直升機(jī)風(fēng)擋透明件彎曲性能分析

朱慧玲，汪海濤，楊 磊

(1.中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001;2.海裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌 330000)

0 引言

風(fēng)擋玻璃是直升機(jī)上的功能結(jié)構(gòu)件，具有耐高溫、高強(qiáng)度、重量輕、光學(xué)性能好等特點，安裝于前機(jī)身，用于承受飛行過程中的氣動載荷，隔離各種飛行環(huán)境,提供外部環(huán)境視野，保證飛行員的正常工作和安全[1]。

直升機(jī)具有定點懸停、垂直起降等特點，在軍用、民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。直升機(jī)飛行過程中，多種環(huán)境因素對風(fēng)擋玻璃產(chǎn)生有害影響。國內(nèi)外許多學(xué)者針對直升機(jī)風(fēng)擋的材料性能、抗鳥撞性能、電加溫控制等進(jìn)行了一系列研究，并取得了相應(yīng)的研究成果[2-6]：田中強(qiáng)等[7]基于MD Nastran方法研究了直升機(jī)風(fēng)擋及附屬框架的抗鳥撞性能，求解了撞擊時間內(nèi)的最大應(yīng)力及變形曲線；趙景云等[8]基于ANSYS建立直升機(jī)電加溫風(fēng)擋的電熱耦合模型，分析了熱載荷、氣動載荷對電加溫風(fēng)擋玻璃的熱應(yīng)力和變形的影響；門坤發(fā)等[9]通過選取典型帶裂紋玻璃進(jìn)行斷口分析，并基于有限元法建立有限元模型進(jìn)行了強(qiáng)度計算；邱晨陽等[10]考慮了溫度、濕熱、電加溫等因素，論述了一種直升機(jī)風(fēng)擋透明件多綜合環(huán)境耐久性試驗方法。

本文基于有限元法仿真計算和彎曲試驗得到風(fēng)擋透明件的彎曲強(qiáng)度，并進(jìn)一步分析試驗加載速率對風(fēng)擋透明件彎曲性能的影響，為直升機(jī)風(fēng)擋玻璃抗鳥撞性能提供參考。

1 模型

基于四點彎曲法建立風(fēng)擋透明件的分析模型如圖1所示，即風(fēng)擋透明件左、右兩端使用支撐輥支撐，通過加載輥進(jìn)行加載。

圖1 分析模型

風(fēng)擋透明件的彎曲強(qiáng)度σbG計算公式為：

(1)

式中：Fmax—斷裂時的最大載荷(N)；Ls—兩支撐輥軸心間的距離(mm)；Lb—兩加載輥軸心間的距離(mm)；B—寬度(mm)；h—厚度(mm)；σbg—自重產(chǎn)生的彎曲強(qiáng)度，計算公式如下：

(2)

式中：ρ—密度(kg/m3)；g—換算系數(shù)(9.8 N/kg)。

2 有限元分析

有限元靜力學(xué)分析用于求解結(jié)構(gòu)在恒定載荷作用下的響應(yīng)。根據(jù)節(jié)點變形協(xié)調(diào)條件和靜力平衡條件，建立整體剛度方程：

[K]{δ}={F}

(3)

式中，K為剛度矩陣，δ為位移矢量，F(xiàn)為靜載荷函數(shù)。

基于ANSYS建立風(fēng)擋透明件有限元模型。風(fēng)擋透明件為典型層合結(jié)構(gòu)，即由高鋁硅酸鹽玻璃和膠合層組成。對模型進(jìn)行假設(shè)簡化，玻璃與膠合層之間為理想的粘接結(jié)構(gòu)，且均為各向同性材料。材料屬性見表1。

表1 材料屬性

模型中的支撐輥、加載輥釋放其繞軸轉(zhuǎn)動自由度，上支座、加載輥釋放z向平移自由度；載荷F=1200 N，通過加載輥傳遞給風(fēng)擋透明件。風(fēng)擋透明件的Von-Mises應(yīng)力云圖如圖2所示，變形云圖如圖3所示。由應(yīng)力云圖和變形云圖可知，Von-Mises應(yīng)力和變形在加載輥間達(dá)到最大，與理論斷裂源位置相符合。

圖2 Von-Mises應(yīng)力云圖

圖3 變形云圖

3 彎曲試驗

基于四點彎曲試驗法進(jìn)行試驗驗證，試驗?zāi)Ｐ团c有限元仿真模型一致，并采用材料試驗機(jī)為試驗平臺在室溫下進(jìn)行試驗。試驗前測量國產(chǎn)材料風(fēng)擋透明件的寬度及厚度；試驗時，試驗機(jī)上平臺向下移動施加壓力載荷，加載速率為2 mm/min，勻速加載至試件破壞即停止加載。試驗結(jié)果見表2，國產(chǎn)材料風(fēng)擋透明件的破壞載荷、最大變形存在差異。試件的斷裂源位置如圖4所示，斷裂源位于加載輥間、加載輥附近，試件內(nèi)部裂紋由源點迅速沿軸向擴(kuò)展至飽和狀態(tài)斷裂。ANSYS仿真中的最大變形(應(yīng)力)區(qū)域位于兩加載輥間；載荷-變形曲線如圖5所示。

圖4 斷裂位置

試驗中隨著變形的不斷增大，試件脆斷，載荷急劇下降，且仿真得到的載荷-變形曲線與試驗得到的載荷-變形曲線較為吻合。

表2 試驗結(jié)果

圖5 載荷-變形曲線

3.1 加載速率的影響

直升機(jī)飛行過程中飛行速度不是某一固定值，極端飛行狀態(tài)下，飛行速度發(fā)生較大的變化，直升機(jī)前機(jī)身的風(fēng)擋玻璃會受到一定的影響。本節(jié)基于國產(chǎn)材料風(fēng)擋透明件同一批次共計18件試驗件分成3組，每組6件，分別以2 mm/min、15 mm/min和150 mm/min三種速度進(jìn)行加載，加載至彎曲變形為100 mm，記錄下相應(yīng)的載荷。試驗結(jié)果見表3。采用試驗法分析三種加載速率對國產(chǎn)材料風(fēng)擋透明件彎曲性能的影響。

表3 不同加載速率試驗結(jié)果

由表3可知，每種加載速率試驗保證6組有效數(shù)據(jù)，其中，同一加載速率下的最大載荷存在差異；引入方均根值來評判加載速率對最大載荷的影響，國產(chǎn)材料風(fēng)擋透明件的最大載荷隨加載速率的增大而增大，增長幅度很小。

3.2 國產(chǎn)化應(yīng)用驗證

為驗證國產(chǎn)材料風(fēng)擋透明件的彎曲性能，基于進(jìn)口材料風(fēng)擋透明件同一批次共計22件試驗件進(jìn)行彎曲試驗，包括破壞試驗4件、三組加載速率每組6件。其中，試驗方法、夾具、設(shè)備、加載速率等和國產(chǎn)材料彎曲試驗一致。破壞試驗結(jié)果見表4。1件試驗件發(fā)生破壞，斷裂源位置位于加載輥附近。3件試件加載至極限位置處未發(fā)生破壞。

表4 試驗結(jié)果

2 mm/min、15 mm/min和150 mm/min三組加載速率試驗結(jié)果見表5。引入方均根值來評判加載速率對最大載荷的影響，最大載荷隨加載速率的增大而增大。對比表3和表5可知，同一加載速率下，進(jìn)口材料風(fēng)擋透明件的最大載荷小于國產(chǎn)材料的最大載荷。

表5 不同加載速率試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1)基于有限元法建模仿真計算風(fēng)擋透明件的彎曲強(qiáng)度，得出Von-Mises應(yīng)力和變形在兩加載輥間達(dá)到最大，與理論斷裂源相符。

2)采用四點彎曲法和材料試驗機(jī)進(jìn)行風(fēng)擋透明件的彎曲試驗，結(jié)果顯示試件的斷裂源包含加載輥間、加載輥外側(cè)兩種形式。

3)最大變形相同條件下，國產(chǎn)、進(jìn)口兩種材料風(fēng)擋透明件的最大載荷均隨著加載速率的增大而增大，增長幅度較?。辉谕患虞d速率下，進(jìn)口材料風(fēng)擋透明件的最大載荷低于國產(chǎn)材料。