直升機(jī)觀察窗屈曲分析

鄒蒙，代麗麗

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

1 前言

直升機(jī)觀察窗一般用于提升座艙通風(fēng)質(zhì)量或惡劣天氣狀況下改善視野狀況。觀察窗作為駕駛艙透明件的一部分，安裝于座艙側(cè)窗上，如圖1 所示。觀察窗常采用滑動(dòng)式與翻轉(zhuǎn)式，本文主要對(duì)滑動(dòng)式觀察窗進(jìn)行分析。為盡量減小對(duì)飛行員視野的影響，觀察窗玻璃一般采用透明薄壁材料YB-3 有機(jī)玻璃制成。這導(dǎo)致觀察窗抗彎剛度較小，在外部法向氣動(dòng)載荷作用下會(huì)產(chǎn)生明顯的大變形特征，發(fā)生屈曲失穩(wěn)，即存在觀察窗從側(cè)窗滑軌中飛脫的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 觀察窗安裝位置示意圖

2 有限元模型的建立

薄壁結(jié)構(gòu)在法向載荷下，其平衡狀態(tài)將逐漸失去穩(wěn)定，稍有擾動(dòng)則變形迅速增加，導(dǎo)致薄壁中間迅速凸起，曲面曲率增大。觀察窗屬于薄壁結(jié)構(gòu)，其失效模式應(yīng)是：觀察窗在氣動(dòng)載荷下，中間迅速凸起，曲率增大，發(fā)生屈曲大變形，從而導(dǎo)致觀察窗玻璃滑出滑軌卡槽而飛脫。

觀察窗主要由玻璃、把手、加強(qiáng)件以及滑軌組成，如圖2 所示。本文應(yīng)用RADIOSS 下的BulkData 模塊對(duì)觀察窗進(jìn)行屈曲分析。為提升單元網(wǎng)格質(zhì)量，分析前可對(duì)影響力學(xué)性能較小的幾何細(xì)節(jié)進(jìn)行修剪。觀察窗玻璃為典型的薄壁結(jié)構(gòu)，可采用殼單元模擬；把手可通過rigid 剛性單元模擬螺栓連接到玻璃上。為保證飛行員良好的視野，觀察窗玻璃、把手以及加強(qiáng)件均采用YB-DM-3 透明材料制成。表1 為YB-DM-3材料的力學(xué)性能。

表1 YB-DM-3 材料力學(xué)性能

圖2 觀察窗的組成

3 觀察窗屈曲分析

3.1 約束

關(guān)閉時(shí)，觀察窗玻璃有三側(cè)插入滑軌卡槽，且飛行過程中觀察窗不能沿航向移動(dòng)?？紤]到觀察窗受載彎曲變形后，滑動(dòng)窗玻璃邊緣會(huì)逐漸滑出滑軌，從而導(dǎo)致觀察窗飛脫。因此，分析時(shí)需約束玻璃邊緣沿滑軌法向的平動(dòng)自由度，同時(shí)為保證計(jì)算收斂，下側(cè)玻璃邊緣約束需增加垂向和航向的限位，如圖3a 所示。

打開時(shí)，觀察窗玻璃僅上下兩側(cè)插入滑軌卡槽，因此約束上下側(cè)玻璃邊緣沿滑軌法向的平動(dòng)自由度，以及下側(cè)玻璃邊緣垂向和航向的平動(dòng)自由度，圖3b 所示。

圖3 觀察窗邊界示意圖

3.2 載荷

觀察窗所受的載荷為側(cè)飛速度疊加15m/s 風(fēng)速產(chǎn)生的風(fēng)載，方向沿玻璃窗法向向外。其壓力值可按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，Cd為風(fēng)阻系數(shù)，Cd=1.27；v 為最大側(cè)飛速度疊加15m/s 風(fēng)速；ρ 為空氣密度，ρ=1.225g/L。

3.3 觀察窗屈曲分析

分別對(duì)關(guān)閉狀態(tài)與打開狀態(tài)下的觀察窗進(jìn)行屈曲分析，分析結(jié)果如圖4 所示，其特征值如表2 所示。

圖4 觀察窗位移云圖

表2 觀察窗屈曲特征值

通過圖4 及表2，可以得出：

（1）關(guān)閉狀態(tài)下，觀察窗屈曲特征值λ 為1.441 ＞1，最大位移為22.58mm，玻璃上邊緣向下滑移-2.02mm 小于滑軌卡槽深度（19mm）。因此，在關(guān)閉狀態(tài)下，觀察窗不會(huì)發(fā)生飛脫故障。

（2）打開狀態(tài)下，觀察窗屈曲特征值λ 為0.225 ＞1，此時(shí)，觀察窗發(fā)生屈曲失穩(wěn)，隨著載荷逐漸上升，觀察窗將會(huì)迅速凸起變形，從而滑出滑軌卡槽。因此在打開狀態(tài)下，觀察窗存在飛脫風(fēng)險(xiǎn)。

4 觀察窗優(yōu)化

從圖4 中可以看出，觀察窗在打開狀態(tài)下，屈曲失穩(wěn)最先發(fā)生在右側(cè)下邊緣，因此，為解決觀察窗打開狀態(tài)下的失穩(wěn)問題，可通過以下途徑進(jìn)行改善：（1）將觀察窗玻璃厚度由3mm 更改為4mm；（2）將延長(zhǎng)把手長(zhǎng)度，并增加把手剛度。

表3 給出了不同改進(jìn)方案下對(duì)觀察窗穩(wěn)定性能的影響。

表3 不同方案打開狀態(tài)下觀察窗的改進(jìn)效果

由表3 可知，延長(zhǎng)并增加把手剛度對(duì)提高穩(wěn)定性的作用最大，但把手長(zhǎng)度受滑軌限制，在長(zhǎng)度最長(zhǎng)的情況下仍不能滿足穩(wěn)定性要求，因此，采用增加玻璃厚度和提高把手剛度的方法解決觀察窗失穩(wěn)問題。圖5 為在優(yōu)化后觀察窗的位移云圖與屈曲云圖。

圖5 優(yōu)化后觀察窗分析云圖

5 結(jié)語

（1）本文通過屈曲分析，確定了觀察窗打開狀態(tài)下的失效模式為失穩(wěn)引起的玻璃飛脫。

（2）本文通過有限元方法對(duì)某型機(jī)觀察窗進(jìn)行多方案的優(yōu)化改進(jìn)，通過優(yōu)化玻璃厚度以及把手剛度解決了觀察窗打開狀態(tài)下的失穩(wěn)問題。

（3）觀察窗開口尺寸也是決定其穩(wěn)定性的重要因素，合理的開口尺寸下可通過加強(qiáng)把手剛度、降低玻璃厚度的方式來提高觀察窗的重量效率。

（4）隨著直升機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，直升機(jī)功能件的有限元分析方法將逐漸成熟并被普及，這將大大提高直升機(jī)功能件設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率。