直升机风挡透明件弯曲性能分析

朱慧玲，汪海涛，杨 磊

(1.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001;2.海装驻南昌地区军事代表室，江西 南昌 330000)

0 引言

风挡玻璃是直升机上的功能结构件，具有耐高温、高强度、重量轻、光学性能好等特点，安装于前机身，用于承受飞行过程中的气动载荷，隔离各种飞行环境,提供外部环境视野，保证飞行员的正常工作和安全[1]。

直升机具有定点悬停、垂直起降等特点，在军用、民用领域广泛应用。直升机飞行过程中，多种环境因素对风挡玻璃产生有害影响。国内外许多学者针对直升机风挡的材料性能、抗鸟撞性能、电加温控制等进行了一系列研究，并取得了相应的研究成果[2-6]：田中强等[7]基于MD Nastran方法研究了直升机风挡及附属框架的抗鸟撞性能，求解了撞击时间内的最大应力及变形曲线；赵景云等[8]基于ANSYS建立直升机电加温风挡的电热耦合模型，分析了热载荷、气动载荷对电加温风挡玻璃的热应力和变形的影响；门坤发等[9]通过选取典型带裂纹玻璃进行断口分析，并基于有限元法建立有限元模型进行了强度计算；邱晨阳等[10]考虑了温度、湿热、电加温等因素，论述了一种直升机风挡透明件多综合环境耐久性试验方法。

本文基于有限元法仿真计算和弯曲试验得到风挡透明件的弯曲强度，并进一步分析试验加载速率对风挡透明件弯曲性能的影响，为直升机风挡玻璃抗鸟撞性能提供参考。

1 模型

基于四点弯曲法建立风挡透明件的分析模型如图1所示，即风挡透明件左、右两端使用支撑辊支撑，通过加载辊进行加载。

图1 分析模型

风挡透明件的弯曲强度σbG计算公式为：

(1)

式中：Fmax—断裂时的最大载荷(N)；Ls—两支撑辊轴心间的距离(mm)；Lb—两加载辊轴心间的距离(mm)；B—宽度(mm)；h—厚度(mm)；σbg—自重产生的弯曲强度，计算公式如下：

(2)

式中：ρ—密度(kg/m3)；g—换算系数(9.8 N/kg)。

2 有限元分析

有限元静力学分析用于求解结构在恒定载荷作用下的响应。根据节点变形协调条件和静力平衡条件，建立整体刚度方程：

[K]{δ}={F}

(3)

式中，K为刚度矩阵，δ为位移矢量，F为静载荷函数。

基于ANSYS建立风挡透明件有限元模型。风挡透明件为典型层合结构，即由高铝硅酸盐玻璃和胶合层组成。对模型进行假设简化，玻璃与胶合层之间为理想的粘接结构，且均为各向同性材料。材料属性见表1。

表1 材料属性

模型中的支撑辊、加载辊释放其绕轴转动自由度，上支座、加载辊释放z向平移自由度；载荷F=1200 N，通过加载辊传递给风挡透明件。风挡透明件的Von-Mises应力云图如图2所示，变形云图如图3所示。由应力云图和变形云图可知，Von-Mises应力和变形在加载辊间达到最大，与理论断裂源位置相符合。

图2 Von-Mises应力云图

图3 变形云图

3 弯曲试验

基于四点弯曲试验法进行试验验证，试验模型与有限元仿真模型一致，并采用材料试验机为试验平台在室温下进行试验。试验前测量国产材料风挡透明件的宽度及厚度；试验时，试验机上平台向下移动施加压力载荷，加载速率为2 mm/min，匀速加载至试件破坏即停止加载。试验结果见表2，国产材料风挡透明件的破坏载荷、最大变形存在差异。试件的断裂源位置如图4所示，断裂源位于加载辊间、加载辊附近，试件内部裂纹由源点迅速沿轴向扩展至饱和状态断裂。ANSYS仿真中的最大变形(应力)区域位于两加载辊间；载荷-变形曲线如图5所示。

图4 断裂位置

试验中随着变形的不断增大，试件脆断，载荷急剧下降，且仿真得到的载荷-变形曲线与试验得到的载荷-变形曲线较为吻合。

表2 试验结果

图5 载荷-变形曲线

3.1 加载速率的影响

直升机飞行过程中飞行速度不是某一固定值，极端飞行状态下，飞行速度发生较大的变化，直升机前机身的风挡玻璃会受到一定的影响。本节基于国产材料风挡透明件同一批次共计18件试验件分成3组，每组6件，分别以2 mm/min、15 mm/min和150 mm/min三种速度进行加载，加载至弯曲变形为100 mm，记录下相应的载荷。试验结果见表3。采用试验法分析三种加载速率对国产材料风挡透明件弯曲性能的影响。

表3 不同加载速率试验结果

由表3可知，每种加载速率试验保证6组有效数据，其中，同一加载速率下的最大载荷存在差异；引入方均根值来评判加载速率对最大载荷的影响，国产材料风挡透明件的最大载荷随加载速率的增大而增大，增长幅度很小。

3.2 国产化应用验证

为验证国产材料风挡透明件的弯曲性能，基于进口材料风挡透明件同一批次共计22件试验件进行弯曲试验，包括破坏试验4件、三组加载速率每组6件。其中，试验方法、夹具、设备、加载速率等和国产材料弯曲试验一致。破坏试验结果见表4。1件试验件发生破坏，断裂源位置位于加载辊附近。3件试件加载至极限位置处未发生破坏。

表4 试验结果

2 mm/min、15 mm/min和150 mm/min三组加载速率试验结果见表5。引入方均根值来评判加载速率对最大载荷的影响，最大载荷随加载速率的增大而增大。对比表3和表5可知，同一加载速率下，进口材料风挡透明件的最大载荷小于国产材料的最大载荷。

表5 不同加载速率试验结果

4 结论

1)基于有限元法建模仿真计算风挡透明件的弯曲强度，得出Von-Mises应力和变形在两加载辊间达到最大，与理论断裂源相符。

2)采用四点弯曲法和材料试验机进行风挡透明件的弯曲试验，结果显示试件的断裂源包含加载辊间、加载辊外侧两种形式。

3)最大变形相同条件下，国产、进口两种材料风挡透明件的最大载荷均随着加载速率的增大而增大，增长幅度较小；在同一加载速率下，进口材料风挡透明件的最大载荷低于国产材料。