民用飛機(jī)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)符合性驗(yàn)證方法

民用飛機(jī)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)符合性驗(yàn)證方法

風(fēng)擋是飛機(jī)駕駛艙的重要組成部件，它為駕駛員提供了良好的視界。目前民用飛機(jī)駕駛艙一般布置有4塊或者6塊風(fēng)擋，風(fēng)擋一般采用多層組合結(jié)構(gòu)，外層非承力層為無機(jī)玻璃，具有良好的耐腐蝕性、硬度和導(dǎo)熱性；里層一般由兩層主承力層組成，一般為無機(jī)玻璃或丙烯酸有機(jī)玻璃。由于風(fēng)擋長期承受氣動(dòng)載荷、增壓載荷、光照、冰雹、鳥撞沖擊和氣動(dòng)加熱等的影響，風(fēng)擋設(shè)計(jì)不僅要滿足視界要求，有良好的光學(xué)性能，還要滿足靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、動(dòng)強(qiáng)度和耐老化性能等要求。

風(fēng)擋結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，是由透明件、夾層、玻璃纖維、緊固件、金屬壓板、加熱系統(tǒng)、密封材料等組成的組合件。不同透明件材料、制造工藝、環(huán)境濕熱等都對風(fēng)擋強(qiáng)度有著明顯的影響，其結(jié)構(gòu)符合性驗(yàn)證方法不同于金屬結(jié)構(gòu)件。本文針對不同風(fēng)擋結(jié)構(gòu)形式，分別對其結(jié)構(gòu)符合性驗(yàn)證進(jìn)行了研究。

結(jié)構(gòu)介紹

民用飛機(jī)駕駛艙風(fēng)擋設(shè)計(jì)主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：非承載式風(fēng)擋和承載式風(fēng)擋。這兩種風(fēng)擋在設(shè)計(jì)理念上存在著較大的差異。

對于非承載式風(fēng)擋，風(fēng)擋設(shè)計(jì)為開口式設(shè)計(jì)，風(fēng)擋僅承受自身的氣密載荷，不能傳遞機(jī)身載荷。由于風(fēng)擋不能傳遞機(jī)身載荷，風(fēng)擋開口造成了原有連續(xù)結(jié)構(gòu)傳力路徑的中斷，需要加強(qiáng)周圍窗框強(qiáng)度以承受原開口處結(jié)構(gòu)所承受的載荷以及由于載荷重新分布引起的內(nèi)力，而風(fēng)擋所在座艙蓋區(qū)域本身又有抗鳥撞要求，因此，周圍窗框一般是剛度設(shè)計(jì)，窗框既要滿足剛度要求，又要滿足強(qiáng)度要求。

非承載式風(fēng)擋通常分為壓板式和螺接式。壓板式結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。風(fēng)擋與窗框之間未直接連接緊固件，風(fēng)擋壓板和窗框通過緊固件進(jìn)行連接，將風(fēng)擋夾緊在兩者之間，這種設(shè)計(jì)通常被稱為“夾緊設(shè)計(jì)”。該形式在空客客機(jī)上得到大規(guī)模的應(yīng)用。

螺接式結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。該形式與壓板式略有不同，窗框直接通過螺栓與風(fēng)擋連接。螺栓與安裝孔之間安裝有橡膠襯套，通過該設(shè)計(jì)，可以使螺栓在連接風(fēng)擋與窗框的同時(shí)，窗框上機(jī)身載荷不能傳遞到透明件上?？湛拖盗酗w機(jī)一般采用該螺接形式。

圖1 壓板式風(fēng)擋連接示意圖

圖2 螺接式風(fēng)擋連接示意圖

上述兩種非承載式設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)上來說安裝形式比較簡單，對配合精確度要求也不太高；從設(shè)計(jì)上來說相對也比較簡單，風(fēng)擋不參與機(jī)身載荷的傳遞，相互間不存在內(nèi)力耦合，可以分別對風(fēng)擋和機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，符合性驗(yàn)證也可以分開進(jìn)行。但缺點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)形式相對比較笨重，周圍窗框骨架剛度很強(qiáng)。

承載式風(fēng)擋，顧名思義，風(fēng)擋將參與機(jī)身傳力。當(dāng)采用這種設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)擋必須是曲面風(fēng)擋玻璃，風(fēng)擋才能有效的以膜張力形式傳遞機(jī)身載荷。由于風(fēng)擋能傳遞機(jī)身載荷，風(fēng)擋對其周圍的窗框結(jié)構(gòu)起著加強(qiáng)作用，座艙蓋區(qū)域傳力路徑連續(xù)，可以有效的減輕周圍窗框重量。承載式風(fēng)擋目前應(yīng)用范圍較小，主要應(yīng)用在支線客機(jī)和公務(wù)機(jī)上，如ERJ、CRJ等。圖3為承載式風(fēng)擋結(jié)構(gòu)形式圖。

從圖3中可以看出，機(jī)身載荷通過緊固件傳遞至風(fēng)擋，風(fēng)擋承受面內(nèi)張力。在這種設(shè)計(jì)中，風(fēng)擋與窗框之間的連接、風(fēng)擋與窗框剛度的匹配都需要經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)和控制，風(fēng)擋周圍的窗框在各個(gè)拐角處要設(shè)計(jì)的“軟”一些，這樣可以使得風(fēng)擋實(shí)際處于薄膜張力狀態(tài)，從而使飛機(jī)窗框與風(fēng)擋之間產(chǎn)生最大的直接結(jié)構(gòu)配合，風(fēng)擋周圍窗框得到有效的加強(qiáng)，風(fēng)擋也能產(chǎn)生最大的環(huán)向張力。

與非承載式相比，承載式風(fēng)擋參與機(jī)身載荷的傳遞，周圍窗框剛度較弱，但對設(shè)計(jì)要求很高，風(fēng)擋與窗框剛度匹配、風(fēng)擋與窗框之間的連接都需要經(jīng)過精細(xì)設(shè)計(jì)，風(fēng)擋與窗框之間存在內(nèi)力耦合，需組合相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。由于風(fēng)擋本身透明件材料組成變動(dòng)范圍大，材料性能分散性大，且其性能還會(huì)隨著溫度和濕度產(chǎn)生變化，這些因素耦合在一起，對承載式風(fēng)擋與窗框的分析與驗(yàn)證提出了更高的要求。

驗(yàn)證方法

由于非承載式風(fēng)擋與承載式風(fēng)擋結(jié)構(gòu)形式不同，受載形式不同，接下來將分別對兩種形式結(jié)構(gòu)符合性驗(yàn)證方法進(jìn)行闡述。

非承載式風(fēng)擋

圖4為非承載式風(fēng)擋受載示意圖，當(dāng)氣密載荷作用在風(fēng)擋上時(shí)，氣密載荷通過橫向剪切形式傳遞至周圍窗框，而周圍窗框上的載荷無法通過風(fēng)擋進(jìn)行傳遞。圖5為非承載式風(fēng)擋結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，中間風(fēng)擋結(jié)構(gòu)與周圍支撐機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖不連續(xù)，傳力路徑不連續(xù)。

由于非承載式風(fēng)擋不參與機(jī)身載荷的傳遞，可以單獨(dú)對其進(jìn)行驗(yàn)證，一般可采用試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在極限載荷、破損安全載荷及疲勞載荷下滿足CCAR-25-R4 25.775（d）條款的要求。

對于極限靜強(qiáng)度，風(fēng)擋需承受最大極限壓差載荷、外部氣動(dòng)壓力、溫度載荷以及飛行載荷的聯(lián)合作用，同時(shí)還需要考慮制造差異、材料分散性、材料性能衰減及環(huán)境等的影響，因此極限載荷在25.365（d）條款2倍釋壓活門最大調(diào)定值的基礎(chǔ)上，再增加2.0的安全系數(shù)?；谏鲜鰳O限載荷，試驗(yàn)無法在機(jī)體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行（機(jī)體極限氣密載荷為2倍釋壓活門最大調(diào)定值），需制作專門的夾具進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)分別要在高溫和低溫（環(huán)境溫度）下進(jìn)行，具體高溫和低溫溫度由飛機(jī)溫度-高度設(shè)計(jì)包線和機(jī)體結(jié)構(gòu)溫度確定，高溫還要考慮風(fēng)擋加熱系統(tǒng)溫度的影響。

風(fēng)擋為破損安全設(shè)計(jì)，當(dāng)主承力層中的一層損壞時(shí)，剩余單層主承力層需要能夠承受壓差載荷、外部氣動(dòng)壓力、溫度載荷以及飛行載荷的聯(lián)合作用，確保飛機(jī)能夠完成本次飛行并安全降落。破損安全載荷為釋壓活門最大調(diào)定值加上外部氣動(dòng)壓力的綜合作用，為考慮制造差異、材料分散性、材料性能衰減及環(huán)境等的影響，還需要引入載荷系數(shù)。載荷系數(shù)如表1所示。

圖3 承載式風(fēng)擋連接示意圖

圖4 非承載式風(fēng)擋結(jié)構(gòu)受載示意圖

圖5 非承載式風(fēng)擋結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

表1 材料系數(shù)表

破損安全試驗(yàn)同樣需要使用專門夾具，分別在高溫和低溫環(huán)境下進(jìn)行。由于試驗(yàn)驗(yàn)證飛機(jī)是否能在破損安全狀況下安全完成本次飛行，因此試驗(yàn)保載時(shí)間需根據(jù)飛機(jī)最遠(yuǎn)航程時(shí)間確定。

圖6 承載式風(fēng)擋受載示意圖

圖7 承載式風(fēng)擋結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

一般風(fēng)擋透明件具有良好的抗疲勞性能，但是風(fēng)擋材料分散性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬材料，因此在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，需要考慮材料分散性的影響。常用的方法有以下兩種：1）采用增加疲勞循環(huán)次數(shù)的方式消除材料分散性的影響；2）不增加疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)（等于飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命），提高試驗(yàn)應(yīng)力水平。由于風(fēng)擋壽命一般僅為全機(jī)壽命的1/5，試驗(yàn)可采用專門夾具或直接在機(jī)體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行，但在采用上述兩種試驗(yàn)方法前需評估應(yīng)力水平提高或循環(huán)次數(shù)增加對周圍夾具或機(jī)身結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響。

承載式風(fēng)擋

圖6為承載式風(fēng)擋受載示意圖。當(dāng)氣密載荷作用在風(fēng)擋上時(shí)，氣密載荷部分通過橫向剪切形式傳遞至周圍窗框，部分通過膜向張力形式傳遞至周圍窗框；而風(fēng)擋本身也傳遞機(jī)體結(jié)構(gòu)載荷。圖7為承載式風(fēng)擋結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，可以看出，風(fēng)擋與周圍支撐結(jié)構(gòu)之間應(yīng)變分布連續(xù)，傳力路徑連續(xù)。

由于承載式風(fēng)擋參與機(jī)身載荷的傳遞，風(fēng)擋與周圍機(jī)體結(jié)構(gòu)之間存在內(nèi)力耦合，因此，需要將承載式風(fēng)擋作為結(jié)構(gòu)件對其進(jìn)行驗(yàn)證，其驗(yàn)證條款不僅僅局限于25.775條款，還包括了25.305和25.307條款。

對于機(jī)頭座艙蓋區(qū)域結(jié)構(gòu)，靜強(qiáng)度嚴(yán)重工況為2倍氣密工況（2倍釋壓活門最大調(diào)定值），考慮到制造差異、材料分散性、材料性能衰減及環(huán)境等的影響，風(fēng)擋極限載荷在2倍氣密工況的基礎(chǔ)上，再增加2.0的安全系數(shù)。與非承載式風(fēng)擋不同之處在于，風(fēng)擋還參與機(jī)身載荷的傳遞，邊界條件需要考慮機(jī)身載荷傳遞的影響。而直接采用專門夾具固定風(fēng)擋進(jìn)行試驗(yàn)未能考慮機(jī)身載荷傳遞的影響，僅通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證不能滿足驗(yàn)證要求。承載式風(fēng)擋驗(yàn)證采用試驗(yàn)輔以理論分析的方式進(jìn)行驗(yàn)證。在理論分析時(shí)，建立有限元模型分別對機(jī)身邊界和夾具固定邊界情況進(jìn)行對比，確定邊界條件對風(fēng)擋內(nèi)力分布的影響。

在承載式風(fēng)擋破損安全驗(yàn)證時(shí)，除承受上述外部載荷外（同非承載式風(fēng)擋），同樣還需要考慮機(jī)身載荷傳遞的影響，驗(yàn)證采用試驗(yàn)輔以理論分析的方式，在理論分析時(shí)，確定邊界條件對風(fēng)擋內(nèi)力分布的影響。

承載式風(fēng)擋疲勞驗(yàn)證試驗(yàn)可直接在機(jī)體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行，試驗(yàn)方法同非承載式。若采用專門夾具進(jìn)行試驗(yàn)，也需要結(jié)合理論分析確定邊界條件對風(fēng)擋內(nèi)力分布的影響。

結(jié)語

隨著民用航空技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)擋設(shè)計(jì)形式也呈現(xiàn)出多樣化，結(jié)構(gòu)形式的變化給結(jié)構(gòu)符合性驗(yàn)證帶來了新的挑戰(zhàn)。本文對不同風(fēng)擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剖析，明確了其承載特點(diǎn)和傳力原理，確定了不同形式風(fēng)擋的結(jié)構(gòu)符合性驗(yàn)證方法。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.021