飛機風擋玻璃脫膠故障研究

摘要：為解決某型飛機風擋玻璃脫膠故障，從生產過程控制、膠片原材料質量、結構設計環(huán)節(jié)等方面進行故障原因排查，結合有限元分析數據確定了故障原因及其產生機理，制定了故障解決措施并進行了驗證，結果表明故障定位準確，改進方法可行。

關鍵詞：層合結構；脫膠；應力集中；玻璃化

Keywords：laminated glass；delamination；stress concentration；vitrification

1 故障情況

外場使用中，某型飛機風擋玻璃出現了彩虹光斑現象，即脫膠故障。現場技術人員通過目視檢查發(fā)現，故障中出現的彩虹狀光斑主要分布在風擋玻璃四周，左右兩邊光斑面積大于上下兩邊光斑面積，如圖1所示。用戶反映，該故障均發(fā)生在冬季，飛機停放一段時間后光斑面積會縮小。

2 故障確認

2.1 風擋玻璃結構形式

某型飛機風擋玻璃由4層無機玻璃、3層PVB膠片、包邊材料、密封材料以及上下框架組成，如圖2所示。

2.2 脫膠位置

對故障件進行氣密性抗壓試驗以確定脫膠位置。將玻璃內表面壓力升至45kPa，可見脫膠區(qū)域明顯擴散，向四周延展。拆解故障件發(fā)現，脫膠處位于第二層PVB膠片層（見圖2），其余位置無脫膠現象。

對其他類似故障件進行排查，發(fā)現脫膠故障均出現在相同位置，面積均大于30%，按GJB4186《飛機風擋玻璃失效判定準則》中關于玻璃脫膠要求的規(guī)定，屬于完全失效。

3 原因分析與驗證

經過分析，決定從生產過程控制、膠片原材料控制及結構設計環(huán)節(jié)三個方面入手查找原因，故障樹如圖3所示。

3.1 玻璃基片彎曲度超標

鋼化后的玻璃彎曲度或配片間隙過大會造成膠片無法有效填充玻璃層之間的間隙，合片后局部粘接強度較弱，可能引發(fā)脫膠故障。

產品相關技術條件中與玻璃彎曲度相關的指標要求有兩項：玻璃單片的彎曲度≤0.4mm；配片間隙≤0.5mm。復查脫膠層兩側玻璃的生產記錄可知，玻璃彎曲度均在0.2～0.4mm范圍內，配片間隙均在0.15～0.4mm范圍內，符合技術條件要求。

因此，排除玻璃彎曲度和配片間隙超標引起脫膠故障的可能。

3.2 蒸壓溫度/壓力偏差

膠片層和玻璃層在高溫高壓環(huán)境下進行合片，即蒸壓。蒸壓過程中溫度或壓力出現偏差會造成粘接強度低，可能引發(fā)脫膠故障。

復查蒸壓生產過程記錄可知：1）合片室溫、濕度及環(huán)境控制符合工藝文件要求；2）蒸壓設備壓力、溫度等監(jiān)視測量設備完好，均在檢定有效期內；3）蒸壓過程符合蒸壓制度，過程中溫度、壓力未出現偏差，符合工藝文件要求。

因此，排除蒸壓溫度/壓力偏差引起脫膠故障的可能。

3.3 揮發(fā)物質量占比超標

如果合片采用的膠片材料的揮發(fā)物質量占比超標，產品使用過程中揮發(fā)物質（如氣體、水分子、有機揮發(fā)物等）將從膠層中分解或析出，影響膠片與玻璃的接觸界面，可能引發(fā)脫膠故障。

產品相關技術條件中，對膠片揮發(fā)物的指標要求為：揮發(fā)物質量占比≤2%。對發(fā)生脫膠故障的產品所用的膠片原始檢驗記錄、生產批號及測試結果進行復查，膠片的揮發(fā)物質量占比均在0.2%～0.38%范圍內，滿足技術條件要求。

因此，排除膠片揮發(fā)物質量占比超標引起脫膠故障的可能。

3.4 膠片粘接強度不達標

如果合片采用的膠片材料粘接強度不達標，使用過程中無法有效地保持自身與相鄰玻璃層的連接，將引起脫膠故障。

對用于該風擋玻璃的膠片批次進行全面復查，共計98個批次，膠片粘接強度均大于8MPa，符合GJB1258A-2005《聚乙烯醇縮丁醛中間膜》對PVB膠片粘接強度的要求。

因此，排除膠片粘接強度不達標引起脫膠故障的可能。

3.5 結構形式缺陷

玻璃結構形式存在缺陷，如果在第二膠片層有截面突變，存在應力集中現象，氣密載荷下局部應力較大，就可能引發(fā)脫膠故障。

圖4為風擋安裝圖。由圖4可知，為保證安裝后玻璃外表面與機身理論外緣齊平，玻璃設計呈臺階狀，并且玻璃臺階高度較高。因此，第二膠片層處于主承力層與非承力層結合面位置，確實有截面突變，存在明顯的應力集中現象。

因此，不能排除結構形式缺陷引起脫膠故障的可能。

3.6 膠片材料選用不合理

如果PVB膠片性能無法滿足故障部位的使用要求，或者經過一定的日歷年后其性能有所衰減，無法滿足故障部位的使用要求，可能引發(fā)脫膠故障。

外層膠片應具有優(yōu)異的粘接性能和較低的玻璃化轉變溫度。PVB膠片的初始粘接強度較高，但隨著日歷年老化，其粘接強度下降明顯；同時，PVB的玻璃化轉變溫度高于20℃，低溫環(huán)境下呈玻璃態(tài)，具有較大的剛性，無法跟隨玻璃變形，最終將造成局部分層。

因此，不能排除材料選用不合理引起脫膠故障的可能。

通過有限元分析得到，第二層PVB膠片（故障部位）應力值明顯高于其他膠片層，最大拉應力值為1.08MPa。結合日歷年查詢PVB性能數據，可知膠片的粘接強度下降到1～2MPa。在低溫環(huán)境下，PVB膠片轉變?yōu)椴ＡB(tài)，具有較大的剛性，跟隨玻璃變形所產生的拉應力的急劇上升（>1.08MPa），大于其粘接強度，最終造成分層。

4 解決措施

4.1 玻璃結構形式改進

為了降低故障部位膠片層的應力集中水平，對玻璃結構進行改進，將“兩層小片玻璃+兩層大片玻璃”式結構更改為“一層小片玻璃+三層大片玻璃”式結構。同時，對各層厚度進行調整，不改變玻璃的機械接口。改進后的玻璃結構剖面見圖5。

對改進后的玻璃結構進行有限元分析，得到：主承力層與非主承力層之間的膠合層最大拉應力值只有0.18MPa。

4.2 膠片材料改進

優(yōu)化材料選型，將外層膠片層PVB更改為PU。相對PVB材料，PU材料的玻璃化溫度低（接近-55℃），使用環(huán)境中能一直保持高彈態(tài)，不存在玻璃化轉變問題；耐老化性能好，隨著日歷年增長粘接強度的降低不明顯。此外，國內暫時沒有PU膠片材料性能的相關規(guī)范，實驗室實測PU材料的常溫粘接強度>11MPa，低溫下粘接強度有一定量的增大。

5 結論

通過分析得出導致風擋玻璃脫膠故障的主要原因是：原玻璃結構在故障部位存在明顯的應力集中以及PVB膠片低溫下轉為玻璃態(tài)。改進玻璃結構形式和膠片材料后，新狀態(tài)的風擋玻璃飛行情況良好，故障徹底解決，表明故障定位準確，改進方法可行。

參考文獻

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作者簡介

張鑫，工程師，主要從事飛機結構設計、透明件設計工作。