1 概述
根据某型飞机总体技术方案要求，机身尾段43～44框间布置有红外／紫外扫描仪探测设备（以下简称探测设备），为同时满足其功能及安全防护要求，机身下部需增设一套保护舱门，探测设备工作时舱门顺利开启，探测设备休眠时舱门关闭对其进行保护。
为提高探测设备舱门设计水平并加快研制进度，通过借助HyperWorks软件中的多体仿真模块MotionView，对其建立了刚体系统仿真模型，验证了其运动原理，并以此为基础，将刚体部件替换为柔性体，得到了其运动过程中的应力及变形情况，验证了其强度、刚度，并作为进一步优化的依据。
2 探测设备舱门多体动力学模型
2.1刚体模型
刚体动力学模型采用CAD建模法，利用CATIA建立三维模型，并附之材料属性，然后将所有固联的零组件整合成子装配，测量每个子装配的质量特性及其之间运动副的连接点坐标，再将其作为MotionView中BODY的参数输入。而模型的外形通过MotionView自身功能将子装配转换成H3D文件，然后在生产Graphic时，直接以文件形式将H3D文件导入即可。最终模型由20个运动体，24个运动副组成。如图1所示。
图1 探测设备舱门刚体模型
2.2柔体模型
在己建立的刚体多体动力学模型基础上，将各刚体部件替换为柔性体。生成柔性体时，首先需要通过Hypermesh建立其有限元模型，而柔性体部件内部零组件之间的连接，在有限元建立阶段通过共节点或刚性单元固接。图2～图6是要建立柔性体部件的有限元模型。
图2 机架有限元模型
图3 中心轴一摇臂有限元模型
图4 调节拉杆有限元模型
图5 转轴-L型摆架有限元模型
图6 舱门有限元模型
采用模态综合法缩减模型自由度，提取有限元模型的前15阶模态进行柔性体建模，最终建立的柔性体多体动力学模型如图7所示。
图7 探测设备舱门柔性体模型
3 运动仿真
探测设备舱门按一个正常工作循环进行仿真，即打开舱门（0～30秒）一关闭舱门(30～60秒)，省略中间与舱门运动无关的工作过程。
通过*include(“子程序目录”)函数，将设置运动副摩擦系数的子程序读入主程序中。而外载荷按时间曲线输入，方向主要来自Y、Z（舱门外形轮廓与X方向近似平行，因此忽略此方向上的外载)，其力值大小根据打开过程中舱门在外载方向上的投影面积进行折算。最终可将舱门运动仿真过程分为以下两个工况。
3.1工况I(侧风顺Z轴正向)
当侧风载荷顺着Z轴正向袭来时，对于对称打开的舱门而言，可认为外载施加于右侧门页（图7），而左侧门页受到前者遮挡而不受力，因此其载荷曲线可按图8输入。
图8.1 右侧门页Y向载荷曲线
图8.2 右侧门页Z向载荷曲线
图8.3 左侧门页Y向载荷曲线
3.2工况II（侧风逆Z轴正向）
当侧风载荷逆着Z轴正向袭来时，对于对称打开的舱门而言，可认为外载施加于左侧门页（图7），而右侧门页受到前者遮挡而不受力，因此其载荷曲线可按图9输入。
图9.1 右侧门页Y向载荷曲线
图9.2 左侧门页Y向载荷曲线
图9.3 左侧门页Z向载荷曲线
4 计算结果
本报告多体分析计算使用Altair MotionSolve程序进行。
报告仅给出探测设备舱门在运动过程中，主要数值曲线图及关键部件应力应变云图。
4.1数值曲线图
4.1.1电动机构负载力矩曲线
电动机构负载力矩曲线见图10，其中虚线为工况I力矩曲线，实线为工况II力矩曲线，横轴表示时间，纵轴表示电机负载力矩值，并规定负载力矩顺航向逆时针旋转为正，反之为负向。对比两曲线后可知，舱门打开与关闭过程中，最大负载力矩均出现在工况II，对应时间分别为19.5秒，40.5秒，力矩值分别为27574.8N．mm，27419.5N．mm。另外舱门打开时，在21.3秒之前，负载力矩对舱门开启呈阻力矩，在21.3秒之后，负载力矩对舱门开启呈牵引力矩；舱门关闭时，在38.7秒之前，负载力矩对舱门开启呈阻力矩，在38.7秒之后，负载力矩对舱门开启呈牵引力矩。
图10 电动机构负载力矩值曲线
4.1.2时间一角度曲线
时间一角度曲线如图11所示，其中实线为电动机构角度曲线，虚线为右侧舱门角度曲线，双点划线为左侧舱门角度曲线。由图11可知，两侧舱门打开角度近似相等，约为143.2°，而且两条曲线近似拟合，说明两者同步性较好。另外，在舱门开启末尾阶段，两侧舱门的角度曲线比较平稳，这说明舱门开启角度对电动机转过的角度不敏感，开启机构比较稳健，这种特性非常关键，可有效避免电动机构角度误差或波动对舱门打开角度的影响。
图11 时间一角度曲线
4.2柔性体应力及变形云图
本节给出的应力及变形云图，为两种工况中较大的情况。
4.2.1机架应力及变形云图
机架的最大应力出现在工况II的连接板上，其值为87.91Mpa。机架的最大变形出现在工况II的止动套筒上，其值为0.56mm。
图12 机架应力及变形云图
4.2.2中心轴一摇臂应力及变形云图
中心轴一摇臂的最大应力及变形均出现在工况II的摇臂上，其值分别为257.92Mpa，0.07mm。
图13 中心轴一摇臂应力及变形云图
4.2.3调节拉杆应力及变形云图
调节拉杆的最大应力及变形均出现在工况I的舱门右侧第二调节拉杆上，其值分别为246.71Mpa,0.1mm。
图14 调节拉杆应力及变形云图
4.2.4转轴-L型摆架应力及变形云图
舱门左侧转轴-L型摆架组件在工况II时应力出现最大值，其值为131.93Mpa，而最大变形出现在工况I右侧转轴-L型摆架组件上，其值为0.1mm。
图15 转轴-L型摆架应力及变形云图
4.2.5舱门应力及变形云图
舱门的最大应力及变形均出现在工况I右侧舱门的合页上，其值分别为26.419Mpa，0.025mm。
图16 舱门应力及变形云图
5 电机负载力矩值及舱门开启角度校核
5.1校核标准
按照Y7Ⅲ-XZ04-812《MA60型飞机H状态红外／紫外扫描仪舱门电动机构技术协议书》的规定，电动机构设计输出力矩值为48000N．mm，取许用力矩值Fb为48000N．mm。力矩值剩余系数η=Fb/Fμ，其中Fμ是计算力矩值。按照Y7Ⅲ-JT04-506《MA60型飞机H状态红外／紫外扫描仪舱门安装技术条件》的规定，两侧舱门打开角度不小于13°，取许用角度为135°。
5.2校核结果
表1 力矩校核结果
表2 角度校核结果
6 舱门强度刚度校核
6.1卫校核标准
材料性能取自《工程材料实用手册》第3册，强度校核公式取自《飞机设计手册》第9册。零部件强度校核公式为η=σb/σν，其中σb是强度极限，σν是单元的Von Mises综合应力，η是剩余强度。
6.2强度校核结果
表3 各部件强度校核结果
6.3刚度校核结果
表4 各部件刚度校核结果
7 结论
本文应用Hyperworks软件中的MotinView模块，对探测设备舱门进行了多体动力学分析，理清了其运动机理，验证了机构设计的合理性，并分析了舱门的受力特性，评估了舱门的设计性能，包括电动机构负载力矩值，舱门开启角度，各零部件运动过程中的应力应变及相对变形，有效提高了产品的设计水平，显著缩短了产品的研发周期。
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