機構等，機構詳情如圖6所示?？瓧U機梅e主整機料令箏呼其中，在內手柄機構中有一套虎克鉸和可調拉桿的組合機構以實現(xiàn)手柄的轉動 同時帶動可調拉桿機構運動，帶動插銷機構水平移動將插銷

13、打開，從而實現(xiàn)解鎖的 過程。同可調拉桿機構相同，包含的運動副有：U型副、球面副、旋轉副。插銷機構里面主要有固定副、旋轉副、棱形副 （移動副）。2提升機制仿真提升機制包含的機構主要有： 導向機構、提升機構、平移機構、主鉸鏈機構等。 如圖6所示，其中平移機構在此作為輔助運動，只作稍微的提升運動，并沒有空間 轉動，主鉸鏈機構此時也作為輔助運動實現(xiàn)軸線的輕微轉動。內手柄機構在平移機構及主鉸鏈機構的輔助運動下，對整個艙門進行提升，艙 門在導向機構限定的軌跡下實現(xiàn)整體上升。在導向機構中包含高副的點線副。提升 機構中包含平行四連桿機構、旋轉副、圓柱副等。平移機構包含固定副、球面副、 虎克鉸（U型副）等。3推

14、開機制仿真推開機制包含的機構主要為平移機構，如圖6所示。平移機構在此時不同于提升機制的作用，不僅只作上下方向輔助的運動，要實現(xiàn)艙門沿外形曲線提升與機身 平行沿航向前方打開的作用。主鉸鏈機構此時也作為主要的運動機構，實現(xiàn)艙門的 軸向轉動的運動。推動內手柄機構，實現(xiàn)主鉸鏈機構的軸線轉動，在平移機構限定的軌跡下艙門 實現(xiàn)完整開啟。包含的運動副有：固定副、旋轉副、圓柱副、虎克鉸 (U型副)。結束語通過對艙門的機構運動進行仿真技術研究，指導相關工藝人員對ARJ21應急門進行機構運動仿真分析；設計部門提出對艙門的結構件發(fā)生更改時，通過仿真查看 艙門的整個運動過程中是否存在干涉；在ARJ21貨艙門開展相關仿真應用，使工藝 人員熟悉掌握貨艙門的機構運動原理，從而更好地指導現(xiàn)場工人調試安裝；在大客各種艙門簽圖前進行機構運動仿真，幫助工藝人員理清艙門機構運動原理，檢驗產 品設計是否合理，指導工藝人員進行產品的各種艙門的審圖工作。鑒于以上實用價值，民用飛機艙門機構運動仿真研究對制造部門具有重要意 義。通過對這種方法的研究，并將其在制造部門推廣讓更多工藝人員學習運用，能 減少飛機艙門安裝過程中遇到的問題。目前民用飛機艙門機構運動仿真研究還處于 初期階段，后續(xù)將采用專業(yè)性更強的機構運動仿真軟件ADMA研究，考慮艙門自身的重力及其他載荷的影