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1通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)介紹

通風(fēng)窗位于飛機(jī)頭部位置，為后退內(nèi)開(kāi)式，玻璃所在平面與飛機(jī)縱軸傾斜角約為20°，根據(jù)適航標(biāo)準(zhǔn)需要考慮鳥(niǎo)體撞擊強(qiáng)度。風(fēng)窗由窗體(玻璃及其支持結(jié)構(gòu))，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，手柄鎖，上下導(dǎo)軌以及與機(jī)身連接的接頭組成。當(dāng)鳥(niǎo)撞到風(fēng)窗上后，鳥(niǎo)的撞擊載荷首先傳到玻璃上，然后玻璃再將載荷傳到內(nèi)窗框上，內(nèi)窗框再通過(guò)3個(gè)搖臂和1個(gè)導(dǎo)向輪將載荷傳到上下兩個(gè)導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌再通過(guò)接頭和螺栓將載荷傳到飛機(jī)框架上。

2計(jì)算模型

2.1鳥(niǎo)體模型

采用狀態(tài)方程，狀態(tài)方程為P=P0+B［(ρ/ρ0)γ－1］(1)式(1)中，P0為初始?jí)簭?qiáng)，B是剛度，γ為無(wú)量綱系數(shù)，ρ0為鳥(niǎo)體的初始密度，ρ為當(dāng)前密度。材料參數(shù)采用李玉龍等人的結(jié)果，該參數(shù)為他們利用鳥(niǎo)撞平板實(shí)驗(yàn)，并使用對(duì)試驗(yàn)中的鳥(niǎo)體參數(shù)進(jìn)行反演得到，將反演得出的參數(shù)代入模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好。根據(jù)Nizampatnam等的研究結(jié)果，鳥(niǎo)體采用兩頭為半球的，長(zhǎng)度是直徑兩倍的圓柱體更能準(zhǔn)確模擬鳥(niǎo)體。鳥(niǎo)體的撞擊速度為116m/s，速度方向?yàn)槟婧较颉?/p>

2.2機(jī)構(gòu)模型

由于在撞擊中，搖臂、連桿等有大的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)有兩種方法，一種是將建立細(xì)致體元模型，在轉(zhuǎn)動(dòng)副之間定義接觸另一種是通過(guò)釋放梁元節(jié)點(diǎn)的自由度，讓其能在某些方向上能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。第一種方法對(duì)模型的精細(xì)度要求較高，要求單元要足夠小，這是因?yàn)閹缀紊蠟閳A的結(jié)構(gòu)在有限元后建模中變成多邊形，而多邊行之間是不能相互轉(zhuǎn)動(dòng)的，只有通過(guò)增加單元數(shù)目逼近圓形，太小的單元尺寸不僅增加了模型的規(guī)模，同時(shí)也減少了計(jì)算的時(shí)間穩(wěn)定步，影響計(jì)算效率。但只要單元足夠細(xì)，它能夠準(zhǔn)確得到接觸面的應(yīng)力，并能計(jì)入轉(zhuǎn)動(dòng)副的摩擦力。第二種方法建模簡(jiǎn)單，模型規(guī)模小，計(jì)算速度快，但接觸面的應(yīng)力不準(zhǔn)確，并且難計(jì)入轉(zhuǎn)動(dòng)副的摩擦力。該模型規(guī)模較大、構(gòu)型復(fù)雜、采用第一種方法建模工作量大、過(guò)小的單元會(huì)影響計(jì)算速度，并且轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)與風(fēng)窗和外框之間的縫隙密切相關(guān)，所以采用第二種方法建模。

2.3整體模型

截取風(fēng)窗周圍的框架，并在截取處固支，鳥(niǎo)撞位置所示。整個(gè)模型有278727個(gè)實(shí)體單元，1357個(gè)梁元，16416個(gè)SPH粒子，結(jié)構(gòu)部件和部件之間用TIE連接，鳥(niǎo)體和風(fēng)窗的接觸為PAM-CRASH里面的34號(hào)點(diǎn)對(duì)面接觸。模型所有材料都用的雙線性彈塑性模型，風(fēng)窗的玻璃為MDYB—3，上導(dǎo)軌及其與上長(zhǎng)桁連接的接頭、連桿、扭力桿等為30CrMnSiA，搖臂為40CrNi2SiMoVA，窗框和下導(dǎo)軌為7050—T7451，外框部件之間連接的帶板為L(zhǎng)Y12MCZ，外框材料為2024—T351，三面接頭等為L(zhǎng)Y12BCZYU。

3計(jì)算結(jié)果

初始設(shè)計(jì)中，上導(dǎo)軌與上長(zhǎng)桁的接頭上接頭為，由于分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)窗和外框之間縫隙較大，鳥(niǎo)體進(jìn)入飛機(jī)內(nèi)部，不滿足適航標(biāo)準(zhǔn)。分析了產(chǎn)生縫隙的原因并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，更改了上接頭和在后框和通風(fēng)窗之間加了擋塊

3.1鳥(niǎo)體接觸力結(jié)構(gòu)的更改對(duì)鳥(niǎo)撞載荷的影響不太大，改進(jìn)設(shè)計(jì)的鳥(niǎo)撞載荷在1.25ms以前比初始設(shè)計(jì)的鳥(niǎo)撞載荷只略微高一點(diǎn)，在0ms和1.25ms之間，其改進(jìn)設(shè)計(jì)的平均值比初始設(shè)計(jì)高0.6kN。在1.25ms左右，鳥(niǎo)撞載荷突然增高，這是因?yàn)橛捎谠谠囼?yàn)狀態(tài)下，飛機(jī)內(nèi)部沒(méi)有加壓，風(fēng)窗玻璃比后框要低2.5mm，鳥(niǎo)體撞擊玻璃后發(fā)生流動(dòng)變形，然后貼著玻璃向后滑動(dòng)，當(dāng)滑動(dòng)到了玻璃和后框形成的臺(tái)階處時(shí)，鳥(niǎo)體正撞這個(gè)臺(tái)階，導(dǎo)致鳥(niǎo)撞載荷升高。

3.2鳥(niǎo)體和玻璃的變形結(jié)構(gòu)的改變對(duì)鳥(niǎo)體和玻璃的影響并不太大，也可以得出相同結(jié)論，所以本文只給出改進(jìn)后結(jié)構(gòu)鳥(niǎo)體的變形情況。鳥(niǎo)體的變形呈現(xiàn)流體行為，并且鳥(niǎo)體內(nèi)部應(yīng)力傳播非常慢，在鳥(niǎo)體頭部接觸到玻璃并產(chǎn)生嚴(yán)重變形的時(shí)候，鳥(niǎo)體的后面部分幾乎沒(méi)發(fā)生變形14－a和14－b。在這個(gè)過(guò)程中，玻璃也隨著鳥(niǎo)體向逆航向運(yùn)動(dòng)，并碰撞到后框上，在玻璃和后框接觸的局部產(chǎn)生較大變形，－d，該處的應(yīng)力超過(guò)玻璃的強(qiáng)度極限，達(dá)到了85MPa，但破壞的區(qū)域很小，并且不影響玻璃的整體安全。而玻璃的其它地方應(yīng)力較低，都在屈服強(qiáng)度以內(nèi)。

3.3縫隙初始設(shè)計(jì)中，當(dāng)鳥(niǎo)撞擊玻璃時(shí)，會(huì)在風(fēng)窗的右上角產(chǎn)生縫隙。玻璃和外框(后框和上下長(zhǎng)桁)框之間在厚度方向上有3.5mm的重疊部分，所以只要玻璃和外框有3.5mm以上的相對(duì)位移則玻璃和外框之間就會(huì)出現(xiàn)縫隙。在初始設(shè)計(jì)中，玻璃與外框之間的最大相對(duì)位移為5.9mm，之間形成了2.4mm的縫隙。同時(shí)，由于鳥(niǎo)體撞擊玻璃后會(huì)形成很小的碎粒，有可能進(jìn)入飛機(jī)內(nèi)部，不符合適航要求。∠A從37.8°增加到44.5°，搖臂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)整個(gè)窗體向內(nèi)和向后(向左)運(yùn)動(dòng)，∠B從153°增加到160°，這是由于導(dǎo)軌對(duì)搖臂的支撐剛度不夠，風(fēng)窗繞著搖臂和風(fēng)窗的內(nèi)框連接處旋轉(zhuǎn)。這兩個(gè)原因?qū)е虏ＡШ屯饪蛑g的相對(duì)位移過(guò)大，產(chǎn)生了縫隙。所以針對(duì)這兩個(gè)原因做了所示的更改:在內(nèi)框和后框之間加擋塊，限制玻璃向后移動(dòng)，進(jìn)而限制玻璃向后移動(dòng)，提高上接頭的剛度，進(jìn)而減少玻璃的轉(zhuǎn)動(dòng)。更改后的結(jié)構(gòu)得到滿足要求的結(jié)果，玻璃和風(fēng)窗之間的相對(duì)位移減低到3.4mm，小于重疊厚度3.5mm，沒(méi)有縫隙產(chǎn)生。

4結(jié)論

如本文所示的結(jié)構(gòu)，玻璃在與后框所碰撞的邊緣有局部的破壞，但這并不影響整個(gè)的承載和阻擋鳥(niǎo)體進(jìn)入的功能。但由于機(jī)構(gòu)的位移、轉(zhuǎn)動(dòng)、以及變形導(dǎo)致整個(gè)玻璃向飛機(jī)內(nèi)部移動(dòng)，導(dǎo)致玻璃和外框之間出現(xiàn)了2.4mm的縫隙，該縫隙足以導(dǎo)致被撞擊成流體狀的鳥(niǎo)體進(jìn)入飛機(jī)內(nèi)部，進(jìn)而擊傷乘客。所以相對(duì)于只有擊穿玻璃鳥(niǎo)體才能進(jìn)入飛機(jī)內(nèi)部的固定結(jié)構(gòu)而言，對(duì)機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確建模是帶有結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析鳥(niǎo)撞的一個(gè)重要前提。通過(guò)梁元自由度的合理選擇能夠非常簡(jiǎn)便的準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)各轉(zhuǎn)動(dòng)副之間的自由度，從而在動(dòng)態(tài)分析中準(zhǔn)確模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，一方面加強(qiáng)支持機(jī)構(gòu)的剛度，另外一方面約束機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)重新分析，滿足強(qiáng)度和剛度的要求，整個(gè)結(jié)構(gòu)沒(méi)有破壞，并且鳥(niǎo)體沒(méi)有進(jìn)入飛機(jī)內(nèi)部。

作者：寇劍鋒徐緋趙佳欣朱高尚單位：西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院