邊緣結構材料對透明件疲勞壽命的影響及優化

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1 引 言

座艙透明件是飛機上重要的功能結構件，也是飛機相對薄弱的結構。它的承載能力直接關系飛機及飛行員的安全。座艙玻璃的承載能力不僅與透明件的性能有關，而且還與邊緣連接設計有很大關系。飛機座艙透明件的破壞，往往是從由邊緣的裂紋擴展開始的。近代的飛機制造工業中常采取使透明件邊緣加強和合理的邊緣連接結構設計來減少飛機座艙蓋故障和延長透明件的使用壽命。

本文以某飛機側風擋有機層合透明件在疲勞試驗中邊緣連接孔失效現象為基礎，建立了其整體層合透明件的有限元模型，通過改變邊緣連接材料的彈性模量，研究不同的邊緣連接材料及結構對透明件孔位邊緣應力的影響規律，借助于有限元分析對透明件邊緣材料及結構的選用提出建議。

2 側風擋透明件疲勞試驗

2.1 加載工況

某飛機的側風擋透明件初始設計結構采用兩層定向有機玻璃層合結構。側風擋結構及邊緣安裝連接示意圖如圖1所示。設計要求能夠在正常增壓載荷工況條件下進行1800次的壓力循環模擬飛機起飛降落。依據上述條件設計疲勞試驗過程中施加正常工況的增壓載荷0.06MPa，其中部分加載載荷曲線圖如圖2所示。

圖1 側風擋結構Fig.1 Structure of side window

圖2 疲勞試驗周期載荷圖Fig.2 Graph of cycle loading

從圖2中的加載載荷曲線可以看出，整個實驗過程中載荷波動范圍為0.058～0.062MPa。加載載荷誤差小于3%。采用圖3所示的加載裝置對透明件進行加載。實驗工裝周邊和透明件連接的外形曲面按照飛機骨架外形進行加工，與透明件邊緣曲面吻合。在工裝和透明件的邊緣連接區增加密封圈，以保證實驗過程中的密封性。工裝和透明件邊緣通過螺栓進行連接，和飛機骨架的安裝形式相同。以上措施能夠保證其在實驗工裝上的安裝形式和側風擋在飛機骨架上的安裝形式一致。

2.2 試驗結果

進行1800次加載增壓載荷試驗之后，對透明件進行檢查發現內層玻璃內表面螺栓孔周圍出現變形以及裂紋(圖4)。從圖4可以看出紅色框內連接孔周圍均出現了裂紋。而4個圓角區域的孔壁位置未發現明顯的銀紋。橡膠墊的孔周圍基本被壓潰，已經不能起到保護透明件孔壁邊緣的作用。

圖3 加載裝置 (a) 實驗工裝正面； (b) 工裝背面； (c) 控制系統Fig.3 Device of loading (a)、 (b) Holder for testing; (c) Control system

圖4 試驗后的透明件照片Fig.4 Photo of transparencies after test

3 有限元模型建立及分析結果

上述試驗中僅是一個應力比近接近0的低周疲勞實驗，且其屬于接觸疲勞的范疇，影響因素眾多，無法直接和有機玻璃的S-N曲線進行對比。本文將建立層合透明件的靜力學模型。結合計算結果，對疲勞試驗中特定位置出現的裂紋進行分析和討論，找出出現裂紋的原因；為改進方案的邊緣結構設計提供理論依據。

3.1 模型簡化及網格劃分

本文基于有限元分析軟件ABAQUS中的隱式計算方法對側風擋層合透明件進行靜力學分析，模擬單倍增壓載荷的加載過程。本模型中參照增壓試驗中的層合透明件結構：結構層總厚度為26mm，邊緣裝配區厚度為20mm，通過螺栓和骨架連接，骨架與透明件之間有一層2mm厚的橡膠墊片。

層合透明件中，內外兩層有機玻璃通過中間層膠片層合在一起，三者之間的兩層界面是粘接在一起的結構。模型中用ABAQUS中的tie命令對此界面進行定義：界面上相同位置的節點位移相同。而透明件和橡膠墊之間是接觸的關系，通過建立接觸對對其進行模擬。

該層合透明件通過螺栓和骨架連接在一起，為了模擬螺栓和透明件螺栓孔壁之間的接觸作用，同時又能簡化模型。將螺栓和骨架表面等效為一個整體的解析剛體。該解析剛體能模擬和螺栓孔位的接觸關系，但增大了透明件邊緣的連接剛度。較之真實值，其計算結果偏大。

加熱位置：它是成敗的關鍵因素。加熱位置不正確，不僅起不到矯正作用，反而加重已有的變形。因此，所選的加熱位置必須使它產生變形的方向與焊接殘余變形方向相反，起到抵消作用。通常情況下總是把加熱位置選在金屬結構件較長的，需要收縮的部位。

計算模型采用六面體網格進行劃分，圖5為側風擋網格劃分圖。共有28775個六面體網格。

圖5 側風擋網格圖 (a) 整體透明件網格； (b) 圓角位置細節圖Fig.5 Finite element mesh of Side Window (a) Finite element mesh of whole transparencies; (b) Detail drawing of round location

3.2 模型材料性能和摩擦定義

3.2.1材料性能 本模型中使用到的材料性能如表1所示。

表1 材料性能Table 1 Material properties

3.2.2接觸與摩擦 在增壓載荷加載仿真過程中，采用面對面接觸方式進行螺栓與透明件孔壁之間、有機玻璃和橡膠墊片之間的接觸定義，采用庫倫摩擦的方式進行摩擦的定義。根據經驗，本文模型中螺栓和透明件孔壁之間的摩擦系數設定為0.2，有機玻璃和橡膠墊片之間的摩擦系數設定為0.3。

3.3 有限元分析結果

通過計算分析得到透明件的應力云圖，發現最高應力均出現在內層有機玻璃靠近內表面的孔壁周圍。圖6為內層玻璃的應力云圖。可以看出內層玻璃的孔壁位置是整個透明件應力較高的區域；其中側風擋四條邊區域孔壁的應力大于四個圓角區域的應力。該分析結果的應力分布規律驗證了試驗中透明件在相同位置的孔壁附近發生破壞的現象。其中最大等效應力為47.3MPa。

4 優化結構的分析結果及實驗驗證

由前面的實驗可以看出，膠墊由于其本身的材料偏“軟”，在試驗后被壓潰，不能起到保護透明件孔壁的作用。透明件和骨架之間的加膠墊的安裝形式不能滿足透明件疲勞壽命的要求。根據分析得到一種優化結構的思路是：應該使透明件和骨架之間的材料“硬”一些，能起到承載的作用，以此來保護透明件的孔壁。優化邊緣結構為在透明件內層玻璃連接邊緣粘接一層2mm厚的滌綸鋼輔助材料(滌綸織物增強丙烯酸酯塑料是以滌綸織物為增強體、甲基丙烯酸甲酯預聚體為基體加熱聚合而成的熱塑性層壓塑料，簡稱滌綸鋼)。

圖6 側風擋內層有機玻璃應力云圖 (a) 內層有機玻璃的等效應力； (b) 孔周圍的應力分布Fig.6 Von Mises stress contour of inner layer PMMA (a) Von Mises stress of inner layer; (b) Stress distribution around the hole

4.1 優化結構的模型簡化

通過有限元分析對邊緣結構優化的結構透明件邊緣結構進行模擬來提前確立改進結構的有效性。在新的透明件層合結構中，有機玻璃和滌綸鋼之間是粘接的關系，模型中二者的界面用tie命令進行定義，模型的其它簡化形式不變。

4.2 優化結構的有限元分析結果

圖7為改進結構中內層玻璃的應力云圖；圖8為滌綸鋼的應力云圖。

圖7 邊緣加強后側風擋內層有機玻璃應力云圖 (a) 內層有機玻璃的等效應力； (b) 孔周圍的應力分布Fig.7 Von Mises stress contour of inner layer PMMA after improving the structure(a) Von Mises stress of inner layer; (b) Stress distribution around the hole

圖8 滌綸鋼等效應力云圖Fig.8 Von Mises stress contour of polyester steel

可以看出應力的分布規律和原始結構相同，但最大等效應力僅為23.4MPa。比原始結構的最大應力減小了50.5%。而滌綸鋼的最大等效應力為30.0MPa。可以看出滌綸鋼以粘接的形式作為透明件的邊緣輔助材料可以有效地保護內層有機玻璃的孔壁位置；分析看出滌綸鋼會分擔一部分增壓載荷。綜合分析可得出此種改進結構能有效地減小內層玻璃的應力。后續可以用此種改進結構的透明件進行循環加載實驗。

4.3 優化結構的實驗驗證

重新對新結構的層合玻璃進行同樣的循環加載實驗。試驗后發現內層有機玻璃的孔壁均完好，未出現銀紋以及裂紋，如圖9所示。有限元分析結果很好地解釋了前后兩次的疲勞實驗結果。

圖9 優化結構的透明件疲勞試驗結果Fig.9 Fatigue test result of the transparencies after improving structure

5 邊緣粘接材料的選用探討

上節的分析看出作為常用的邊緣輔助材料，滌綸鋼粘接材料能有效地降低有機玻璃的最大等效應力，從而延長透明件的使用壽命。

在選用邊緣粘接材料方面，傳統的做法是參照經驗，并在保證與有機玻璃熱膨脹系數相當時進行選取[6]。選取的材料較為有限，同時也缺少一定的理論支撐。本文將通過改變粘接材料的彈性模量，分析不同彈性模量的材料對降低有機玻璃應力水平的規律，從而對后續粘接材料的選取提供一定的理論支撐。

通過改變粘接材料的彈性模量，分析不同彈性模量的粘接材料對改善有機玻璃最大應力的效用。圖10為不同彈性模量的粘接材料條件下，內層有機玻璃的最大等效應力曲線。當粘接材料的彈性模量E=500～10000MPa時，有機玻璃孔壁的最大應力隨著E的增大而減小，但變化率減小。考慮到有機玻璃和粘接的邊緣材料彈性模量相當的原則[6]，應當使邊緣材料的彈性模量略大于有機玻璃的彈性模量。

圖10 邊緣材料的彈性模量對有機玻璃最大應力的影響Fig.10 Influence of edge joint’s elastic modulus on the maximum stress of PMMA

6 結論及建議

本文計算結果很好地解釋了兩次疲勞試驗的結果，研究表明：

1.此種安裝形式下，側風擋的最大應力出現在有機玻璃內層表面的孔壁周圍。

2.內層玻璃邊緣的粘接材料能有效地保護有機玻璃孔壁，減小內層有機玻璃孔壁的應力水平。

3.隨著邊緣粘接材料彈性模量的增加，有機玻璃的最大等效應力降低，但變化率減小。

綜合以上分析結論對此種安裝形式下有機玻璃的邊緣連接提出優化建議：

1.使用有一定承載能力的襯套材料保護有機玻璃的孔壁。

2.應選擇彈性模量與有機玻璃相當或者略大的邊緣粘接材料。

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