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飞机多用途高空工作平台多体动力学分析 |
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作者：张森 童丽飞 |
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摘要：本文以飞机多用途高空工作平台为研究对象，运用MotionView/MotionSolve分析软件建立了其多体动力学模型，并根据飞机多用途高空工作平台的工作原理，建立了多种分析工况，对不同工况进行了运动仿真和倾翻特性研究，根据仿真结果对飞机多用途高空工作平台进行设计改进。
关键词：高空工作平台，多体动力学，稳定性，模拟仿真
0 引言
飞机多用途高空工作平台是飞机日常维护所需的重要保障设备，它可以满足不同作业高度的升降需求。飞机多用途高空工作平台主要用于飞机机身中高部、机翼下部、机翼前后缘、翼尖等多部位的维护；在专用拆装设备的配合下，也可作为飞机RAT、环控系统预冷散热器拆装、维护的作业平台。为了操作人员和飞机安全，飞机多用途高空工作平台的设计需要考虑各种使用工况下的安全和稳定性。
本文以飞机多用途高空工作平台为研究对象，运用MotionView/MotionSolve分析软件建立了其多体动力学模型，并基于建模－对标－分析的完整建模流程，得到高精度的刚柔耦合动力学模型。根据飞机多用途高空工作平台的工作原理，建立了多种分析工况，对不同工况进行了运动仿真和倾翻特性研究，根据仿真结果对飞机多用途高空工作平台进行设计改进。
1 高空工作平台多体动力学建模
1.1单位和坐标系
飞机多用途高空工作平台的整个建模过程中，采用如下的单位制：毫米（mm）、千克（Kg）、秒（s）、牛顿（N）。飞机多用途高空工作平台动力学模型的坐标系定义如下：整体坐标系为直角坐标系，坐标原点为高空工作平台顶部的中心位置，X轴沿高空工作平台构造水平线向前为正，Y轴在水平面内垂直于X轴向上为正，Z轴向上为正与X、Y轴构成右手坐标系，整个模型沿XZ平面对称。
1.2 刚体动力学模型
刚体动力学建模首先要画出飞机多用途高空工作平台运动机构的拓扑关系图，确定各零部件连接次序和方法，检查运动系统的自由度，并基于原有设计的CATIA模型，整理货舱门模型各零部件的质心，质量，惯量，铰接点及定位点的坐标，形成EXCEL文件，将图形转换成H3D文件，整理高空工作平台的各种运动输入条件，拉杆、轴承、扭杆等元件的参数和特性曲线。为更加真实的反映各个运动副和物体的受力情况，刚体动力学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。飞机多用途高空工作平台的刚体动力学模型如图1所示。
图 1 高空工作平台的刚体动力学模型
1.3 刚柔耦合动力学模型
刚柔耦合模型的建模过程和刚体模型的建模过程类似，主要区别在于柔性体和铰接的创建。飞机多用途高空工作平台刚柔耦合模型首先生成各个部件的柔性体模型，总规模约20万单元，生成柔性体所采用的有限元模型如图2所示。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，便可对飞机多用途高空工作平台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，也可考察多种工况下高空工作平台运动情况的变化，如液压作动筒输出力的变化、运动协调性等。
图 2 部件的有限元模型
2 高空工作平台多体动力学分析
根据飞机多用途高空工作平台的工作原理，建立了四种分析工况，分别为平地收起工况、平地伸出工况、斜坡收起工况和斜坡伸出工况。针对不同工况进行了动力学仿真，仿真结果给出了整个运动过程中各部件的应力分布和各部件之间的相互作用力，同时给出了液压作动筒所应提供的输出力。通过分析地面对高空工作平台四个轮子的支撑力研究了该工作平台的倾翻特性，从而为整个结构的强度校核和结构设计提供了一定的依据。
2.1平地收起工况
平地收起工况是指工作平台的工作场地坡度为0，高空工作平台完全收起，在工作平台正中央施加3.92kN的额定载荷，工作平台在液压作动筒的作用下在30秒的时间内从距离地面2.5m处上升到距离地面7m处，在30-60秒的时间内从距离地面7m处下降到距离地面2.5m处。在整个运动过程中，不仅能够得到各个物体的运动轨迹，还能够得到各个物体所受到的载荷。图3是高空工作平台上升到最顶端时各部件的应力分布云图，在整个运动过程中，应力的最大值为106.8MPa。图4给出了在该工况下液压作动筒所应提供的输出载荷。图5给出了在该工况下地面对各个轮子的支撑力，从图中可以看出，地面对各个轮子的支撑力都为正值，说明在此工况在下工作平台不会倾翻。
图 3 平地收起工况下主要部件的应力分布
2.2 平地伸出工况
平地伸出工况是指工作平台的工作场地坡度为0，高空工作平台完全伸出，在工作平台边缘施加3.14kN的额定载荷，工作平台在液压作动筒的作用下在30秒的时间内从距离地面2.5m处上升到距离地面7m处，在30-60秒的时间内从距离地面7m处下降到距离地面2.5m处。图6是高空工作平台上升到最顶端时各部件的应力分布云图，在整个运动过程中，应力的最大值为110.3MPa。图7给出了在该工况下液压作动筒所应提供的输出载荷。图8给出了在该工况下地面对各个轮子的支撑力，从图中可以看出，地面对各个轮子的支撑力都为正值，说明在此工况在下工作平台不会倾翻。
图6 平地伸出工况下主要部件的应力分布
2.3 斜坡收起工况
斜坡收起工况是指工作平台的工作场地坡度为5°，高空工作平台完全收起，在工作平台正中央施加3.92kN的额定载荷，工作平台在液压作动筒的作用下在30秒的时间内从距离地面2.5m处上升到距离地面7m处，在30-60秒的时间内从距离地面7m处下降到距离地面2.5m处。图9是高空工作平台上升到最顶端时各部件的应力分布云图，在整个运动过程中，应力的最大值为107.6MPa。图10给出了在该工况下液压作动筒所应提供的输出载荷。图11给出了在该工况下地面对各个轮子的支撑力，从图中可以看出，地面对各个轮子的支撑力都为正值，说明在此工况在下工作平台不会倾翻。
图 9 斜坡收起工况下主要部件的应力分布
2.4斜坡伸出工况
斜坡伸出工况是指工作平台的工作场地坡度为5°，高空工作平台完全伸出，在工作平台边缘施加3.14kN的额定载荷，工作平台在液压作动筒的作用下在30秒的时间内从距离地面2.5m处上升到距离地面7m处，在30-60秒的时间内从距离地面7m处下降到距离地面2.5m处。图12是高空工作平台上升到最顶端时各部件的应力分布云图，在整个运动过程中，应力的最大值为110.9MPa。图13给出了在该工况下液压作动筒所应提供的输出载荷。图14给出了在该工况下地面对各个轮子的支撑力，从图中可以看出，地面对各个轮子的支撑力都为正值，说明在此工况在下工作平台不会倾翻。
图 12 斜坡伸出工况下主要部件的应力分布
3 结论
本文运用MotionView/MotionSolve软件建立了飞机多用途高空工作平台的多体动力学模型，并根据其工作原理建立了四种分析工况，针对不同工况进行了动力学仿真，仿真结果给出了整个运动过程中各部件的应力分布和各部件之间的相互作用力。同时给出了液压作动筒所应提供的输出载荷，并通过分析地面对工作平台四个轮子的支撑力研究了该工作平台的倾翻特性，最终证明了该结构在强度和稳定性方面都能达到工作要求。
4 参考文献
[1]洪嘉振. 计算多体系统动力学[M]. 北京:高等教育出版社,2002
[2]傅志方.模态分析理论与应用.上海：上海交通大学出版社，2000
[3]HyperWorks Reference Guide(end)
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(12/31/2013) |
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