客艙玻璃抗螺旋槳甩冰沖擊分析

李挺，梁元，楊凱，馮斯棟

（1.航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089；2.中航飛機(jī)股份有限公司 研發(fā)中心，西安 710089）

飛機(jī)結(jié)冰是指飛機(jī)在結(jié)冰環(huán)境中飛行時(shí)，機(jī)翼、尾翼、螺旋槳等部位聚集冰層的現(xiàn)象。這些關(guān)鍵部位結(jié)冰會(huì)使氣動(dòng)外形改變，導(dǎo)致氣流分離，造成升力下降、阻力增加等嚴(yán)重后果[1-4]。由于結(jié)冰原因造成機(jī)毀人亡的事故[5-6]，在國(guó)內(nèi)外均有發(fā)生。對(duì)于渦槳飛機(jī)，螺旋槳結(jié)冰會(huì)改變槳葉的翼型，使流過(guò)槳葉的氣流紊亂，致使螺旋槳葉片在大傾角時(shí)失速，同時(shí)嚴(yán)重降低螺旋槳的拉力[7-8]。

為了避免槳葉結(jié)冰，螺旋槳系統(tǒng)一般由螺旋槳本體、螺旋槳除冰系統(tǒng)和螺旋槳控制系統(tǒng)3 個(gè)分系統(tǒng)組成，在結(jié)冰氣象條件下，通過(guò)循環(huán)加熱實(shí)現(xiàn)螺旋槳防除冰設(shè)計(jì)[9]。但在螺旋槳防除冰系統(tǒng)失效故障模式下，冰塊會(huì)在槳葉上聚集，由于受氣動(dòng)力等影響，槳葉上聚集的冰塊會(huì)部分脫落。伴隨著槳葉旋轉(zhuǎn)，這些脫落的冰塊會(huì)以一定速度飛散，有可能會(huì)撞擊到飛機(jī)蒙皮、客艙玻璃及其他部件，造成結(jié)構(gòu)變形乃至破壞，嚴(yán)重影響飛機(jī)飛行安全。

因此，對(duì)在螺旋槳甩冰區(qū)域設(shè)有客艙玻璃的飛機(jī)來(lái)說(shuō)，按照運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR25.875[10]條款要求，必須采用分析、試驗(yàn)或者兩者結(jié)合的方法，用以表明在螺旋槳甩冰區(qū)域的客艙玻璃能夠承受飛行過(guò)程中可能發(fā)生的最嚴(yán)重的冰塊沖擊。

本文以某型民機(jī)螺旋槳甩冰區(qū)域的客艙玻璃為研究對(duì)象，根據(jù)螺旋槳結(jié)冰特性計(jì)算分析得到的冰塊質(zhì)量以及冰塊軌跡，篩選出甩冰沖擊的嚴(yán)重載荷工況。建立客艙玻璃有限元模型，采用有限元軟件PAM-CRASH 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，獲得結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。基于分析結(jié)果，開展客艙玻璃甩冰沖擊研發(fā)試驗(yàn)，得到玻璃不同部位的結(jié)構(gòu)損傷，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

更何況，國(guó)內(nèi)的便利店人工成本所占比例不算高。以7-E leven為例，人工只占其營(yíng)收的1.8%。而當(dāng)下無(wú)人便利店用于識(shí)別貨品和支付RFID標(biāo)簽，卻面臨高成本的問(wèn)題。RFID標(biāo)簽每個(gè)成本約0.5元，這對(duì)于客單價(jià)平均10元的便利店而言是一筆不小的成本。聲稱通過(guò)新技術(shù)、新模式可以降低成本，實(shí)則增加了成本的何止無(wú)人便利店還有盒馬鮮生。

1 計(jì)算模型

1.1 客艙玻璃有限元模型

2.6 九種病原體的混合感染情況 本次研究?jī)H存在兩種病原體的混合感染，感染率為2.78%（194/6 984），占陽(yáng)性病例的10.55%（194/1 839）。其中肺炎支原體合并乙型流感病毒居首位，占陽(yáng)性病例的5.00%（92/1 839），其次為肺炎支原體合并副流感病毒，占陽(yáng)性病例的3.75%（69/1 839）。

圖1 客艙玻璃有限元模型Fig.1 Finite element model of cabin window

1.2 冰塊質(zhì)量及冰塊速度

懸索橋型鋼錨固系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)及錨桿隔離防護(hù)方案探討……………………………………………… 周春俠，閆遠(yuǎn)方（7-99）

2）方法二：選取飛機(jī)典型任務(wù)剖面，開展螺旋槳結(jié)冰特性計(jì)算分析，獲取槳葉不同站位下的冰型，根據(jù)體積相等原則，將不同冰型等效為球體，從而獲得各站位下的冰塊質(zhì)量。同時(shí)，根據(jù)槳葉不同站位處的冰塊飛行軌跡，得到冰塊在飛機(jī)機(jī)身上的落點(diǎn)位置（如圖2 所示），以及垂直機(jī)身表面的速度分量。按照撞擊能量最大原則，對(duì)客艙玻璃上所有工況進(jìn)行篩選，最終確定以質(zhì)量為10.27 g、垂向速度為141.1 m/s的冰塊作為最嚴(yán)重載荷工況進(jìn)行分析。

1）方法一：在飛機(jī)初步設(shè)計(jì)階段，按照螺旋槳翼尖切向速度208 m/s 以及供應(yīng)商在類似渦槳飛機(jī)飛行試驗(yàn)中觀察到的最大冰塊尺寸（50.8 mm×76.2 mm×12.7 mm）垂直撞擊客窗玻璃；

圖2 槳葉不同站位處的冰塊在飛機(jī)機(jī)身上的落點(diǎn)Fig.2 Dropping points of ice at different positions of blades on aircraft

1.3 冰塊模型

采用顯示有限元分析方法，應(yīng)用PAM-CRASH有限元軟件，對(duì)客艙玻璃遭受冰塊沖擊時(shí)的典型工況進(jìn)行仿真分析。按照1.2 小節(jié)的內(nèi)容，分別建立了長(zhǎng)方體和球體兩種冰塊SPH 模型。同時(shí)，冰塊撞擊位置分別取玻璃中心點(diǎn)和上部角點(diǎn)。表2 所列為四種典型分析工況及分析結(jié)果匯總。以工況1 為例，圖3 顯示了玻璃受冰塊沖擊后的損傷情況。通過(guò)對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果，可以得到以下2 條結(jié)論：

某型民機(jī)螺旋槳甩冰區(qū)域的客艙玻璃由18 mm的外層玻璃、3.2 mm 的內(nèi)層玻璃以及密封帶組合而成。內(nèi)外層玻璃均采用亞克力玻璃材料，其性能符合M1L-PL-25690B《單層抗裂紋擴(kuò)展改性丙烯酸酯塑料板和成型組件》[11]的要求。其材料參數(shù)中，密度為1180 kg/m3，彈性模量為3.1 GPa，泊松比為0.4，拉伸強(qiáng)度最小為75.8 MPa，剪切強(qiáng)度最小為20.7 MPa。按照客艙玻璃組成建立了有限元模型，整個(gè)模型均采用三維體單元，共計(jì)26 386 個(gè)單元，如圖1 所示，并在密封帶四周進(jìn)行固支邊界約束。

表1 冰塊力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 mechanical parameters of ice

2 仿真分析

在甩冰沖擊分析中，冰塊模型至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)冰塊的本構(gòu)模型、材料參數(shù)、數(shù)值模擬方法等進(jìn)行了大量研究[12-16]。相對(duì)于金屬?zèng)_擊，高速?zèng)_擊下的冰塊更類似于水滴，會(huì)在大變形下完全破裂。本文采用SPH（光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)）方法[17-18]模擬冰塊，以避免數(shù)值模擬中冰塊產(chǎn)生大變形和散開而使計(jì)算中止。考慮到SPH 方法不能采用金屬?gòu)椝苄圆牧夏Ｐ停虼吮鶋K采用了彈-塑性水動(dòng)力學(xué)材料模型[19]。這種材料模型采用與拉伸應(yīng)力相關(guān)的失效判據(jù)表征，達(dá)到拉伸失效應(yīng)力時(shí)偏應(yīng)力分量置0，且材料只能保持壓縮應(yīng)力。冰塊的材料力學(xué)性能參數(shù)見表1。

在螺旋槳甩冰沖擊分析中，對(duì)于冰塊的質(zhì)量和速度要求，目前國(guó)內(nèi)外缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)供參考。而通過(guò)螺旋槳冰風(fēng)洞試驗(yàn)，很難模擬螺旋槳甩冰來(lái)獲得冰塊，并且也耗費(fèi)大量時(shí)間、經(jīng)費(fèi)。因此，在某型民機(jī)客艙玻璃抗冰塊沖擊設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用以下兩種方法開展分析。

1）長(zhǎng)方體不同入射截面會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不同損傷，截面積越小，玻璃損傷越嚴(yán)重；

生理、心理因素的影響。青少年是一個(gè)特殊的社會(huì)群體，從生理上看，其身心發(fā)育尚不成熟，各種心理活動(dòng)具有較大的不穩(wěn)定性和盲目性。一般來(lái)說(shuō)，青少年思維相對(duì)簡(jiǎn)單，自控能力較差，情緒不很穩(wěn)定，易感情用事，一旦受到某種誘惑和刺激，容易鋌而走險(xiǎn)，以身試法；同時(shí)，青少年明辯是非的能力較成人低，好奇心和模仿性強(qiáng)，容易受到不良因素的侵蝕而發(fā)生心理畸變。法制意識(shí)淡薄。法律是規(guī)范人們行為的基本準(zhǔn)則，也是評(píng)判是非曲直的重要標(biāo)準(zhǔn)。但是由于種種原因，不少青少年不學(xué)法、不懂法，對(duì)自己的行為缺乏基本的分辨能力，以致于在不知不覺中走上犯罪的道路。

表2 分析工況及結(jié)果說(shuō)明Tab.2 Analysis cases and simulation results

圖3 客艙玻璃損傷情況（工況1）Fig.3 Damage of cabin window (case 1)

3 甩冰沖擊試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)對(duì)象與支持方式

客艙玻璃甩冰沖擊試驗(yàn)在中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)采用空氣炮試驗(yàn)方法[20]，試驗(yàn)時(shí)將規(guī)定質(zhì)量的冰塊放入襯殼，裝入空氣炮管中。啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，當(dāng)壓力容器中的壓力達(dá)到所需值時(shí)，打開空氣釋放機(jī)構(gòu)，讓劃刀迅速劃破堵氣的滌綸薄膜，在壓縮空氣的作用下，使冰塊以某一速度射出炮口，通過(guò)測(cè)速靶，撞擊試驗(yàn)件。

選取帶有客艙玻璃的機(jī)身蒙皮試驗(yàn)件，將試驗(yàn)件機(jī)身蒙皮通過(guò)工裝固定在承力墻上；客艙玻璃則通過(guò)四周壓條由螺釘固定在夾具前端口框上，夾具背部與承力墻相連（圖4）。選取表2 中的工況1、工況3 和工況4 進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)速度分別為208、141.1 m/s，速度誤差控制在±2 m/s 內(nèi)；弦窗玻璃平面尺寸約為350 mm×300 mm，撞擊點(diǎn)誤差控制在±3 mm 內(nèi)，誤差不超過(guò)1%。

2）撞擊客窗玻璃不同部位時(shí)，損傷情況不同，角部比中心點(diǎn)更為嚴(yán)重。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 給出三種試驗(yàn)工況下結(jié)構(gòu)破損情況。工況1內(nèi)外層玻璃均被穿透，工況3 內(nèi)外層玻璃完好，工況4 只有外層玻璃局部破損。對(duì)比各工況下甩冰沖擊試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果，可以看到，客艙玻璃結(jié)構(gòu)損傷情況基本一致。這說(shuō)明文中所采用的沖擊分析模型及分析方法能夠用來(lái)準(zhǔn)確模擬甩冰沖擊過(guò)程。

圖4 試驗(yàn)件及支持方式示意Fig.4 Diagram of specimen and supporting mode

圖5 試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果對(duì)比示意Fig.5 Diagram for comparison between experimental results and analysis results

4 結(jié)論

1）兩種確定冰塊質(zhì)量和冰塊速度方法，可適用于結(jié)構(gòu)防甩冰設(shè)計(jì)不同階段，方法二確定的冰塊質(zhì)量及速度更為準(zhǔn)確合理。

對(duì)比兩組護(hù)理人員的考試通過(guò)率、常規(guī)操作評(píng)分、健康宣教評(píng)分以及無(wú)菌操縱評(píng)分，上述評(píng)分根據(jù)本院自制評(píng)分表進(jìn)行判斷，每一項(xiàng)總分為100分，得分越高越好，評(píng)定人員為各科室護(hù)士長(zhǎng)以及護(hù)理部主任等相關(guān)人員進(jìn)行評(píng)定。

2）不同冰型撞擊各個(gè)結(jié)構(gòu)部位，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷。同一長(zhǎng)方體冰型下，入射截面積越小，玻璃損傷越嚴(yán)重；撞擊玻璃不同部位時(shí)，角部比中心點(diǎn)更為嚴(yán)重。

3）試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了分析模型及分析方法的準(zhǔn)確性，分析模型和分析方法可以為客艙玻璃設(shè)計(jì)提供參考。