某飛機(jī)前風(fēng)擋玻璃構(gòu)型設(shè)計(jì)

【摘要】本文介紹某型飛機(jī)駕駛艙前風(fēng)擋玻璃的結(jié)構(gòu)構(gòu)型、受力層和保護(hù)層的選材、電加溫層的選型，結(jié)合抗鳥撞仿真與抗鳥撞試驗(yàn)，論證了某型機(jī)的駕駛艙前風(fēng)擋玻璃設(shè)計(jì)的合理性。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)擋玻璃；電加溫；抗鳥撞

飛機(jī)駕駛艙風(fēng)擋玻璃要求有良好的光學(xué)性能，有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及長(zhǎng)壽命，以保證駕駛員的正常工作和安全。玻璃不僅要承受駕駛艙內(nèi)外壓差造成的結(jié)構(gòu)載荷，同時(shí)要承受各種飛行條件下瞬時(shí)的或長(zhǎng)時(shí)間的熱影響，對(duì)于風(fēng)擋玻璃還有防冰和防霧要求以及抵御飛鳥撞擊能力。

一、前風(fēng)擋玻璃

1.玻璃結(jié)構(gòu)型式的選擇

由于前風(fēng)擋玻璃有防冰要求以及抵御飛鳥撞擊能力，故只能選用層和玻璃，由外到內(nèi)分別為保護(hù)層、電加熱層、受力層。層和玻璃設(shè)計(jì)要考慮材料之間的相互匹配性，材料是否通過(guò)鑒定及使用，使用工藝性及使用成本等。

受力層為單層，工藝簡(jiǎn)單，制作成本較低；受力層為多層，工藝稍復(fù)雜，制作成本較高，但破損安全性高。傾向選用層合玻璃作為受力層。

2.受力基層材料的選擇

硅酸鹽玻璃耐熱，耐介質(zhì)，表面硬度高，適用于加熱嚴(yán)重、有耐磨損和除冰要求的部位。玻璃在通常的溫度范圍內(nèi)是脆性材料，沒(méi)有屈服點(diǎn)，也不產(chǎn)生蠕變，斷裂前無(wú)明顯變形。對(duì)缺口和應(yīng)力集中非常敏感，表面劃傷、磨損或邊部缺口會(huì)使強(qiáng)度大大降低。

而用物理或化學(xué)方法增強(qiáng)的硅酸鹽玻璃，其表面存在高的壓縮應(yīng)力，使材料的強(qiáng)度和耐熱沖擊性能顯著提高，物理鋼化玻璃的強(qiáng)度比退火玻璃高2-3倍，化學(xué)鋼化玻璃的強(qiáng)度比退火玻璃高6-7倍。故選擇航空用增強(qiáng)硅酸鹽玻璃（普通鋼化玻璃）作為受力層。

3.保護(hù)層材料的選擇

保護(hù)層主要用于抵御飛鳥撞擊，保護(hù)電加熱層的使用安全，保證玻璃的破損安全性。普通鋼化玻璃抗熱沖擊性能好，由于鋼化玻璃破壞時(shí)碎片近似呈立方體顆粒，鋼化程度愈高顆粒愈小，全鋼化玻璃破裂后能見(jiàn)度很低，半鋼化玻璃破裂后則能見(jiàn)度較好。故選擇半鋼化玻璃作為保護(hù)層。

4.電加溫層的選擇

目前電加溫層的形式有三種。氧化錫膜，膜層牢固，鍍膜工藝簡(jiǎn)單，但均勻性稍差；氧化銦錫膜，膜層牢固，均勻性好，電阻范圍寬，但成本較高；電阻絲，均勻性好，但工藝復(fù)雜，容易產(chǎn)生折光現(xiàn)象。氧化錫膜工藝成熟，成本低，在國(guó)內(nèi)外飛機(jī)上的應(yīng)用較多，故傾向于選擇氧化錫膜作為電加溫層。

5.中間層（膠合層）材料的選擇

考慮材料之間的相互匹配性、使用條件及耐久性，膠合層選擇改性PVB中間膜（改性聚乙烯醇縮丁醛中間膜），具有較好的粘接力和耐久性，使用溫度在-60o～140o之間。符合標(biāo)準(zhǔn)《聚乙烯醇縮丁醛（813）中間膜》，厚度為2mm。

6.包邊材料的選擇

考慮材料的使用條件及耐久性，使用成熟的程度，選擇GS系列包邊材料。GS系列包邊材料是聚乙烯醇縮丁醛樹(shù)脂及填料加熱擠壓而成。可以熱成形，適用于聚乙烯醇縮丁醛中間膜制成的夾層玻璃包邊，工藝稍復(fù)雜。使用溫度在-60o～140o之間。強(qiáng)度較其它包邊材料高，耐久性高，絕緣性好。

二、玻璃靜強(qiáng)度計(jì)算

風(fēng)擋玻璃的厚度根據(jù)邊界約束的簡(jiǎn)單應(yīng)力和玻璃曲板方程確定，載荷通常考慮內(nèi)部壓力和氣動(dòng)力的聯(lián)合作用，鳥撞載荷是決定玻璃厚度的主要因素。初步確定風(fēng)擋玻璃材料均為外層為半鋼化玻璃δ4mm，受力層為兩層普通鋼化玻璃δ10mm復(fù)合，膠合層δ2mm，共計(jì)厚度δ30mm，承力層按δ20mm考慮。

1.載荷條件

承受駕駛艙內(nèi)外壓差造成的氣密載荷 2ΔP=0.92Kg/cm2

2.邊界條件

三、玻璃鳥撞設(shè)計(jì)仿真

對(duì)前風(fēng)擋玻璃及玻璃支撐骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行適度簡(jiǎn)化，對(duì)模型相關(guān)細(xì)節(jié)進(jìn)行刪除，如倒角等，并對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽殼處理。將簡(jiǎn)化好的模型導(dǎo)入Visual-mesh前處理軟件。對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。

對(duì)風(fēng)擋玻璃中部進(jìn)行鳥撞仿真后得出：風(fēng)擋玻璃撞擊發(fā)生后，鳥體的動(dòng)能逐漸減少并趨于穩(wěn)定，風(fēng)擋玻璃的內(nèi)能在1.6ms增加至峰值后呈現(xiàn)振蕩衰減的趨勢(shì)，這是由于撞擊過(guò)程中鳥體對(duì)風(fēng)擋玻璃做功使其動(dòng)能增加，之后風(fēng)擋玻璃的振蕩周期較長(zhǎng)。風(fēng)擋玻璃產(chǎn)生撞擊部位的塌陷變形，變形能迅速增加，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看玻璃的變形較大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，撞擊開(kāi)始的10ms內(nèi)玻璃并未發(fā)生塑性變形。風(fēng)擋玻璃在撞擊部位產(chǎn)生了大變形塌陷，撞擊點(diǎn)最大位移為13.5mm，風(fēng)擋玻璃結(jié)構(gòu)均未產(chǎn)生破壞，滿足抗鳥撞設(shè)計(jì)要求。

四、玻璃鳥撞試驗(yàn)

風(fēng)擋玻璃抗鳥撞試驗(yàn)按照GJB 2464A—2007及CCAR-25中的要求，試驗(yàn)所用及前風(fēng)擋玻璃及其支撐骨架、連接骨架接頭為真實(shí)裝機(jī)狀態(tài)。

試驗(yàn)件安裝及其放置角度模擬飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)，炮管軸線相對(duì)于機(jī)身軸線為：0o俯仰角，0o偏航角。鳥彈撞擊試驗(yàn)件彈著點(diǎn)位于玻璃中心，經(jīng)1.8kg的鳥彈以530Km/h撞擊后，撞擊中心點(diǎn)產(chǎn)生15.6mm的位移，玻璃開(kāi)裂未穿透，內(nèi)層有極微量掉渣，屬安全破損。對(duì)比仿真與試驗(yàn)可知，由于主風(fēng)擋玻璃為多層結(jié)構(gòu)，模擬其狀態(tài)需要冗繁的數(shù)據(jù)，玻璃安裝形式在仿真時(shí)也進(jìn)行了簡(jiǎn)化，綜合上述因素，導(dǎo)致仿真與試驗(yàn)之間存在一定差異。通過(guò)鳥撞試驗(yàn)驗(yàn)證了前風(fēng)擋玻璃能滿足GJB 2464A—2007及CCAR-25中的相關(guān)要求。

五、結(jié)論

從工藝性、載荷情況、疲勞耐久性、加工成本等方面考慮，前風(fēng)擋玻璃選用三層復(fù)合玻璃，外層為半鋼化玻璃δ4mm；受力層為兩層普通鋼化玻璃δ10mm復(fù)合；膠合層為改性PVB中間膜（改性聚乙烯醇縮丁醛中間膜）δ2mm，共計(jì)厚度δ30mm，邊緣厚度δ20mm。玻璃的光學(xué)性能、環(huán)境要求，物理性能、抗鳥撞能力均可滿足要求。