飛機多用途高空工作平臺多體動力學分析

摘要：本文以飛機多用途高空工作平臺為研究對象，運用MotionView/MotionSolve分析軟件建立了其多體動力學模型，并根據飛機多用途高空工作平臺的工作原理，建立了多種分析工況，對不同工況進行了運動仿真和傾翻特性研究，根據仿真結果對飛機多用途高空工作平臺進行設計改進。
關鍵詞：高空工作平臺，多體動力學，穩定性，模擬仿真

0 引言

飛機多用途高空工作平臺是飛機日常維護所需的重要保障設備，它可以滿足不同作業高度的升降需求。飛機多用途高空工作平臺主要用于飛機機身中高部、機翼下部、機翼前后緣、翼尖等多部位的維護；在專用拆裝設備的配合下，也可作為飛機RAT、環控系統預冷散熱器拆裝、維護的作業平臺。為了操作人員和飛機安全，飛機多用途高空工作平臺的設計需要考慮各種使用工況下的安全和穩定性。

本文以飛機多用途高空工作平臺為研究對象，運用MotionView/MotionSolve分析軟件建立了其多體動力學模型，并基于建模－對標－分析的完整建模流程，得到高精度的剛柔耦合動力學模型。根據飛機多用途高空工作平臺的工作原理，建立了多種分析工況，對不同工況進行了運動仿真和傾翻特性研究，根據仿真結果對飛機多用途高空工作平臺進行設計改進。

1 高空工作平臺多體動力學建模

1.1單位和坐標系

飛機多用途高空工作平臺的整個建模過程中，采用如下的單位制：毫米（mm）、千克（Kg）、秒（s）、牛頓（N）。飛機多用途高空工作平臺動力學模型的坐標系定義如下：整體坐標系為直角坐標系，坐標原點為高空工作平臺頂部的中心位置，X軸沿高空工作平臺構造水平線向前為正，Y軸在水平面內垂直于X軸向上為正，Z軸向上為正與X、Y軸構成右手坐標系，整個模型沿XZ平面對稱。

1.2 剛體動力學模型

剛體動力學建模首先要畫出飛機多用途高空工作平臺運動機構的拓撲關系圖，確定各零部件連接次序和方法，檢查運動系統的自由度，并基于原有設計的CATIA模型，整理貨艙門模型各零部件的質心，質量，慣量，鉸接點及定位點的坐標，形成EXCEL文件，將圖形轉換成H3D文件，整理高空工作平臺的各種運動輸入條件，拉桿、軸承、扭桿等元件的參數和特性曲線。為更加真實的反映各個運動副和物體的受力情況，剛體動力學模型中考慮了連接物體之間的摩擦力。摩擦力通過子系統的方式創建，在子系統中設置靜摩擦系數、動摩擦系數、動靜摩擦轉化速度和摩擦力作用半徑等參數。此外還定義了考核運動體的位移、速度、加速度、載荷及用戶自定義變量的輸出。飛機多用途高空工作平臺的剛體動力學模型如圖1所示。

圖 1 高空工作平臺的剛體動力學模型

1.3 剛柔耦合動力學模型

剛柔耦合模型的建模過程和剛體模型的建模過程類似，主要區別在于柔性體和鉸接的創建。飛機多用途高空工作平臺剛柔耦合模型首先生成各個部件的柔性體模型，總規模約20萬單元，生成柔性體所采用的有限元模型如圖2所示。將生成的柔性體集成到剛體動力學模型中，根據實際情況添加或修改物體之間的鉸接，并對相應的參數進行一定的調整，便可對飛機多用途高空工作平臺的運動過程進行仿真。仿真結果可以考察運動過程中各部件的應力和變形，也可考察多種工況下高空工作平臺運動情況的變化，如液壓作動筒輸出力的變化、運動協調性等。

圖 2 部件的有限元模型

2 高空工作平臺多體動力學分析

根據飛機多用途高空工作平臺的工作原理，建立了四種分析工況，分別為平地收起工況、平地伸出工況、斜坡收起工況和斜坡伸出工況。針對不同工況進行了動力學仿真，仿真結果給出了整個運動過程中各部件的應力分布和各部件之間的相互作用力，同時給出了液壓作動筒所應提供的輸出力。通過分析地面對高空工作平臺四個輪子的支撐力研究了該工作平臺的傾翻特性，從而為整個結構的強度校核和結構設計提供了一定的依據。

2.1平地收起工況

平地收起工況是指工作平臺的工作場地坡度為0，高空工作平臺完全收起，在工作平臺正中央施加3.92kN的額定載荷，工作平臺在液壓作動筒的作用下在30秒的時間內從距離地面2.5m處上升到距離地面7m處，在30-60秒的時間內從距離地面7m處下降到距離地面2.5m處。在整個運動過程中，不僅能夠得到各個物體的運動軌跡，還能夠得到各個物體所受到的載荷。圖3是高空工作平臺上升到最頂端時各部件的應力分布云圖，在整個運動過程中，應力的最大值為106.8MPa。圖4給出了在該工況下液壓作動筒所應提供的輸出載荷。圖5給出了在該工況下地面對各個輪子的支撐力，從圖中可以看出，地面對各個輪子的支撐力都為正值，說明在此工況在下工作平臺不會傾翻。

圖 3 平地收起工況下主要部件的應力分布

2.2 平地伸出工況

平地伸出工況是指工作平臺的工作場地坡度為0，高空工作平臺完全伸出，在工作平臺邊緣施加3.14kN的額定載荷，工作平臺在液壓作動筒的作用下在30秒的時間內從距離地面2.5m處上升到距離地面7m處，在30-60秒的時間內從距離地面7m處下降到距離地面2.5m處。圖6是高空工作平臺上升到最頂端時各部件的應力分布云圖，在整個運動過程中，應力的最大值為110.3MPa。圖7給出了在該工況下液壓作動筒所應提供的輸出載荷。圖8給出了在該工況下地面對各個輪子的支撐力，從圖中可以看出，地面對各個輪子的支撐力都為正值，說明在此工況在下工作平臺不會傾翻。

圖6 平地伸出工況下主要部件的應力分布

2.3 斜坡收起工況

斜坡收起工況是指工作平臺的工作場地坡度為5°，高空工作平臺完全收起，在工作平臺正中央施加3.92kN的額定載荷，工作平臺在液壓作動筒的作用下在30秒的時間內從距離地面2.5m處上升到距離地面7m處，在30-60秒的時間內從距離地面7m處下降到距離地面2.5m處。圖9是高空工作平臺上升到最頂端時各部件的應力分布云圖，在整個運動過程中，應力的最大值為107.6MPa。圖10給出了在該工況下液壓作動筒所應提供的輸出載荷。圖11給出了在該工況下地面對各個輪子的支撐力，從圖中可以看出，地面對各個輪子的支撐力都為正值，說明在此工況在下工作平臺不會傾翻。

圖 9 斜坡收起工況下主要部件的應力分布

2.4斜坡伸出工況

斜坡伸出工況是指工作平臺的工作場地坡度為5°，高空工作平臺完全伸出，在工作平臺邊緣施加3.14kN的額定載荷，工作平臺在液壓作動筒的作用下在30秒的時間內從距離地面2.5m處上升到距離地面7m處，在30-60秒的時間內從距離地面7m處下降到距離地面2.5m處。圖12是高空工作平臺上升到最頂端時各部件的應力分布云圖，在整個運動過程中，應力的最大值為110.9MPa。圖13給出了在該工況下液壓作動筒所應提供的輸出載荷。圖14給出了在該工況下地面對各個輪子的支撐力，從圖中可以看出，地面對各個輪子的支撐力都為正值，說明在此工況在下工作平臺不會傾翻。

圖 12 斜坡伸出工況下主要部件的應力分布

3 結論

本文運用MotionView/MotionSolve軟件建立了飛機多用途高空工作平臺的多體動力學模型，并根據其工作原理建立了四種分析工況，針對不同工況進行了動力學仿真，仿真結果給出了整個運動過程中各部件的應力分布和各部件之間的相互作用力。同時給出了液壓作動筒所應提供的輸出載荷，并通過分析地面對工作平臺四個輪子的支撐力研究了該工作平臺的傾翻特性，最終證明了該結構在強度和穩定性方面都能達到工作要求。

4 參考文獻
[1]洪嘉振. 計算多體系統動力學[M]. 北京:高等教育出版社,2002
[2]傅志方.模態分析理論與應用.上海：上海交通大學出版社，2000
[3]HyperWorks Reference Guide