某飛機前風擋玻璃構型設計

【摘要】本文介紹某型飛機駕駛艙前風擋玻璃的結構構型、受力層和保護層的選材、電加溫層的選型，結合抗鳥撞仿真與抗鳥撞試驗，論證了某型機的駕駛艙前風擋玻璃設計的合理性。

【關鍵詞】風擋玻璃；電加溫；抗鳥撞

飛機駕駛艙風擋玻璃要求有良好的光學性能，有足夠的結構強度及長壽命，以保證駕駛員的正常工作和安全。玻璃不僅要承受駕駛艙內外壓差造成的結構載荷，同時要承受各種飛行條件下瞬時的或長時間的熱影響，對于風擋玻璃還有防冰和防霧要求以及抵御飛鳥撞擊能力。

一、前風擋玻璃

1.玻璃結構型式的選擇

由于前風擋玻璃有防冰要求以及抵御飛鳥撞擊能力，故只能選用層和玻璃，由外到內分別為保護層、電加熱層、受力層。層和玻璃設計要考慮材料之間的相互匹配性，材料是否通過鑒定及使用，使用工藝性及使用成本等。

受力層為單層，工藝簡單，制作成本較低；受力層為多層，工藝稍復雜，制作成本較高，但破損安全性高。傾向選用層合玻璃作為受力層。

2.受力基層材料的選擇

硅酸鹽玻璃耐熱，耐介質，表面硬度高，適用于加熱嚴重、有耐磨損和除冰要求的部位。玻璃在通常的溫度范圍內是脆性材料，沒有屈服點，也不產生蠕變，斷裂前無明顯變形。對缺口和應力集中非常敏感，表面劃傷、磨損或邊部缺口會使強度大大降低。

而用物理或化學方法增強的硅酸鹽玻璃，其表面存在高的壓縮應力，使材料的強度和耐熱沖擊性能顯著提高，物理鋼化玻璃的強度比退火玻璃高2-3倍，化學鋼化玻璃的強度比退火玻璃高6-7倍。故選擇航空用增強硅酸鹽玻璃（普通鋼化玻璃）作為受力層。

3.保護層材料的選擇

保護層主要用于抵御飛鳥撞擊，保護電加熱層的使用安全，保證玻璃的破損安全性。普通鋼化玻璃抗熱沖擊性能好，由于鋼化玻璃破壞時碎片近似呈立方體顆粒，鋼化程度愈高顆粒愈小，全鋼化玻璃破裂后能見度很低，半鋼化玻璃破裂后則能見度較好。故選擇半鋼化玻璃作為保護層。

4.電加溫層的選擇

目前電加溫層的形式有三種。氧化錫膜，膜層牢固，鍍膜工藝簡單，但均勻性稍差；氧化銦錫膜，膜層牢固，均勻性好，電阻范圍寬，但成本較高；電阻絲，均勻性好，但工藝復雜，容易產生折光現象。氧化錫膜工藝成熟，成本低，在國內外飛機上的應用較多，故傾向于選擇氧化錫膜作為電加溫層。

5.中間層（膠合層）材料的選擇

考慮材料之間的相互匹配性、使用條件及耐久性，膠合層選擇改性PVB中間膜（改性聚乙烯醇縮丁醛中間膜），具有較好的粘接力和耐久性，使用溫度在-60o～140o之間。符合標準《聚乙烯醇縮丁醛（813）中間膜》，厚度為2mm。

6.包邊材料的選擇

考慮材料的使用條件及耐久性，使用成熟的程度，選擇GS系列包邊材料。GS系列包邊材料是聚乙烯醇縮丁醛樹脂及填料加熱擠壓而成。可以熱成形，適用于聚乙烯醇縮丁醛中間膜制成的夾層玻璃包邊，工藝稍復雜。使用溫度在-60o～140o之間。強度較其它包邊材料高，耐久性高，絕緣性好。

二、玻璃靜強度計算

風擋玻璃的厚度根據邊界約束的簡單應力和玻璃曲板方程確定，載荷通常考慮內部壓力和氣動力的聯合作用，鳥撞載荷是決定玻璃厚度的主要因素。初步確定風擋玻璃材料均為外層為半鋼化玻璃δ4mm，受力層為兩層普通鋼化玻璃δ10mm復合，膠合層δ2mm，共計厚度δ30mm，承力層按δ20mm考慮。

1.載荷條件

承受駕駛艙內外壓差造成的氣密載荷 2ΔP=0.92Kg/cm2

2.邊界條件

三、玻璃鳥撞設計仿真

對前風擋玻璃及玻璃支撐骨架結構進行適度簡化，對模型相關細節進行刪除，如倒角等，并對薄壁結構進行抽殼處理。將簡化好的模型導入Visual-mesh前處理軟件。對整個模型進行有限元網格劃分。

對風擋玻璃中部進行鳥撞仿真后得出：風擋玻璃撞擊發生后，鳥體的動能逐漸減少并趨于穩定，風擋玻璃的內能在1.6ms增加至峰值后呈現振蕩衰減的趨勢，這是由于撞擊過程中鳥體對風擋玻璃做功使其動能增加，之后風擋玻璃的振蕩周期較長。風擋玻璃產生撞擊部位的塌陷變形，變形能迅速增加，從計算結果來看玻璃的變形較大且持續時間較長，撞擊開始的10ms內玻璃并未發生塑性變形。風擋玻璃在撞擊部位產生了大變形塌陷，撞擊點最大位移為13.5mm，風擋玻璃結構均未產生破壞，滿足抗鳥撞設計要求。

四、玻璃鳥撞試驗

風擋玻璃抗鳥撞試驗按照GJB 2464A—2007及CCAR-25中的要求，試驗所用及前風擋玻璃及其支撐骨架、連接骨架接頭為真實裝機狀態。

試驗件安裝及其放置角度模擬飛機真實狀態，炮管軸線相對于機身軸線為：0o俯仰角，0o偏航角。鳥彈撞擊試驗件彈著點位于玻璃中心，經1.8kg的鳥彈以530Km/h撞擊后，撞擊中心點產生15.6mm的位移，玻璃開裂未穿透，內層有極微量掉渣，屬安全破損。對比仿真與試驗可知，由于主風擋玻璃為多層結構，模擬其狀態需要冗繁的數據，玻璃安裝形式在仿真時也進行了簡化，綜合上述因素，導致仿真與試驗之間存在一定差異。通過鳥撞試驗驗證了前風擋玻璃能滿足GJB 2464A—2007及CCAR-25中的相關要求。

五、結論

從工藝性、載荷情況、疲勞耐久性、加工成本等方面考慮，前風擋玻璃選用三層復合玻璃，外層為半鋼化玻璃δ4mm；受力層為兩層普通鋼化玻璃δ10mm復合；膠合層為改性PVB中間膜（改性聚乙烯醇縮丁醛中間膜）δ2mm，共計厚度δ30mm，邊緣厚度δ20mm。玻璃的光學性能、環境要求，物理性能、抗鳥撞能力均可滿足要求。