1通风窗结构介绍

通风窗位于飞机头部位置，为后退内开式，玻璃所在平面与飞机纵轴倾斜角约为20°，根据适航标准需要考虑鸟体撞击强度。风窗由窗体(玻璃及其支持结构)，运动机构，手柄锁，上下导轨以及与机身连接的接头组成。当鸟撞到风窗上后，鸟的撞击载荷首先传到玻璃上，然后玻璃再将载荷传到内窗框上，内窗框再通过3个摇臂和1个导向轮将载荷传到上下两个导轨上，导轨再通过接头和螺栓将载荷传到飞机框架上。

2计算模型

2.1鸟体模型

采用状态方程，状态方程为P=P0+B［(ρ/ρ0)γ－1］(1)式(1)中，P0为初始压强，B是刚度，γ为无量纲系数，ρ0为鸟体的初始密度，ρ为当前密度。材料参数采用李玉龙等人的结果，该参数为他们利用鸟撞平板实验，并使用对试验中的鸟体参数进行反演得到，将反演得出的参数代入模型进行计算，计算结果与实验吻合较好。根据Nizampatnam等的研究结果，鸟体采用两头为半球的，长度是直径两倍的圆柱体更能准确模拟鸟体。鸟体的撞击速度为116m/s，速度方向为逆航向。

2.2机构模型

由于在撞击中，摇臂、连杆等有大的转动，对转轴运动有两种方法，一种是将建立细致体元模型，在转动副之间定义接触另一种是通过释放梁元节点的自由度，让其能在某些方向上能够自由转动。这两种方法各有优缺点。第一种方法对模型的精细度要求较高，要求单元要足够小，这是因为几何上为圆的结构在有限元后建模中变成多边形，而多边行之间是不能相互转动的，只有通过增加单元数目逼近圆形，太小的单元尺寸不仅增加了模型的规模，同时也减少了计算的时间稳定步，影响计算效率。但只要单元足够细，它能够准确得到接触面的应力，并能计入转动副的摩擦力。第二种方法建模简单，模型规模小，计算速度快，但接触面的应力不准确，并且难计入转动副的摩擦力。该模型规模较大、构型复杂、采用第一种方法建模工作量大、过小的单元会影响计算速度，并且转轴的转动与风窗和外框之间的缝隙密切相关，所以采用第二种方法建模。

2.3整体模型

截取风窗周围的框架，并在截取处固支，鸟撞位置所示。整个模型有278727个实体单元，1357个梁元，16416个SPH粒子，结构部件和部件之间用TIE连接，鸟体和风窗的接触为PAM-CRASH里面的34号点对面接触。模型所有材料都用的双线性弹塑性模型，风窗的玻璃为MDYB—3，上导轨及其与上长桁连接的接头、连杆、扭力杆等为30CrMnSiA，摇臂为40CrNi2SiMoVA，窗框和下导轨为7050—T7451，外框部件之间连接的带板为LY12MCZ，外框材料为2024—T351，三面接头等为LY12BCZYU。

3计算结果

初始设计中，上导轨与上长桁的接头上接头为，由于分析发现风窗和外框之间缝隙较大，鸟体进入飞机内部，不满足适航标准。分析了产生缝隙的原因并进行相应的改进，更改了上接头和在后框和通风窗之间加了挡块

3.1鸟体接触力结构的更改对鸟撞载荷的影响不太大，改进设计的鸟撞载荷在1.25ms以前比初始设计的鸟撞载荷只略微高一点，在0ms和1.25ms之间，其改进设计的平均值比初始设计高0.6kN。在1.25ms左右，鸟撞载荷突然增高，这是因为由于在试验状态下，飞机内部没有加压，风窗玻璃比后框要低2.5mm，鸟体撞击玻璃后发生流动变形，然后贴着玻璃向后滑动，当滑动到了玻璃和后框形成的台阶处时，鸟体正撞这个台阶，导致鸟撞载荷升高。

3.2鸟体和玻璃的变形结构的改变对鸟体和玻璃的影响并不太大，也可以得出相同结论，所以本文只给出改进后结构鸟体的变形情况。鸟体的变形呈现流体行为，并且鸟体内部应力传播非常慢，在鸟体头部接触到玻璃并产生严重变形的时候，鸟体的后面部分几乎没发生变形14－a和14－b。在这个过程中，玻璃也随着鸟体向逆航向运动，并碰撞到后框上，在玻璃和后框接触的局部产生较大变形，－d，该处的应力超过玻璃的强度极限，达到了85MPa，但破坏的区域很小，并且不影响玻璃的整体安全。而玻璃的其它地方应力较低，都在屈服强度以内。

3.3缝隙初始设计中，当鸟撞击玻璃时，会在风窗的右上角产生缝隙。玻璃和外框(后框和上下长桁)框之间在厚度方向上有3.5mm的重叠部分，所以只要玻璃和外框有3.5mm以上的相对位移则玻璃和外框之间就会出现缝隙。在初始设计中，玻璃与外框之间的最大相对位移为5.9mm，之间形成了2.4mm的缝隙。同时，由于鸟体撞击玻璃后会形成很小的碎粒，有可能进入飞机内部，不符合适航要求。∠A从37.8°增加到44.5°，摇臂顺时针旋转，带动整个窗体向内和向后(向左)运动，∠B从153°增加到160°，这是由于导轨对摇臂的支撑刚度不够，风窗绕着摇臂和风窗的内框连接处旋转。这两个原因导致玻璃和外框之间的相对位移过大，产生了缝隙。所以针对这两个原因做了所示的更改:在内框和后框之间加挡块，限制玻璃向后移动，进而限制玻璃向后移动，提高上接头的刚度，进而减少玻璃的转动。更改后的结构得到满足要求的结果，玻璃和风窗之间的相对位移减低到3.4mm，小于重叠厚度3.5mm，没有缝隙产生。

4结论

如本文所示的结构，玻璃在与后框所碰撞的边缘有局部的破坏，但这并不影响整个的承载和阻挡鸟体进入的功能。但由于机构的位移、转动、以及变形导致整个玻璃向飞机内部移动，导致玻璃和外框之间出现了2.4mm的缝隙，该缝隙足以导致被撞击成流体状的鸟体进入飞机内部，进而击伤乘客。所以相对于只有击穿玻璃鸟体才能进入飞机内部的固定结构而言，对机构的准确建模是带有结构的结构分析鸟撞的一个重要前提。通过梁元自由度的合理选择能够非常简便的准确模拟结构各转动副之间的自由度，从而在动态分析中准确模拟机构的运动。在此基础上，一方面加强支持机构的刚度，另外一方面约束机构的运动，通过对改进后的结构重新分析，满足强度和刚度的要求，整个结构没有破坏，并且鸟体没有进入飞机内部。

作者：寇剑锋徐绯赵佳欣朱高尚单位：西北工业大学航空学院