设计仿真 | 生产制造中飞机零部件翻转装置的优化设计

马来西亚复合材料技术研究有限公司（CTRM）是全球复合材料航空结构供应链的一部分，为世界上主要的商用飞机制造商提供服务。该公司在航空航天和复合材料工业中发挥着战略作用，并将其业务多元化到复合材料飞机内饰、飞机座椅和运输领域。

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工业挑战

作为生产过程的一部分，CTRM需要对制造的每个部件进行彻底的物理测试，以确保它们符合严格的标准。对于由复合材料制成的部件来说尤其如此。为了确保测试过程极其细致和准确，每个部件都需要从所有可能的角度进行所要求的扫描测试。这意味着每个部件都需要有180度的翻转、旋转等，以确保扫描机器能够扫描该部件的任何部分，并确保所有数据和测量都被捕获和记录。 

翻转这些部件非常具有挑战性，尤其是因为其中一些部件，例如飞机风扇罩，可能重达70公斤。因此，即使是部署了五个人来翻转这些部件，如图1，翻转操作也并不容易。

图1 将大型复合材料零件翻转180°

此外，手动翻转操作也可能会损坏产品，因为它可能被撞倒或碰触和划伤表面，从而损坏零件。由于这些零件不是按人体工程学来设计的，在很大程度上是笨重的，不容易被抓握或翻转。然而，在将每个部件发送给OEM之前，对其进行测试和认证又是至关重要的。

该公司希望通过设计一种翻转装置来实现翻转过程的机械化，该翻转装置可根据测试要求来翻转测试部件。

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解决方案

系统及所有程序安装完成后进行开发环境设置：

进入Dytran Explorer界面，点击Tools下的Options按钮，进入选项窗口，设置编译环境所需的组件路径。

设计团队首先尝试使用通用的开源软件来设计一个翻转装置，虽然该软件只有一些基本功能来实现设计概念，但它在一些方面存在不足。因此，最初的方案是基于开源软件和手工计算设计的，如图2。它有四个用于翻转的气动作动器，两个用于上下滑动的电机，两个位于翻转器两侧的平衡器，以减少作动器负载，以及四个磁性夹具。该设计存在几个问题，并且不是最佳的。它有太多的作动器，使得制造成本很高。另外它还配备了不必要的冗余电机，这不仅增加了成本，而且还带来了异步运动的问题。

图2 第一个设计方案，制造成本太高

然后，设计团队使用Adams设计了第二个方案，如图3。Adams是一款多体动力学仿真软件，验证和优化机构运动方案非常有效。在本案例中，翻转装置运动部件之间使用连接器进行连接，运动施加于平衡器和作动器。此外，在翻板和作动器臂之间施加接触，以验证作动器中的力。这有助于确认气动作动器中的驱动力足以满足提升测试部件所需的负载要求。

图3 第二个设计方案，仍有足够的改进空间

第二个设计方案在许多方面都比第一个方案有明显的改进。与第一个方案中的两个电机不同，第二种方案中消除了冗余设计，只有一个电机与齿轮箱一起上下滑动。此外，第二个方案只有两个用于翻转的气动作动器。

在接下来的设计迭代中，使用Patran和MSC Nastran以及来自Adams的荷载进行分析，以计算各种应力以及所有应力的安全系数。需要分析四种类型的应力-拉伸、压缩、局部屈曲和临界应力，每种应力都要进行测试以确认测试是否通过或失败。使用该分析的结果，开发了第三个设计方案，如图4和图5。方案采用了一些变化。例如翻转枢轴线靠近零件重心（CG），以减少作动器臂的运动并提供更大的支撑。这也有助于提高稳定性，避免使用磁性夹具。该团队还使用铰链来进一步改进设计。

图4 第三个设计方案

图5 翻转装置最终的设计方案及实际的测试应用

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客户收益

通过将Adams多体动力学模拟、Patran进行有限元分析（FEA）的前/后处理，以及MSC Nastran进行FEA的组合，设计团队能够构建一个具有高安全系数高度优化的翻转装置设计。事实上，第三次设计迭代的安全系数比第二次设计迭代提高了23倍。它不仅在功能上令人满意，结构上也很健全，而且重量比第一次设计小了15%。同时，最终的设计方案有助于节省材料成本，并有助于防止冗余设计。