某飞机前风挡玻璃构型设计
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作者: 张建波 李锐 唐红辉
【摘要】本文介绍某型飞机驾驶舱前风挡玻璃的结构构型、受力层和保护层的选材、电加温层的选型，结合抗鸟撞仿真与抗鸟撞试验，论证了某型机的驾驶舱前风挡玻璃设计的合理性。
【关键词】风挡玻璃；电加温；抗鸟撞
飞机驾驶舱风挡玻璃要求有良好的光学性能，有足够的结构强度及长寿命，以保证驾驶员的正常工作和安全。玻璃不仅要承受驾驶舱内外压差造成的结构载荷，同时要承受各种飞行条件下瞬时的或长时间的热影响，对于风挡玻璃还有防冰和防雾要求以及抵御飞鸟撞击能力。
一、前风挡玻璃
1.玻璃结构型式的选择
由于前风挡玻璃有防冰要求以及抵御飞鸟撞击能力，故只能选用层和玻璃，由外到内分别为保护层、电加热层、受力层。层和玻璃设计要考虑材料之间的相互匹配性，材料是否通过鉴定及使用，使用工艺性及使用成本等。
受力层为单层，工艺简单，制作成本较低；受力层为多层，工艺稍复杂，制作成本较高，但破损安全性高。倾向选用层合玻璃作为受力层。
2.受力基层材料的选择
硅酸盐玻璃耐热，耐介质，表面硬度高，适用于加热严重、有耐磨损和除冰要求的部位。玻璃在通常的温度范围内是脆性材料，没有屈服点，也不产生蠕变，断裂前无明显变形。对缺口和应力集中非常敏感，表面划伤、磨损或边部缺口会使强度大大降低。
而用物理或化学方法增强的硅酸盐玻璃，其表面存在高的压缩应力，使材料的强度和耐热冲击性能显著提高，物理钢化玻璃的强度比退火玻璃高2-3倍，化学钢化玻璃的强度比退火玻璃高6-7倍。故选择航空用增强硅酸盐玻璃（普通钢化玻璃）作为受力层。
3.保护层材料的选择
保护层主要用于抵御飞鸟撞击，保护电加热层的使用安全，保证玻璃的破损安全性。普通钢化玻璃抗热冲击性能好，由于钢化玻璃破坏时碎片近似呈立方体颗粒，钢化程度愈高颗粒愈小，全钢化玻璃破裂后能见度很低，半钢化玻璃破裂后则能见度较好。故选择半钢化玻璃作为保护层。
4.电加温层的选择
目前电加温层的形式有三种。氧化锡膜，膜层牢固，镀膜工艺简单，但均匀性稍差；氧化铟锡膜，膜层牢固，均匀性好，电阻范围宽，但成本较高；电阻丝，均匀性好，但工艺复杂，容易产生折光现象。氧化锡膜工艺成熟，成本低，在国内外飞机上的应用较多，故倾向于选择氧化锡膜作为电加温层。
5.中间层（胶合层）材料的选择
考虑材料之间的相互匹配性、使用条件及耐久性，胶合层选择改性PVB中间膜（改性聚乙烯醇缩丁醛中间膜），具有较好的粘接力和耐久性，使用温度在-60o～140o之间。符合标准《聚乙烯醇缩丁醛（813）中间膜》，厚度为2mm。
6.包边材料的选择
考虑材料的使用条件及耐久性，使用成熟的程度，选择GS系列包边材料。GS系列包边材料是聚乙烯醇缩丁醛树脂及填料加热挤压而成。可以热成形，适用于聚乙烯醇缩丁醛中间膜制成的夹层玻璃包边，工艺稍复杂。使用温度在-60o～140o之间。强度较其它包边材料高，耐久性高，绝缘性好。
二、玻璃静强度计算
风挡玻璃的厚度根据边界约束的简单应力和玻璃曲板方程确定，载荷通常考虑内部压力和气动力的联合作用，鸟撞载荷是决定玻璃厚度的主要因素。初步确定风挡玻璃材料均为外层为半钢化玻璃δ4mm，受力层为两层普通钢化玻璃δ10mm复合，胶合层δ2mm，共计厚度δ30mm，承力层按δ20mm考虑。
1.载荷条件
承受驾驶舱内外压差造成的气密载荷 2ΔP=0.92Kg/cm2
2.边界条件
三、玻璃鸟撞设计仿真
对前风挡玻璃及玻璃支撑骨架结构进行适度简化，对模型相关细节进行删除，如倒角等，并对薄壁结构进行抽壳处理。将简化好的模型导入Visual-mesh前处理软件。对整个模型进行有限元网格划分。
对风挡玻璃中部进行鸟撞仿真后得出：风挡玻璃撞击发生后，鸟体的动能逐渐减少并趋于稳定，风挡玻璃的内能在1.6ms增加至峰值后呈现振荡衰减的趋势，这是由于撞击过程中鸟体对风挡玻璃做功使其动能增加，之后风挡玻璃的振荡周期较长。风挡玻璃产生撞击部位的塌陷变形，变形能迅速增加，从计算结果来看玻璃的变形较大且持续时间较长，撞击开始的10ms内玻璃并未发生塑性变形。风挡玻璃在撞击部位产生了大变形塌陷，撞击点最大位移为13.5mm，风挡玻璃结构均未产生破坏，满足抗鸟撞设计要求。
四、玻璃鸟撞试验
风挡玻璃抗鸟撞试验按照GJB 2464A―2007及CCAR-25中的要求，试验所用及前风挡玻璃及其支撑骨架、连接骨架接头为真实装机状态。
试验件安装及其放置角度模拟飞机真实状态，炮管轴线相对于机身轴线为：0o俯仰角，0o偏航角。鸟弹撞击试验件弹着点位于玻璃中心，经1.8kg的鸟弹以530Km/h撞击后，撞击中心点产生15.6mm的位移，玻璃开裂未穿透，内层有极微量掉渣，属安全破损。对比仿真与试验可知，由于主风挡玻璃为多层结构，模拟其状态需要冗繁的数据，玻璃安装形式在仿真时也进行了简化，综合上述因素，导致仿真与试验之间存在一定差异。通过鸟撞试验验证了前风挡玻璃能满足GJB 2464A―2007及CCAR-25中的相关要求。
五、结论
从工艺性、载荷情况、疲劳耐久性、加工成本等方面考虑，前风挡玻璃选用三层复合玻璃，外层为半钢化玻璃δ4mm；受力层为两层普通钢化玻璃δ10mm复合；胶合层为改性PVB中间膜（改性聚乙烯醇缩丁醛中间膜）δ2mm，共计厚度δ30mm，边缘厚度δ20mm。玻璃的光学性能、环境要求，物理性能、抗鸟撞能力均可满足要求。
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