無機(jī)脆性玻璃光窗抗鳥撞分析

杜興剛，彭志軍，秦利軍，葉彬

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

無機(jī)脆性玻璃光窗抗鳥撞分析

杜興剛，彭志軍，秦利軍，葉彬

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

通過選取鳥體模型、載荷接觸面形式及解耦載荷數(shù)學(xué)模型，結(jié)合剛性靶理論，分別采用解耦解法、耦合解法對(duì)某無機(jī)脆性玻璃光窗進(jìn)行了抗鳥撞分析，并對(duì)兩種算法下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，無機(jī)脆性材料可以采用最大主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則作為玻璃的失效準(zhǔn)則；對(duì)于無機(jī)脆性玻璃，可用解耦解法進(jìn)行分析，計(jì)算得到的臨界速度與耦合解法得到的十分接近；采用解耦算法進(jìn)行無機(jī)脆性玻璃材料鳥撞分析時(shí)，載荷接觸面形狀采用圓形面優(yōu)于橢圓面。

無機(jī)脆性玻璃；光窗；鳥撞；失效準(zhǔn)則；接觸面形狀

隨著新一代飛機(jī)低空高速飛行性能的提高，以及低空高速飛行任務(wù)的增加，使得飛機(jī)撞鳥的概率也隨之增加。目前，對(duì)飛機(jī)機(jī)頭罩、風(fēng)擋、機(jī)尾翼前緣、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片[1-8]等易遭受鳥撞的結(jié)構(gòu)，開展了大量的試驗(yàn)和分析研究，積累了豐富的試驗(yàn)和分析數(shù)據(jù)，但隨著航空技術(shù)的發(fā)展，特別是具有偵察或火控功能的紅外光電系統(tǒng)出現(xiàn)后，對(duì)特定波段有高透光率的無機(jī)脆性材料[9-11]制成的光窗應(yīng)運(yùn)而生，光窗一般位于前機(jī)身機(jī)腹下方，突出飛機(jī)外形，極易遭受飛鳥的撞擊。

藍(lán)寶石是一種對(duì)特定波段有高透光率的無機(jī)脆性材料，國外由于具有生產(chǎn)大尺寸藍(lán)寶石的技術(shù)，而藍(lán)寶石又具有優(yōu)異的力學(xué)性能，所以在光窗上得到了廣泛的應(yīng)用，試驗(yàn)、分析技術(shù)比較成熟。但國內(nèi)目前還不具備生產(chǎn)大尺寸藍(lán)寶石的技術(shù)，光窗主要選用性能相對(duì)較差的ZnS等材質(zhì)的無機(jī)脆性玻璃，并且其價(jià)格昂貴，因此，很少開展抗鳥撞分析和試驗(yàn)。為了獲得某光窗抵抗鳥撞的能力，掌握無機(jī)脆性玻璃的鳥撞分析方法，本文采用解耦和耦合兩種解法對(duì)某光窗進(jìn)行了抗鳥撞分析，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，確定了其破壞準(zhǔn)則，經(jīng)過對(duì)不同鳥撞接觸面的比較分析，確定了解耦分析時(shí)鳥撞接觸面加載形狀。

1 光窗結(jié)構(gòu)簡介

本文分析的無機(jī)脆性玻璃光窗采用的是多面體形狀，如圖1所示，前緣兩側(cè)為相同厚度的無機(jī)脆性玻璃，骨架為鋁合金材料。

圖1 光窗模型

2 鳥撞分析

鳥撞數(shù)值模擬方法是從20世紀(jì)80年代初開始的，它可分為解耦解法和耦合解法[12-13]兩種。解耦解法采用方形或三角形等形式的載荷模擬鳥撞載荷，然后將此載荷作為已知條件施加到撞擊面上，單獨(dú)求解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。耦合解法建立鳥體和結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過接觸部位的協(xié)調(diào)條件進(jìn)行求解。

2.1 耦合解法

耦合解法一般借助商用有限元分析軟件進(jìn)行，目前常用的有MSC/Dytran、LS-DYNA、PAM-CRASH等。本文采用LS-DYNA軟件分析無機(jī)脆性玻璃光窗抗鳥撞性能，前后處理采用LS-PrePost。

由于不同的鳥體形狀對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不是很大[14-15]，鳥體采用質(zhì)量為1.8kg，長徑比為2:1的圓柱體形狀和可壓縮泡沫材料模擬；無機(jī)脆性玻璃及金屬骨架采用4節(jié)點(diǎn)SHELL單元模擬。無機(jī)脆性玻璃與金屬骨架共節(jié)點(diǎn)連接，模型中在金屬骨架周邊節(jié)點(diǎn)施加簡支約束，鳥體與無機(jī)脆性玻璃的接觸方式為點(diǎn)面接觸。

2.2 解耦解法

解耦解法認(rèn)為，鳥撞結(jié)構(gòu)過程中關(guān)心的是結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和損傷情況，鳥體本身并不是關(guān)心的對(duì)象，通過試驗(yàn)得出鳥撞載荷的變化規(guī)律，然后將此載荷作為已知條件施加到結(jié)構(gòu)上，單獨(dú)求解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，因此求解鳥撞載荷是關(guān)鍵。

由于本文研究的無機(jī)脆性玻璃彈性模量是有機(jī)玻璃的二十幾倍，與鋁合金材料的彈性模量相當(dāng)，此類光窗面積相對(duì)于1.8Kg的鳥體模型較小，光窗結(jié)構(gòu)本身的變形對(duì)撞擊的結(jié)果影響可忽略，因此，計(jì)算鳥撞載荷時(shí)，采用剛性靶假設(shè)而沒有采用柔性靶假設(shè)[13]。

剛性靶理論將光窗(無機(jī)脆性玻璃)假設(shè)為剛體，將鳥體假設(shè)成流體，認(rèn)為整個(gè)撞擊過程中撞擊在光窗上的流體速度和質(zhì)量相同。其撞擊模型如圖2所示，鳥撞擊載荷是從零逐漸上升至峰值，然后，從峰值下降為零，載荷峰值上升時(shí)間一般占整個(gè)撞擊周期的五分之一，因此給出三角波載荷計(jì)算公式如下：

其中：

式中：M—飛鳥質(zhì)量（Kg）；

V—飛鳥速度（m/s）；

D—鳥體直徑（mm）；

L—鳥體長度（mm）；

Leff—鳥體有效長度（mm）；

θ—飛鳥運(yùn)動(dòng)軌跡與接觸表面的夾角。

圖2 剛性靶模型

由于鳥體模型為圓柱，載荷加載面通常有圓形和橢圓形兩種，圓面面積為圓柱鳥體的截面積，橢圓面積為圓柱鳥體沿撞擊方向在撞擊面上的投影。鳥體高速撞擊時(shí)呈現(xiàn)流體特性，因此模型中采用壓力加載，并且假定接觸面壓力均勻分布，壓力面積如圖3所示。

3 材料破壞準(zhǔn)則

脆性材料在動(dòng)態(tài)載荷下比靜態(tài)載荷下有更高的承載能力，這種現(xiàn)象常被稱為材料動(dòng)態(tài)破壞強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)。同時(shí)也有各種瞬時(shí)破壞理論，如最大應(yīng)力準(zhǔn)則、最大應(yīng)變準(zhǔn)則、最大應(yīng)變能準(zhǔn)則[16]以及均強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則[17]等。但由于具有紅外透波性能的材料極其昂貴，特別是面積較大的塊體材料，通過試驗(yàn)測(cè)得的相關(guān)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)較少，由此制約了最大應(yīng)變準(zhǔn)則和最大應(yīng)變能準(zhǔn)則的應(yīng)用。

圖3 撞擊位置及接觸面積示意

對(duì)某無機(jī)脆性玻璃光窗進(jìn)行了鳥撞試驗(yàn)，玻璃粉碎性破壞，測(cè)得的應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

圖4 撞擊點(diǎn)主應(yīng)變

由圖4可知，應(yīng)變變化趨勢(shì)與三角波載荷假設(shè)類似，撞擊點(diǎn)處應(yīng)變值較大，在10.5ms達(dá)到最大主應(yīng)變約1900με，ZnS玻璃的彈性模量為74.5GPa，泊松比0.28，強(qiáng)度極限為50MPa，最大破壞應(yīng)變?yōu)?71με，使用最大應(yīng)變作為玻璃的破壞判據(jù)與已知的材料性能明顯不符，結(jié)合該試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過耦合和解耦仿真對(duì)比分析得出，采用最大主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則作為玻璃的失效準(zhǔn)則較為合理。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 耦合解法

耦合解法經(jīng)LS-DYNA軟件迭代計(jì)算，計(jì)算中采用拉格朗日解法，得到玻璃抗側(cè)面撞擊的臨界速度為210km/h，側(cè)面撞擊過程中玻璃的最大主應(yīng)力-時(shí)間變化曲線如圖5所示。

4.2 解耦解法

先給定一個(gè)鳥體速度，采用式（1）計(jì)算出鳥撞載荷后，再采用MSC.Patran/Nastran進(jìn)行分析，不斷進(jìn)行迭代計(jì)算鳥撞臨界速度，有限元加載時(shí)采用圓形面和橢圓面兩種形式。

圖5 玻璃最大主應(yīng)力

圓形接觸面撞擊時(shí)玻璃的最大主應(yīng)力如圖6所示，玻璃抵抗側(cè)面撞擊的臨界速度為200km/h。

橢圓接觸面撞擊時(shí)玻璃的最大主應(yīng)力如圖7所示，玻璃抵抗側(cè)面撞擊的臨界速度為265km/h。

圖6 圓形接觸面?zhèn)让孀矒舨ＡУ淖畲笾鲬?yīng)力

圖7 橢圓接觸面?zhèn)让孀矒舨ＡУ淖畲笾鲬?yīng)力

兩種不同接觸面下的解耦解法與耦合解法計(jì)算得到的臨界速度見表1所示，耦合解法得出的臨界速度與采用圓形接觸面加載得到的臨界速度更加接近，與采用投影橢圓面加載得到的臨界速度差距較大，采用圓形接觸面更加合理，這是因?yàn)檠刂ＡП砻娣较?，鳥體對(duì)玻璃的撞擊很弱，如果按投影橢圓面加載，垂直玻璃表面的載荷大小不變，但面積增大很多，所以計(jì)算得出的臨界速度偏大。

通過前面的分析可知，采用最大主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則作為失效準(zhǔn)則時(shí)解耦和耦合兩種算法得到的臨界速度基本相同，因此，采用最大主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則是合適的。

表1 兩種算法及不同接觸面鳥撞臨界速度比較

5 結(jié)論

通過前文的分析可得出以下結(jié)論:

1)對(duì)于無機(jī)脆性玻璃，可用解耦解法進(jìn)行分析，并且計(jì)算得到的臨界速度和耦合解法得到的十分接近；

2)對(duì)于無機(jī)脆性玻璃材料的鳥撞分析，可以采用最大主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則作為玻璃的失效準(zhǔn)則；

3)采用解耦算法進(jìn)行無機(jī)脆性玻璃材料鳥撞分析時(shí)，接觸面積形狀采用圓形面積優(yōu)于橢圓面積。

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>>>作者簡介

杜興剛，男，1984年出生，2008年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作。

Bird Impact-Resistant Analysis on Inorganic Brittle Glass Window

Du Xinggang,Peng Zhijun,Qin Lijun,Ye Bin
(AVIC Hongdu Aviation Industry Group,Nanchang,Jiangxi,330024)

By selecting the bird model,the form load contact surface and decoupled load mathematical model and based on the theory of rigid target,this paper carries out the bird impact-resistant analysis on a certain type of inorganic brittle glass window by the means of decoupling and coupling algorithm respectively,and carries out the comparison on the computing results of the two algorithms.The study result shows that(1)for inorganic brittle material,the max.stress rupture rule can be used as the failure criterion of glass;(2)decoupling algorithm can be used for analyzing inorganic brittle glass,and the decoupled critical speed is close to the coupled one;(3)when the decoupling algorithm is applied for the analysis of bird impact on inorganic brittle glass,the round load contact surface is better than the elliptical one.

inorganic brittle glass;optical window;bird impact;failure criterion;Shape of contact surface

2015-03-12)