直升机观察窗屈曲分析

邹蒙，代丽丽

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333000）

1 前言

直升机观察窗一般用于提升座舱通风质量或恶劣天气状况下改善视野状况。观察窗作为驾驶舱透明件的一部分，安装于座舱侧窗上，如图1 所示。观察窗常采用滑动式与翻转式，本文主要对滑动式观察窗进行分析。为尽量减小对飞行员视野的影响，观察窗玻璃一般采用透明薄壁材料YB-3 有机玻璃制成。这导致观察窗抗弯刚度较小，在外部法向气动载荷作用下会产生明显的大变形特征，发生屈曲失稳，即存在观察窗从侧窗滑轨中飞脱的风险。

图1 观察窗安装位置示意图

2 有限元模型的建立

薄壁结构在法向载荷下，其平衡状态将逐渐失去稳定，稍有扰动则变形迅速增加，导致薄壁中间迅速凸起，曲面曲率增大。观察窗属于薄壁结构，其失效模式应是：观察窗在气动载荷下，中间迅速凸起，曲率增大，发生屈曲大变形，从而导致观察窗玻璃滑出滑轨卡槽而飞脱。

观察窗主要由玻璃、把手、加强件以及滑轨组成，如图2 所示。本文应用RADIOSS 下的BulkData 模块对观察窗进行屈曲分析。为提升单元网格质量，分析前可对影响力学性能较小的几何细节进行修剪。观察窗玻璃为典型的薄壁结构，可采用壳单元模拟；把手可通过rigid 刚性单元模拟螺栓连接到玻璃上。为保证飞行员良好的视野，观察窗玻璃、把手以及加强件均采用YB-DM-3 透明材料制成。表1 为YB-DM-3材料的力学性能。

表1 YB-DM-3 材料力学性能

图2 观察窗的组成

3 观察窗屈曲分析

3.1 约束

关闭时，观察窗玻璃有三侧插入滑轨卡槽，且飞行过程中观察窗不能沿航向移动。考虑到观察窗受载弯曲变形后，滑动窗玻璃边缘会逐渐滑出滑轨，从而导致观察窗飞脱。因此，分析时需约束玻璃边缘沿滑轨法向的平动自由度，同时为保证计算收敛，下侧玻璃边缘约束需增加垂向和航向的限位，如图3a 所示。

打开时，观察窗玻璃仅上下两侧插入滑轨卡槽，因此约束上下侧玻璃边缘沿滑轨法向的平动自由度，以及下侧玻璃边缘垂向和航向的平动自由度，图3b 所示。

图3 观察窗边界示意图

3.2 载荷

观察窗所受的载荷为侧飞速度叠加15m/s 风速产生的风载，方向沿玻璃窗法向向外。其压力值可按式（1）进行计算：

式中，Cd为风阻系数，Cd=1.27；v 为最大侧飞速度叠加15m/s 风速；ρ 为空气密度，ρ=1.225g/L。

3.3 观察窗屈曲分析

分别对关闭状态与打开状态下的观察窗进行屈曲分析，分析结果如图4 所示，其特征值如表2 所示。

图4 观察窗位移云图

表2 观察窗屈曲特征值

通过图4 及表2，可以得出：

（1）关闭状态下，观察窗屈曲特征值λ 为1.441 ＞1，最大位移为22.58mm，玻璃上边缘向下滑移-2.02mm 小于滑轨卡槽深度（19mm）。因此，在关闭状态下，观察窗不会发生飞脱故障。

（2）打开状态下，观察窗屈曲特征值λ 为0.225 ＞1，此时，观察窗发生屈曲失稳，随着载荷逐渐上升，观察窗将会迅速凸起变形，从而滑出滑轨卡槽。因此在打开状态下，观察窗存在飞脱风险。

4 观察窗优化

从图4 中可以看出，观察窗在打开状态下，屈曲失稳最先发生在右侧下边缘，因此，为解决观察窗打开状态下的失稳问题，可通过以下途径进行改善：（1）将观察窗玻璃厚度由3mm 更改为4mm；（2）将延长把手长度，并增加把手刚度。

表3 给出了不同改进方案下对观察窗稳定性能的影响。

表3 不同方案打开状态下观察窗的改进效果

由表3 可知，延长并增加把手刚度对提高稳定性的作用最大，但把手长度受滑轨限制，在长度最长的情况下仍不能满足稳定性要求，因此，采用增加玻璃厚度和提高把手刚度的方法解决观察窗失稳问题。图5 为在优化后观察窗的位移云图与屈曲云图。

图5 优化后观察窗分析云图

5 结语

（1）本文通过屈曲分析，确定了观察窗打开状态下的失效模式为失稳引起的玻璃飞脱。

（2）本文通过有限元方法对某型机观察窗进行多方案的优化改进，通过优化玻璃厚度以及把手刚度解决了观察窗打开状态下的失稳问题。

（3）观察窗开口尺寸也是决定其稳定性的重要因素，合理的开口尺寸下可通过加强把手刚度、降低玻璃厚度的方式来提高观察窗的重量效率。

（4）随着直升机产业的发展，直升机功能件的有限元分析方法将逐渐成熟并被普及，这将大大提高直升机功能件设计的质量与效率。