民用飛機風擋結構符合性驗證方法

民用飛機風擋結構符合性驗證方法

風擋是飛機駕駛艙的重要組成部件，它為駕駛員提供了良好的視界。目前民用飛機駕駛艙一般布置有4塊或者6塊風擋，風擋一般采用多層組合結構，外層非承力層為無機玻璃，具有良好的耐腐蝕性、硬度和導熱性；里層一般由兩層主承力層組成，一般為無機玻璃或丙烯酸有機玻璃。由于風擋長期承受氣動載荷、增壓載荷、光照、冰雹、鳥撞沖擊和氣動加熱等的影響，風擋設計不僅要滿足視界要求，有良好的光學性能，還要滿足靜強度、疲勞強度、動強度和耐老化性能等要求。

風擋結構形式比較復雜，是由透明件、夾層、玻璃纖維、緊固件、金屬壓板、加熱系統、密封材料等組成的組合件。不同透明件材料、制造工藝、環境濕熱等都對風擋強度有著明顯的影響，其結構符合性驗證方法不同于金屬結構件。本文針對不同風擋結構形式，分別對其結構符合性驗證進行了研究。

結構介紹

民用飛機駕駛艙風擋設計主要有兩種結構形式：非承載式風擋和承載式風擋。這兩種風擋在設計理念上存在著較大的差異。

對于非承載式風擋，風擋設計為開口式設計，風擋僅承受自身的氣密載荷，不能傳遞機身載荷。由于風擋不能傳遞機身載荷，風擋開口造成了原有連續結構傳力路徑的中斷，需要加強周圍窗框強度以承受原開口處結構所承受的載荷以及由于載荷重新分布引起的內力，而風擋所在座艙蓋區域本身又有抗鳥撞要求，因此，周圍窗框一般是剛度設計，窗框既要滿足剛度要求，又要滿足強度要求。

非承載式風擋通常分為壓板式和螺接式。壓板式結構形式如圖1所示。風擋與窗框之間未直接連接緊固件，風擋壓板和窗框通過緊固件進行連接，將風擋夾緊在兩者之間，這種設計通常被稱為“夾緊設計”。該形式在空客客機上得到大規模的應用。

螺接式結構形式如圖2所示。該形式與壓板式略有不同，窗框直接通過螺栓與風擋連接。螺栓與安裝孔之間安裝有橡膠襯套，通過該設計，可以使螺栓在連接風擋與窗框的同時，窗框上機身載荷不能傳遞到透明件上。空客系列飛機一般采用該螺接形式。

圖1 壓板式風擋連接示意圖

圖2 螺接式風擋連接示意圖

上述兩種非承載式設計從結構上來說安裝形式比較簡單，對配合精確度要求也不太高；從設計上來說相對也比較簡單，風擋不參與機身載荷的傳遞，相互間不存在內力耦合，可以分別對風擋和機體結構進行分析，符合性驗證也可以分開進行。但缺點在于：結構形式相對比較笨重，周圍窗框骨架剛度很強。

承載式風擋，顧名思義，風擋將參與機身傳力。當采用這種設計時，風擋必須是曲面風擋玻璃，風擋才能有效的以膜張力形式傳遞機身載荷。由于風擋能傳遞機身載荷，風擋對其周圍的窗框結構起著加強作用，座艙蓋區域傳力路徑連續，可以有效的減輕周圍窗框重量。承載式風擋目前應用范圍較小，主要應用在支線客機和公務機上，如ERJ、CRJ等。圖3為承載式風擋結構形式圖。

從圖3中可以看出，機身載荷通過緊固件傳遞至風擋，風擋承受面內張力。在這種設計中，風擋與窗框之間的連接、風擋與窗框剛度的匹配都需要經過精心的設計和控制，風擋周圍的窗框在各個拐角處要設計的“軟”一些，這樣可以使得風擋實際處于薄膜張力狀態，從而使飛機窗框與風擋之間產生最大的直接結構配合，風擋周圍窗框得到有效的加強，風擋也能產生最大的環向張力。

與非承載式相比，承載式風擋參與機身載荷的傳遞，周圍窗框剛度較弱，但對設計要求很高，風擋與窗框剛度匹配、風擋與窗框之間的連接都需要經過精細設計，風擋與窗框之間存在內力耦合，需組合相應結構進行分析。由于風擋本身透明件材料組成變動范圍大，材料性能分散性大，且其性能還會隨著溫度和濕度產生變化，這些因素耦合在一起，對承載式風擋與窗框的分析與驗證提出了更高的要求。

驗證方法

由于非承載式風擋與承載式風擋結構形式不同，受載形式不同，接下來將分別對兩種形式結構符合性驗證方法進行闡述。

非承載式風擋

圖4為非承載式風擋受載示意圖，當氣密載荷作用在風擋上時，氣密載荷通過橫向剪切形式傳遞至周圍窗框，而周圍窗框上的載荷無法通過風擋進行傳遞。圖5為非承載式風擋結構應力云圖。從圖中可以看出，中間風擋結構與周圍支撐機構應力云圖不連續，傳力路徑不連續。

由于非承載式風擋不參與機身載荷的傳遞，可以單獨對其進行驗證，一般可采用試驗驗證結構在極限載荷、破損安全載荷及疲勞載荷下滿足CCAR-25-R4 25.775（d）條款的要求。

對于極限靜強度，風擋需承受最大極限壓差載荷、外部氣動壓力、溫度載荷以及飛行載荷的聯合作用，同時還需要考慮制造差異、材料分散性、材料性能衰減及環境等的影響，因此極限載荷在25.365（d）條款2倍釋壓活門最大調定值的基礎上，再增加2.0的安全系數。基于上述極限載荷，試驗無法在機體結構上進行（機體極限氣密載荷為2倍釋壓活門最大調定值），需制作專門的夾具進行試驗。試驗分別要在高溫和低溫（環境溫度）下進行，具體高溫和低溫溫度由飛機溫度-高度設計包線和機體結構溫度確定，高溫還要考慮風擋加熱系統溫度的影響。

風擋為破損安全設計，當主承力層中的一層損壞時，剩余單層主承力層需要能夠承受壓差載荷、外部氣動壓力、溫度載荷以及飛行載荷的聯合作用，確保飛機能夠完成本次飛行并安全降落。破損安全載荷為釋壓活門最大調定值加上外部氣動壓力的綜合作用，為考慮制造差異、材料分散性、材料性能衰減及環境等的影響，還需要引入載荷系數。載荷系數如表1所示。

圖3 承載式風擋連接示意圖

圖4 非承載式風擋結構受載示意圖

圖5 非承載式風擋結構應力云圖

表1 材料系數表

破損安全試驗同樣需要使用專門夾具，分別在高溫和低溫環境下進行。由于試驗驗證飛機是否能在破損安全狀況下安全完成本次飛行，因此試驗保載時間需根據飛機最遠航程時間確定。

圖6 承載式風擋受載示意圖

圖7 承載式風擋結構應力云圖

一般風擋透明件具有良好的抗疲勞性能，但是風擋材料分散性遠遠大于金屬材料，因此在進行疲勞試驗時，需要考慮材料分散性的影響。常用的方法有以下兩種：1）采用增加疲勞循環次數的方式消除材料分散性的影響；2）不增加疲勞試驗循環次數（等于飛機結構壽命），提高試驗應力水平。由于風擋壽命一般僅為全機壽命的1/5，試驗可采用專門夾具或直接在機體結構上進行，但在采用上述兩種試驗方法前需評估應力水平提高或循環次數增加對周圍夾具或機身結構的疲勞性能影響。

承載式風擋

圖6為承載式風擋受載示意圖。當氣密載荷作用在風擋上時，氣密載荷部分通過橫向剪切形式傳遞至周圍窗框，部分通過膜向張力形式傳遞至周圍窗框；而風擋本身也傳遞機體結構載荷。圖7為承載式風擋結構應力云圖，可以看出，風擋與周圍支撐結構之間應變分布連續，傳力路徑連續。

由于承載式風擋參與機身載荷的傳遞，風擋與周圍機體結構之間存在內力耦合，因此，需要將承載式風擋作為結構件對其進行驗證，其驗證條款不僅僅局限于25.775條款，還包括了25.305和25.307條款。

對于機頭座艙蓋區域結構，靜強度嚴重工況為2倍氣密工況（2倍釋壓活門最大調定值），考慮到制造差異、材料分散性、材料性能衰減及環境等的影響，風擋極限載荷在2倍氣密工況的基礎上，再增加2.0的安全系數。與非承載式風擋不同之處在于，風擋還參與機身載荷的傳遞，邊界條件需要考慮機身載荷傳遞的影響。而直接采用專門夾具固定風擋進行試驗未能考慮機身載荷傳遞的影響，僅通過試驗進行驗證不能滿足驗證要求。承載式風擋驗證采用試驗輔以理論分析的方式進行驗證。在理論分析時，建立有限元模型分別對機身邊界和夾具固定邊界情況進行對比，確定邊界條件對風擋內力分布的影響。

在承載式風擋破損安全驗證時，除承受上述外部載荷外（同非承載式風擋），同樣還需要考慮機身載荷傳遞的影響，驗證采用試驗輔以理論分析的方式，在理論分析時，確定邊界條件對風擋內力分布的影響。

承載式風擋疲勞驗證試驗可直接在機體結構上進行，試驗方法同非承載式。若采用專門夾具進行試驗，也需要結合理論分析確定邊界條件對風擋內力分布的影響。

結語

隨著民用航空技術的發展，風擋設計形式也呈現出多樣化，結構形式的變化給結構符合性驗證帶來了新的挑戰。本文對不同風擋結構進行了剖析，明確了其承載特點和傳力原理，確定了不同形式風擋的結構符合性驗證方法。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.021