完美实例讲解：飞机舱门研发的cae仿真应用

飞机的闭合系统是由多个零部件组成的复杂系统。无论是直升机还是其它类型飞机，舱门都需要具有开门、关门和紧急情况下工作等功能。针对不同的产品，我们不能使用相同的设计方案。舱门系统是根据各个飞机尺寸和政府法规设计的，整个研发过程需要平衡不同的需求。闭合系统的设计不但要求可靠工作，而且需要轻量设计。另外，设计方案必须充分满足客户的需求，甚至这些需求会发生变化。同时，还要保证产品研发过程与客户项目关键时间节点保持同步。一般来说，设计方案必须考虑结构可靠性、包装、重量、加工性和成本要求。具体来说，工程师使用与约束协调的目标评估舱门的结构和运动特性以考察舱门的使用寿命和紧急情况的安全性。欧直公司cae仿真工具通过反复设计分析流程虚拟地评估设计方案的性能与可靠性。解决方案加速研发具体到舱门系统，需要考察舱门本身以及舱门与机身接口结构的性能。舱门由门框、梁和帮助提高舱门密封性能的门边组件构成，接口结构由限位臂、导引臂和机身接口支撑臂构成。此外舱门系统还包括导辊和密封件等其它零件。研发部门首先完成基础设计以达到客户的要求，特别是材料类型和重量范围。我们的设计开始于一个独立的舱门，然后收到客户更加详细的数据，如飞行载荷和机身规格等，以便进行舱门细设计。由客户及公司设定的评估方法一般是复杂的。对于不同零件，我们评估项目包括结构应力状态以及屈曲和刚度稳定性。所有零件都必须满足应力测试试验，同时我们会提供一份舱门验证报告。欧直公司具有一套包含密封、气动和制动负载分别在内舱门整体性能分析的稳定性标准。此外，所有零件必须满足屈曲、破坏和铆钉屈曲等稳定性要求。部分零件还要满足额外的刚度需求，例如，与机身的接口必须承受来包括导辊、铰链臂以及支架在内舱门的重量。限位臂必须能够承受舱门作用到机身上（或机身作用到舱门上）的所有载荷。与此同时，我们还进行了运动学分析。门框必须能够承受舱门开启时的动载。然而，动载的变化将引起接口所受载荷的变化并对结构造成一定的影响。因此要同步进行结构和运动学分析，以满足两者的性能要求。图1工程师应用仿真技术分析舱门组件受力和应力状态灵活的cae仿真飞机舱门的整个评估过程在软件中可表示为一个"优化”任务/循环。舱门系统定义为设计空间。在2D模型中，指定不同壳单元厚度为设计变量。优化的目标是减轻结构重量，但必须保证各个组件都要满足设计要求。这些要求以约束的形式体现，如所选工况下的刚度和应力大小。同时也考虑最大壳厚度和材料类型等加工制造约束。这在系统优化或单一结构优化时是有效的。项目进程中，我们开发了三种有限元模型（FEMs）：（1）包含全部零件的整体有限元模型，它是由飞机生产商提供的、简化的模型；（2）中间有限元模型，主要用来评估工况，这些模型包含了更多的细节；（3）详细有限元模型，用于强度分析和局部结构分析。根据组件的构成，我们为其定义连接单元和材料，然后选择分析类型。Altair建模和可视化工具一HyperMesh和HyperView，能帮助我们快速响应设计规范和负载变动并进行快速修改。我们先前的前后处理工具无法实现这种快速响应。在产品研发流程中整合AltairHyperWorks工具的另一主要驱动力是它能保证我们按时完成研发任务在此过程中，我们还发现了该软件的定制功能。比如，在舱门整体系统创建过程中，我们应用HyperWorks的脚本语言进行批处理网格划分和具体分析和求解模型组织过程的自动化。根据我们的工作流程和具体研发环境量身定制的HyperWorks具有多个好处。比如，通过创建专有数据库，我们将活动更多的模型控制参数。同时HyperWorks提供统一的前后处理环境。总之，这些优势为缩短我们的。人£研发周期做出了重大贡献。舱门支撑臂优化除了使用cae仿真工具的强度工程师，欧直公司的工程师团队还包括优化专家，他们的工作是评估舱门和零部件的优化设计。一个典型的例子是最近的仙童-道尼尔728型飞机舱门支撑臂设计。应用Altair结构优化软件，工程师们获得了约为20%的减重设计。通过应用AltairOptiStruct拓扑优化技术，工程师能够在不进行多种CAD设计方案开发、评估和反复迭代情况下结合产品性能和设计目标完成概念设计舱门铰链最初设计是由OptiStruct综合舱门锁定、紧急开门和敲击三个工况给出的最大刚度方案。与此同时，优化过程中考虑了支撑臂的拔模约束，以便获得一个可实际生产的结构。然后在满足所有工况和最大许用应力状态下优化肋结构的形状和尺寸，进一步减轻结构重量。由此带来的结果令人倍受鼓舞的，欧直公司在不降低舱门支撑臂刚度的情况下减少约20%的结构重量。此外，研发和验证新型支撑臂结构的时间从三个月缩短至三个星期。与此同时，欧直公司还将优化工具成功应用到其它项目中，如工程师进行了支线喷气式飞机舱门限位支架和铰链臂仿真分析以及整个舱门系统轻量优化设计.、①8AO.苍U.SW」OM&S①_岩奇、、§£¥