直升機風擋透明件彎曲性能分析

朱慧玲，汪海濤，楊 磊

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001;2.海裝駐南昌地區軍事代表室，江西 南昌 330000)

0 引言

風擋玻璃是直升機上的功能結構件，具有耐高溫、高強度、重量輕、光學性能好等特點，安裝于前機身，用于承受飛行過程中的氣動載荷，隔離各種飛行環境,提供外部環境視野，保證飛行員的正常工作和安全[1]。

直升機具有定點懸停、垂直起降等特點，在軍用、民用領域廣泛應用。直升機飛行過程中，多種環境因素對風擋玻璃產生有害影響。國內外許多學者針對直升機風擋的材料性能、抗鳥撞性能、電加溫控制等進行了一系列研究，并取得了相應的研究成果[2-6]：田中強等[7]基于MD Nastran方法研究了直升機風擋及附屬框架的抗鳥撞性能，求解了撞擊時間內的最大應力及變形曲線；趙景云等[8]基于ANSYS建立直升機電加溫風擋的電熱耦合模型，分析了熱載荷、氣動載荷對電加溫風擋玻璃的熱應力和變形的影響；門坤發等[9]通過選取典型帶裂紋玻璃進行斷口分析，并基于有限元法建立有限元模型進行了強度計算；邱晨陽等[10]考慮了溫度、濕熱、電加溫等因素，論述了一種直升機風擋透明件多綜合環境耐久性試驗方法。

本文基于有限元法仿真計算和彎曲試驗得到風擋透明件的彎曲強度，并進一步分析試驗加載速率對風擋透明件彎曲性能的影響，為直升機風擋玻璃抗鳥撞性能提供參考。

1 模型

基于四點彎曲法建立風擋透明件的分析模型如圖1所示，即風擋透明件左、右兩端使用支撐輥支撐，通過加載輥進行加載。

圖1 分析模型

風擋透明件的彎曲強度σbG計算公式為：

(1)

式中：Fmax—斷裂時的最大載荷(N)；Ls—兩支撐輥軸心間的距離(mm)；Lb—兩加載輥軸心間的距離(mm)；B—寬度(mm)；h—厚度(mm)；σbg—自重產生的彎曲強度，計算公式如下：

(2)

式中：ρ—密度(kg/m3)；g—換算系數(9.8 N/kg)。

2 有限元分析

有限元靜力學分析用于求解結構在恒定載荷作用下的響應。根據節點變形協調條件和靜力平衡條件，建立整體剛度方程：

[K]{δ}={F}

(3)

式中，K為剛度矩陣，δ為位移矢量，F為靜載荷函數。

基于ANSYS建立風擋透明件有限元模型。風擋透明件為典型層合結構，即由高鋁硅酸鹽玻璃和膠合層組成。對模型進行假設簡化，玻璃與膠合層之間為理想的粘接結構，且均為各向同性材料。材料屬性見表1。

表1 材料屬性

模型中的支撐輥、加載輥釋放其繞軸轉動自由度，上支座、加載輥釋放z向平移自由度；載荷F=1200 N，通過加載輥傳遞給風擋透明件。風擋透明件的Von-Mises應力云圖如圖2所示，變形云圖如圖3所示。由應力云圖和變形云圖可知，Von-Mises應力和變形在加載輥間達到最大，與理論斷裂源位置相符合。

圖2 Von-Mises應力云圖

圖3 變形云圖

3 彎曲試驗

基于四點彎曲試驗法進行試驗驗證，試驗模型與有限元仿真模型一致，并采用材料試驗機為試驗平臺在室溫下進行試驗。試驗前測量國產材料風擋透明件的寬度及厚度；試驗時，試驗機上平臺向下移動施加壓力載荷，加載速率為2 mm/min，勻速加載至試件破壞即停止加載。試驗結果見表2，國產材料風擋透明件的破壞載荷、最大變形存在差異。試件的斷裂源位置如圖4所示，斷裂源位于加載輥間、加載輥附近，試件內部裂紋由源點迅速沿軸向擴展至飽和狀態斷裂。ANSYS仿真中的最大變形(應力)區域位于兩加載輥間；載荷-變形曲線如圖5所示。

圖4 斷裂位置

試驗中隨著變形的不斷增大，試件脆斷，載荷急劇下降，且仿真得到的載荷-變形曲線與試驗得到的載荷-變形曲線較為吻合。

表2 試驗結果

圖5 載荷-變形曲線

3.1 加載速率的影響

直升機飛行過程中飛行速度不是某一固定值，極端飛行狀態下，飛行速度發生較大的變化，直升機前機身的風擋玻璃會受到一定的影響。本節基于國產材料風擋透明件同一批次共計18件試驗件分成3組，每組6件，分別以2 mm/min、15 mm/min和150 mm/min三種速度進行加載，加載至彎曲變形為100 mm，記錄下相應的載荷。試驗結果見表3。采用試驗法分析三種加載速率對國產材料風擋透明件彎曲性能的影響。

表3 不同加載速率試驗結果

由表3可知，每種加載速率試驗保證6組有效數據，其中，同一加載速率下的最大載荷存在差異；引入方均根值來評判加載速率對最大載荷的影響，國產材料風擋透明件的最大載荷隨加載速率的增大而增大，增長幅度很小。

3.2 國產化應用驗證

為驗證國產材料風擋透明件的彎曲性能，基于進口材料風擋透明件同一批次共計22件試驗件進行彎曲試驗，包括破壞試驗4件、三組加載速率每組6件。其中，試驗方法、夾具、設備、加載速率等和國產材料彎曲試驗一致。破壞試驗結果見表4。1件試驗件發生破壞，斷裂源位置位于加載輥附近。3件試件加載至極限位置處未發生破壞。

表4 試驗結果

2 mm/min、15 mm/min和150 mm/min三組加載速率試驗結果見表5。引入方均根值來評判加載速率對最大載荷的影響，最大載荷隨加載速率的增大而增大。對比表3和表5可知，同一加載速率下，進口材料風擋透明件的最大載荷小于國產材料的最大載荷。

表5 不同加載速率試驗結果

4 結論

1)基于有限元法建模仿真計算風擋透明件的彎曲強度，得出Von-Mises應力和變形在兩加載輥間達到最大，與理論斷裂源相符。

2)采用四點彎曲法和材料試驗機進行風擋透明件的彎曲試驗，結果顯示試件的斷裂源包含加載輥間、加載輥外側兩種形式。

3)最大變形相同條件下，國產、進口兩種材料風擋透明件的最大載荷均隨著加載速率的增大而增大，增長幅度較小；在同一加載速率下，進口材料風擋透明件的最大載荷低于國產材料。