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1通風窗結構介紹

通風窗位于飛機頭部位置，為后退內開式，玻璃所在平面與飛機縱軸傾斜角約為20°，根據適航標準需要考慮鳥體撞擊強度。風窗由窗體(玻璃及其支持結構)，運動機構，手柄鎖，上下導軌以及與機身連接的接頭組成。當鳥撞到風窗上后，鳥的撞擊載荷首先傳到玻璃上，然后玻璃再將載荷傳到內窗框上，內窗框再通過3個搖臂和1個導向輪將載荷傳到上下兩個導軌上，導軌再通過接頭和螺栓將載荷傳到飛機框架上。

2計算模型

2.1鳥體模型

采用狀態方程，狀態方程為P=P0+B［(ρ/ρ0)γ－1］(1)式(1)中，P0為初始壓強，B是剛度，γ為無量綱系數，ρ0為鳥體的初始密度，ρ為當前密度。材料參數采用李玉龍等人的結果，該參數為他們利用鳥撞平板實驗，并使用對試驗中的鳥體參數進行反演得到，將反演得出的參數代入模型進行計算，計算結果與實驗吻合較好。根據Nizampatnam等的研究結果，鳥體采用兩頭為半球的，長度是直徑兩倍的圓柱體更能準確模擬鳥體。鳥體的撞擊速度為116m/s，速度方向為逆航向。

2.2機構模型

由于在撞擊中，搖臂、連桿等有大的轉動，對轉軸運動有兩種方法，一種是將建立細致體元模型，在轉動副之間定義接觸另一種是通過釋放梁元節點的自由度，讓其能在某些方向上能夠自由轉動。這兩種方法各有優缺點。第一種方法對模型的精細度要求較高，要求單元要足夠小，這是因為幾何上為圓的結構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動的，只有通過增加單元數目逼近圓形，太小的單元尺寸不僅增加了模型的規模，同時也減少了計算的時間穩定步，影響計算效率。但只要單元足夠細，它能夠準確得到接觸面的應力，并能計入轉動副的摩擦力。第二種方法建模簡單，模型規模小，計算速度快，但接觸面的應力不準確，并且難計入轉動副的摩擦力。該模型規模較大、構型復雜、采用第一種方法建模工作量大、過小的單元會影響計算速度，并且轉軸的轉動與風窗和外框之間的縫隙密切相關，所以采用第二種方法建模。

2.3整體模型

截取風窗周圍的框架，并在截取處固支，鳥撞位置所示。整個模型有278727個實體單元，1357個梁元，16416個SPH粒子，結構部件和部件之間用TIE連接，鳥體和風窗的接觸為PAM-CRASH里面的34號點對面接觸。模型所有材料都用的雙線性彈塑性模型，風窗的玻璃為MDYB—3，上導軌及其與上長桁連接的接頭、連桿、扭力桿等為30CrMnSiA，搖臂為40CrNi2SiMoVA，窗框和下導軌為7050—T7451，外框部件之間連接的帶板為LY12MCZ，外框材料為2024—T351，三面接頭等為LY12BCZYU。

3計算結果

初始設計中，上導軌與上長桁的接頭上接頭為，由于分析發現風窗和外框之間縫隙較大，鳥體進入飛機內部，不滿足適航標準。分析了產生縫隙的原因并進行相應的改進，更改了上接頭和在后框和通風窗之間加了擋塊

3.1鳥體接觸力結構的更改對鳥撞載荷的影響不太大，改進設計的鳥撞載荷在1.25ms以前比初始設計的鳥撞載荷只略微高一點，在0ms和1.25ms之間，其改進設計的平均值比初始設計高0.6kN。在1.25ms左右，鳥撞載荷突然增高，這是因為由于在試驗狀態下，飛機內部沒有加壓，風窗玻璃比后框要低2.5mm，鳥體撞擊玻璃后發生流動變形，然后貼著玻璃向后滑動，當滑動到了玻璃和后框形成的臺階處時，鳥體正撞這個臺階，導致鳥撞載荷升高。

3.2鳥體和玻璃的變形結構的改變對鳥體和玻璃的影響并不太大，也可以得出相同結論，所以本文只給出改進后結構鳥體的變形情況。鳥體的變形呈現流體行為，并且鳥體內部應力傳播非常慢，在鳥體頭部接觸到玻璃并產生嚴重變形的時候，鳥體的后面部分幾乎沒發生變形14－a和14－b。在這個過程中，玻璃也隨著鳥體向逆航向運動，并碰撞到后框上，在玻璃和后框接觸的局部產生較大變形，－d，該處的應力超過玻璃的強度極限，達到了85MPa，但破壞的區域很小，并且不影響玻璃的整體安全。而玻璃的其它地方應力較低，都在屈服強度以內。

3.3縫隙初始設計中，當鳥撞擊玻璃時，會在風窗的右上角產生縫隙。玻璃和外框(后框和上下長桁)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以上的相對位移則玻璃和外框之間就會出現縫隙。在初始設計中，玻璃與外框之間的最大相對位移為5.9mm，之間形成了2.4mm的縫隙。同時，由于鳥體撞擊玻璃后會形成很小的碎粒，有可能進入飛機內部，不符合適航要求。∠A從37.8°增加到44.5°，搖臂順時針旋轉，帶動整個窗體向內和向后(向左)運動，∠B從153°增加到160°，這是由于導軌對搖臂的支撐剛度不夠，風窗繞著搖臂和風窗的內框連接處旋轉。這兩個原因導致玻璃和外框之間的相對位移過大，產生了縫隙。所以針對這兩個原因做了所示的更改:在內框和后框之間加擋塊，限制玻璃向后移動，進而限制玻璃向后移動，提高上接頭的剛度，進而減少玻璃的轉動。更改后的結構得到滿足要求的結果，玻璃和風窗之間的相對位移減低到3.4mm，小于重疊厚度3.5mm，沒有縫隙產生。

4結論

如本文所示的結構，玻璃在與后框所碰撞的邊緣有局部的破壞，但這并不影響整個的承載和阻擋鳥體進入的功能。但由于機構的位移、轉動、以及變形導致整個玻璃向飛機內部移動，導致玻璃和外框之間出現了2.4mm的縫隙，該縫隙足以導致被撞擊成流體狀的鳥體進入飛機內部，進而擊傷乘客。所以相對于只有擊穿玻璃鳥體才能進入飛機內部的固定結構而言，對機構的準確建模是帶有結構的結構分析鳥撞的一個重要前提。通過梁元自由度的合理選擇能夠非常簡便的準確模擬結構各轉動副之間的自由度，從而在動態分析中準確模擬機構的運動。在此基礎上，一方面加強支持機構的剛度，另外一方面約束機構的運動，通過對改進后的結構重新分析，滿足強度和剛度的要求，整個結構沒有破壞，并且鳥體沒有進入飛機內部。

作者：寇劍鋒徐緋趙佳欣朱高尚單位：西北工業大學航空學院