無機脆性玻璃光窗抗鳥撞分析

杜興剛，彭志軍，秦利軍，葉彬

（中航工業洪都，江西南昌330024）

無機脆性玻璃光窗抗鳥撞分析

杜興剛，彭志軍，秦利軍，葉彬

（中航工業洪都，江西南昌330024）

通過選取鳥體模型、載荷接觸面形式及解耦載荷數學模型，結合剛性靶理論，分別采用解耦解法、耦合解法對某無機脆性玻璃光窗進行了抗鳥撞分析，并對兩種算法下的計算結果進行了比較。研究結果表明，無機脆性材料可以采用最大主應力破壞準則作為玻璃的失效準則；對于無機脆性玻璃，可用解耦解法進行分析，計算得到的臨界速度與耦合解法得到的十分接近；采用解耦算法進行無機脆性玻璃材料鳥撞分析時，載荷接觸面形狀采用圓形面優于橢圓面。

無機脆性玻璃；光窗；鳥撞；失效準則；接觸面形狀

隨著新一代飛機低空高速飛行性能的提高，以及低空高速飛行任務的增加，使得飛機撞鳥的概率也隨之增加。目前，對飛機機頭罩、風擋、機尾翼前緣、發動機葉片[1-8]等易遭受鳥撞的結構，開展了大量的試驗和分析研究，積累了豐富的試驗和分析數據，但隨著航空技術的發展，特別是具有偵察或火控功能的紅外光電系統出現后，對特定波段有高透光率的無機脆性材料[9-11]制成的光窗應運而生，光窗一般位于前機身機腹下方，突出飛機外形，極易遭受飛鳥的撞擊。

藍寶石是一種對特定波段有高透光率的無機脆性材料，國外由于具有生產大尺寸藍寶石的技術，而藍寶石又具有優異的力學性能，所以在光窗上得到了廣泛的應用，試驗、分析技術比較成熟。但國內目前還不具備生產大尺寸藍寶石的技術，光窗主要選用性能相對較差的ZnS等材質的無機脆性玻璃，并且其價格昂貴，因此，很少開展抗鳥撞分析和試驗。為了獲得某光窗抵抗鳥撞的能力，掌握無機脆性玻璃的鳥撞分析方法，本文采用解耦和耦合兩種解法對某光窗進行了抗鳥撞分析，結合試驗測試結果，確定了其破壞準則，經過對不同鳥撞接觸面的比較分析，確定了解耦分析時鳥撞接觸面加載形狀。

1 光窗結構簡介

本文分析的無機脆性玻璃光窗采用的是多面體形狀，如圖1所示，前緣兩側為相同厚度的無機脆性玻璃，骨架為鋁合金材料。

圖1 光窗模型

2 鳥撞分析

鳥撞數值模擬方法是從20世紀80年代初開始的，它可分為解耦解法和耦合解法[12-13]兩種。解耦解法采用方形或三角形等形式的載荷模擬鳥撞載荷，然后將此載荷作為已知條件施加到撞擊面上，單獨求解結構的動力響應。耦合解法建立鳥體和結構的有限元模型，通過接觸部位的協調條件進行求解。

2.1 耦合解法

耦合解法一般借助商用有限元分析軟件進行，目前常用的有MSC/Dytran、LS-DYNA、PAM-CRASH等。本文采用LS-DYNA軟件分析無機脆性玻璃光窗抗鳥撞性能，前后處理采用LS-PrePost。

由于不同的鳥體形狀對計算結果的影響不是很大[14-15]，鳥體采用質量為1.8kg，長徑比為2:1的圓柱體形狀和可壓縮泡沫材料模擬；無機脆性玻璃及金屬骨架采用4節點SHELL單元模擬。無機脆性玻璃與金屬骨架共節點連接，模型中在金屬骨架周邊節點施加簡支約束，鳥體與無機脆性玻璃的接觸方式為點面接觸。

2.2 解耦解法

解耦解法認為，鳥撞結構過程中關心的是結構的響應和損傷情況，鳥體本身并不是關心的對象，通過試驗得出鳥撞載荷的變化規律，然后將此載荷作為已知條件施加到結構上，單獨求解結構的動力響應，因此求解鳥撞載荷是關鍵。

由于本文研究的無機脆性玻璃彈性模量是有機玻璃的二十幾倍，與鋁合金材料的彈性模量相當，此類光窗面積相對于1.8Kg的鳥體模型較小，光窗結構本身的變形對撞擊的結果影響可忽略，因此，計算鳥撞載荷時，采用剛性靶假設而沒有采用柔性靶假設[13]。

剛性靶理論將光窗(無機脆性玻璃)假設為剛體，將鳥體假設成流體，認為整個撞擊過程中撞擊在光窗上的流體速度和質量相同。其撞擊模型如圖2所示，鳥撞擊載荷是從零逐漸上升至峰值，然后，從峰值下降為零，載荷峰值上升時間一般占整個撞擊周期的五分之一，因此給出三角波載荷計算公式如下：

其中：

式中：M—飛鳥質量（Kg）；

V—飛鳥速度（m/s）；

D—鳥體直徑（mm）；

L—鳥體長度（mm）；

Leff—鳥體有效長度（mm）；

θ—飛鳥運動軌跡與接觸表面的夾角。

圖2 剛性靶模型

由于鳥體模型為圓柱，載荷加載面通常有圓形和橢圓形兩種，圓面面積為圓柱鳥體的截面積，橢圓面積為圓柱鳥體沿撞擊方向在撞擊面上的投影。鳥體高速撞擊時呈現流體特性，因此模型中采用壓力加載，并且假定接觸面壓力均勻分布，壓力面積如圖3所示。

3 材料破壞準則

脆性材料在動態載荷下比靜態載荷下有更高的承載能力，這種現象常被稱為材料動態破壞強度的應變率效應。同時也有各種瞬時破壞理論，如最大應力準則、最大應變準則、最大應變能準則[16]以及均強度破壞準則[17]等。但由于具有紅外透波性能的材料極其昂貴，特別是面積較大的塊體材料，通過試驗測得的相關動態力學性能參數較少，由此制約了最大應變準則和最大應變能準則的應用。

圖3 撞擊位置及接觸面積示意

對某無機脆性玻璃光窗進行了鳥撞試驗，玻璃粉碎性破壞，測得的應變如圖4所示。

圖4 撞擊點主應變

由圖4可知，應變變化趨勢與三角波載荷假設類似，撞擊點處應變值較大，在10.5ms達到最大主應變約1900με，ZnS玻璃的彈性模量為74.5GPa，泊松比0.28，強度極限為50MPa，最大破壞應變為671με，使用最大應變作為玻璃的破壞判據與已知的材料性能明顯不符，結合該試驗結果，經過耦合和解耦仿真對比分析得出，采用最大主應力破壞準則作為玻璃的失效準則較為合理。

4 仿真結果及分析

4.1 耦合解法

耦合解法經LS-DYNA軟件迭代計算，計算中采用拉格朗日解法，得到玻璃抗側面撞擊的臨界速度為210km/h，側面撞擊過程中玻璃的最大主應力-時間變化曲線如圖5所示。

4.2 解耦解法

先給定一個鳥體速度，采用式（1）計算出鳥撞載荷后，再采用MSC.Patran/Nastran進行分析，不斷進行迭代計算鳥撞臨界速度，有限元加載時采用圓形面和橢圓面兩種形式。

圖5 玻璃最大主應力

圓形接觸面撞擊時玻璃的最大主應力如圖6所示，玻璃抵抗側面撞擊的臨界速度為200km/h。

橢圓接觸面撞擊時玻璃的最大主應力如圖7所示，玻璃抵抗側面撞擊的臨界速度為265km/h。

圖6 圓形接觸面側面撞擊玻璃的最大主應力

圖7 橢圓接觸面側面撞擊玻璃的最大主應力

兩種不同接觸面下的解耦解法與耦合解法計算得到的臨界速度見表1所示，耦合解法得出的臨界速度與采用圓形接觸面加載得到的臨界速度更加接近，與采用投影橢圓面加載得到的臨界速度差距較大，采用圓形接觸面更加合理，這是因為沿著玻璃表面方向，鳥體對玻璃的撞擊很弱，如果按投影橢圓面加載，垂直玻璃表面的載荷大小不變，但面積增大很多，所以計算得出的臨界速度偏大。

通過前面的分析可知，采用最大主應力破壞準則作為失效準則時解耦和耦合兩種算法得到的臨界速度基本相同，因此，采用最大主應力破壞準則是合適的。

表1 兩種算法及不同接觸面鳥撞臨界速度比較

5 結論

通過前文的分析可得出以下結論:

1)對于無機脆性玻璃，可用解耦解法進行分析，并且計算得到的臨界速度和耦合解法得到的十分接近；

2)對于無機脆性玻璃材料的鳥撞分析，可以采用最大主應力破壞準則作為玻璃的失效準則；

3)采用解耦算法進行無機脆性玻璃材料鳥撞分析時，接觸面積形狀采用圓形面積優于橢圓面積。

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>>>作者簡介

杜興剛，男，1984年出生，2008年畢業于西北工業大學，工程師，現從事飛機強度設計工作。

Bird Impact-Resistant Analysis on Inorganic Brittle Glass Window

Du Xinggang,Peng Zhijun,Qin Lijun,Ye Bin
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

By selecting the bird model,the form load contact surface and decoupled load mathematical model and based on the theory of rigid target,this paper carries out the bird impact-resistant analysis on a certain type of inorganic brittle glass window by the means of decoupling and coupling algorithm respectively,and carries out the comparison on the computing results of the two algorithms.The study result shows that(1)for inorganic brittle material,the max.stress rupture rule can be used as the failure criterion of glass;(2)decoupling algorithm can be used for analyzing inorganic brittle glass,and the decoupled critical speed is close to the coupled one;(3)when the decoupling algorithm is applied for the analysis of bird impact on inorganic brittle glass,the round load contact surface is better than the elliptical one.

inorganic brittle glass;optical window;bird impact;failure criterion;Shape of contact surface

2015-03-12)