某型直升機(jī)風(fēng)擋玻璃的拉伸斷裂試驗(yàn)研究

祝家奇

（江西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330063）

風(fēng)擋玻璃一般占據(jù)了直升機(jī)前部80%以上的迎風(fēng)面，易在外來(lái)物沖擊的影響下產(chǎn)生裂紋、劃痕等故障，因此在維護(hù)工作中經(jīng)常需要拆裝更換。在安裝更換的過(guò)程中，某型直升機(jī)的風(fēng)擋玻璃需要進(jìn)行夾持和鉆孔，在此過(guò)程中有機(jī)玻璃可能會(huì)產(chǎn)生不易被發(fā)現(xiàn)的缺陷。

許坤[1]發(fā)現(xiàn)，在飛機(jī)客艙玻璃的使用維護(hù)中經(jīng)常出現(xiàn)銀紋損傷，并且銀紋損傷具有隱蔽性，必須在一定角度和光線(xiàn)下才能被發(fā)現(xiàn)，在維護(hù)過(guò)程中易被忽略而留下安全隱患。姜英杰、劉百新[2]研究發(fā)現(xiàn)，銀紋的出現(xiàn)會(huì)直接影響玻璃的性能，在外力的作用下會(huì)擴(kuò)展成裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致材料斷裂失效。謝曉斌[3]認(rèn)為，有機(jī)玻璃的銀紋缺陷與其安裝緊固方式有關(guān)，合適的緊固方式能有效減少缺陷的產(chǎn)生。王啟超、姜東曉、李佳旺等人[4]研究了有機(jī)玻璃鉆孔加工工藝對(duì)材料的損傷影響，發(fā)現(xiàn)鉆孔產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)影響有機(jī)玻璃可靠性。

從這些學(xué)者的研究中可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)擋玻璃在維護(hù)過(guò)程中的維護(hù)工藝會(huì)影響PMMA玻璃的力學(xué)性能。許多研究者都通過(guò)力學(xué)拉伸試驗(yàn)研究有機(jī)玻璃的力學(xué)性能[5-6]，該文通過(guò)拉伸試驗(yàn)研究螺栓孔和預(yù)緊力對(duì)有機(jī)玻璃的拉伸斷裂行為的影響。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試樣

試驗(yàn)材料選擇PMMA有機(jī)玻璃，先將原材料切割成230mm×45mm×10mm的長(zhǎng)方體樣件，再按《航空有機(jī)玻璃拉伸疲勞試驗(yàn)方法》（GJB 2033—1994）中缺口試樣要求進(jìn)行加工，如圖1所示。為達(dá)到材料的粗糙度要求，切割后的材料要對(duì)加工面進(jìn)行精磨。

圖1 缺口試樣（單位：mm）

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

模擬維修中對(duì)有機(jī)玻璃進(jìn)行鉆孔和夾持，將制得的缺口試樣進(jìn)行鉆孔和壓制，得到缺陷樣件。使用臺(tái)鉆和臺(tái)虎鉗分別制得孔陷試樣和壓陷試樣?？紫菰嚇樱菏褂脛澗€(xiàn)定位法找到缺口試樣的中心點(diǎn)，使用臺(tái)鉆以655圈/min的鉆速分兩次完成制孔。第一次使用2.5mm的鉆頭（約為螺栓孔徑的3/4）制出初孔，再以3.4mm的鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，得到孔陷樣件。壓陷試樣：使用臺(tái)虎鉗和均壓板以147.4N·m的力矩（最大安裝力矩為44.2N·m）壓制缺口試樣，得到壓陷試樣。

材料的力學(xué)試驗(yàn)采用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)3個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如圖2所示。在拉伸之前需要對(duì)引伸計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定量為50mm，然后對(duì)3個(gè)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)直至斷裂，得到變形量與拉伸載荷的關(guān)系。

圖2 拉伸試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)3種試樣，即缺口樣件（命名為QX）、孔陷樣件（命名為ZX）和壓陷樣件（命名為YX）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，孔陷樣件的拉伸極限載荷最高，缺口樣件次之，壓陷樣件最低。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，孔陷樣件的拉伸極限載荷為9046N，缺口樣件的極限載荷為8624N，孔陷樣件比缺口樣件拉伸載荷提高了4.8%。而壓陷樣件的拉伸極限載荷為7226N，壓陷樣件比缺口樣件拉伸載荷降低了16%。拉伸試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算公式計(jì)算得到工程應(yīng)力和工程應(yīng)變率，如圖4所示。由圖4可知，材料主要發(fā)生的是脆性斷裂，從曲線(xiàn)看沒(méi)有明顯的屈服，在達(dá)到拉伸強(qiáng)度極限后突然發(fā)生斷裂。從斜率上看，壓陷試樣的斜率最低，其在失效過(guò)程中的脆性失效比其他兩個(gè)試件更明顯。缺口試件的斜率最大，其在失效過(guò)程中的塑性變形更明顯。在拉伸斷裂的過(guò)程中，3種材料的變形量均隨著拉應(yīng)力的增加而近似線(xiàn)性增加，說(shuō)明材料沒(méi)有明顯的蠕變現(xiàn)象和準(zhǔn)靜態(tài)裂紋的產(chǎn)生。在材料快要斷裂時(shí)，變形量迅速上升，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展速度增加，其中孔陷樣件的變化最明顯，缺口樣件次之，壓陷樣件基本無(wú)變化。前兩者在斷裂過(guò)程中，裂紋擴(kuò)展速率均由慢向快轉(zhuǎn)變，而壓陷樣件一直處于快速擴(kuò)展階段。

圖3 拉伸極限載荷

圖4 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

分析認(rèn)為，鉆孔導(dǎo)致孔周材料產(chǎn)生殘余應(yīng)力，較大的殘余應(yīng)力使材料在拉伸過(guò)程中發(fā)生脆性斷裂，而其他區(qū)域材料未發(fā)生損傷。受壓后的材料可能產(chǎn)生了較多的微小損傷，導(dǎo)致在拉伸過(guò)程中這些細(xì)小損傷在受到外力的作用下迅速擴(kuò)展成裂紋，發(fā)生斷裂失效。為了進(jìn)一步研究影響材料拉伸強(qiáng)度的因素，還需要對(duì)材料的失效模式進(jìn)行分析。

2.2 失效分析

缺口試樣的斷裂面形貌如圖5所示。從試樣的斷口看，應(yīng)力主要集中在試件的缺口中間，裂紋沿應(yīng)力方向擴(kuò)展發(fā)生斷裂。從斷面的粗糙程度可現(xiàn)，裂紋在左邊擴(kuò)展得較慢，先發(fā)生拉伸斷裂，形成海浪狀的斷裂紋路，裂紋略微隆起，撕裂區(qū)邊緣粗糙不整齊，并有晶狀碎片產(chǎn)生。隨著裂紋由左向右擴(kuò)展，可以發(fā)現(xiàn)晶狀碎片逐漸減少，裂紋逐漸平緩，撕裂區(qū)域邊緣逐漸光滑整齊。分析認(rèn)為，裂紋隆起程度與斷裂過(guò)程中裂紋擴(kuò)展速度有關(guān)，裂紋擴(kuò)展速度越快，裂紋隆起越小，材料以剪切失效為主；裂紋擴(kuò)展速度越慢，裂紋隆起越明顯，材料以撕裂破壞為主[7]。因此材料在剛受到拉伸力作用時(shí)，主要發(fā)生塑性變形。當(dāng)拉力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，材料內(nèi)部產(chǎn)生了裂紋，此時(shí)裂紋的擴(kuò)展較慢。隨著拉力繼續(xù)增加，應(yīng)力集中在斷裂處，加快了裂紋的擴(kuò)展速率。

圖5 QX試樣失效斷裂面

壓陷試樣的斷裂面形貌如圖6所示。從試樣的斷口看，壓陷試樣的拉伸應(yīng)力也是集中在缺口腰部，形成一條裂紋，導(dǎo)致材料失效。從斷面分析發(fā)現(xiàn)，裂紋也是從一邊產(chǎn)生，在拉伸應(yīng)力的作用下向另一半擴(kuò)展，擴(kuò)展速率由慢變快。在裂紋擴(kuò)展的初始階段產(chǎn)生了較少的晶狀碎片，其碎片體積小于缺口試樣斷裂產(chǎn)生的晶狀碎片。并且和缺口試樣相比，其形成的斷裂紋路更平整，撕裂區(qū)邊緣清晰整齊。分析認(rèn)為，壓陷試樣在受壓之后，材料內(nèi)部產(chǎn)生了許多難以發(fā)現(xiàn)的細(xì)小裂紋。受到拉應(yīng)力后，這些受壓應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋會(huì)張開(kāi)，發(fā)生一次疲勞循環(huán)。隨著拉應(yīng)力的增加，斷面附件材料產(chǎn)生塑性變形，又會(huì)受到周?chē)鷱椥詤^(qū)域的擠壓，導(dǎo)致裂紋逐漸擴(kuò)展匯集，最終導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂失效。從能量的角度看，壓陷樣件的斷裂產(chǎn)生的碎片較少，并且局部沒(méi)有變形，以脆性剪切斷裂為主要失效模式。裂紋擴(kuò)展迅速，耗能較少，這是造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降的主要原因。

圖6 YX試樣失效斷裂面

孔陷試樣的斷裂面形貌如圖7所示。斷裂裂紋與前兩者不同，并未在缺口中部發(fā)生斷裂行為，而是在孔周發(fā)生斷裂。從晶體碎片的密集程度看，斷裂也是由一端發(fā)生向另一端擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致材料失效。在孔周的一邊，材料由外向里擴(kuò)展，在外部區(qū)域產(chǎn)生隆起明顯的山脊?fàn)盍鸭y，向內(nèi)裂紋逐漸平整；在孔周的另一邊，材料由孔周內(nèi)向外擴(kuò)展，在孔周區(qū)域產(chǎn)生部分晶狀碎片，向外裂紋逐漸平整。和前兩者相比，孔陷試樣的失效不僅會(huì)產(chǎn)生更大的晶狀碎片，發(fā)生更明顯的隆起裂紋，并且在孔周除主要裂紋外，還有多條細(xì)小裂紋和銀紋產(chǎn)生，在材料的失效過(guò)程中吸收了更多的能量。分析認(rèn)為：使孔周材料易產(chǎn)生損傷的原因主要是在鉆孔過(guò)程中，鉆孔切削產(chǎn)生的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力使材料脆化強(qiáng)度下降，在受到拉伸作用時(shí)發(fā)生脆性崩裂，因此產(chǎn)生了大量的晶狀碎片。這種損傷在局部減少了材料的抗拉強(qiáng)度，但是卻阻滯了材料整體發(fā)生快速斷裂的時(shí)間，因此表現(xiàn)出抗拉強(qiáng)度增加的現(xiàn)象。

圖7 ZX試樣的失效斷裂面

分析試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，材料從一端發(fā)生斷裂的主要原因可能是夾持過(guò)程中材料受力不均。裂紋隆起程度與斷裂過(guò)程中裂紋擴(kuò)展速度有關(guān)，裂紋擴(kuò)展速度越快，裂紋隆起越小，材料以剪切失效為主；裂紋擴(kuò)展速度越慢，裂紋隆起越明顯，材料以撕裂破壞為主。從能量消耗的角度分析，剪切失效產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展速度快，局部變形量小，消耗能量少；而拉伸撕裂破壞產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展速度較慢，局部變形量大，消耗能量多。3種樣件由于其存在不同的初始缺陷，因此在拉伸過(guò)程中裂紋擴(kuò)展速率不同。壓陷樣件的裂紋擴(kuò)展最快，斷面最光滑；缺口樣件次之；孔陷樣件裂紋擴(kuò)展最慢，斷面最粗糙，這是3種樣件在拉力作用下表現(xiàn)出不同力學(xué)性能的主要原因。

3 結(jié)論

該文以加強(qiáng)航空安全為目的，研究直升機(jī)風(fēng)擋玻璃維護(hù)工作對(duì)材料的損傷，通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)研究了維修過(guò)程中，制孔工作和安裝夾緊工作對(duì)航空有機(jī)玻璃的力學(xué)性能的影響，進(jìn)而得到以下結(jié)論：1）有機(jī)玻璃的拉伸失效是具有突發(fā)性的脆性斷裂，在此過(guò)程中沒(méi)有明顯的征兆，因此風(fēng)擋玻璃在使用中產(chǎn)生的缺陷具有隱蔽性，難以被發(fā)現(xiàn)。2）安裝過(guò)程中，較高的緊固力會(huì)使有機(jī)玻璃的抗拉性能?chē)?yán)重下降，影響飛行安全。3）在鉆孔過(guò)程中，受到殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響，孔周材料易發(fā)生斷裂，但是不一定會(huì)影響材料整體的抗拉性能。對(duì)殘余應(yīng)力對(duì)材料的抗拉性能影響規(guī)律，還需要進(jìn)一步研究。該文的研究結(jié)果可以作為提高飛機(jī)維修工藝的一種參考。