民用飞机风挡结构符合性验证方法

民用飞机风挡结构符合性验证方法

风挡是飞机驾驶舱的重要组成部件，它为驾驶员提供了良好的视界。目前民用飞机驾驶舱一般布置有4块或者6块风挡，风挡一般采用多层组合结构，外层非承力层为无机玻璃，具有良好的耐腐蚀性、硬度和导热性；里层一般由两层主承力层组成，一般为无机玻璃或丙烯酸有机玻璃。由于风挡长期承受气动载荷、增压载荷、光照、冰雹、鸟撞冲击和气动加热等的影响，风挡设计不仅要满足视界要求，有良好的光学性能，还要满足静强度、疲劳强度、动强度和耐老化性能等要求。

风挡结构形式比较复杂，是由透明件、夹层、玻璃纤维、紧固件、金属压板、加热系统、密封材料等组成的组合件。不同透明件材料、制造工艺、环境湿热等都对风挡强度有着明显的影响，其结构符合性验证方法不同于金属结构件。本文针对不同风挡结构形式，分别对其结构符合性验证进行了研究。

结构介绍

民用飞机驾驶舱风挡设计主要有两种结构形式：非承载式风挡和承载式风挡。这两种风挡在设计理念上存在着较大的差异。

对于非承载式风挡，风挡设计为开口式设计，风挡仅承受自身的气密载荷，不能传递机身载荷。由于风挡不能传递机身载荷，风挡开口造成了原有连续结构传力路径的中断，需要加强周围窗框强度以承受原开口处结构所承受的载荷以及由于载荷重新分布引起的内力，而风挡所在座舱盖区域本身又有抗鸟撞要求，因此，周围窗框一般是刚度设计，窗框既要满足刚度要求，又要满足强度要求。

非承载式风挡通常分为压板式和螺接式。压板式结构形式如图1所示。风挡与窗框之间未直接连接紧固件，风挡压板和窗框通过紧固件进行连接，将风挡夹紧在两者之间，这种设计通常被称为“夹紧设计”。该形式在空客客机上得到大规模的应用。

螺接式结构形式如图2所示。该形式与压板式略有不同，窗框直接通过螺栓与风挡连接。螺栓与安装孔之间安装有橡胶衬套，通过该设计，可以使螺栓在连接风挡与窗框的同时，窗框上机身载荷不能传递到透明件上。空客系列飞机一般采用该螺接形式。

图1 压板式风挡连接示意图

图2 螺接式风挡连接示意图

上述两种非承载式设计从结构上来说安装形式比较简单，对配合精确度要求也不太高；从设计上来说相对也比较简单，风挡不参与机身载荷的传递，相互间不存在内力耦合，可以分别对风挡和机体结构进行分析，符合性验证也可以分开进行。但缺点在于：结构形式相对比较笨重，周围窗框骨架刚度很强。

承载式风挡，顾名思义，风挡将参与机身传力。当采用这种设计时，风挡必须是曲面风挡玻璃，风挡才能有效的以膜张力形式传递机身载荷。由于风挡能传递机身载荷，风挡对其周围的窗框结构起着加强作用，座舱盖区域传力路径连续，可以有效的减轻周围窗框重量。承载式风挡目前应用范围较小，主要应用在支线客机和公务机上，如ERJ、CRJ等。图3为承载式风挡结构形式图。

从图3中可以看出，机身载荷通过紧固件传递至风挡，风挡承受面内张力。在这种设计中，风挡与窗框之间的连接、风挡与窗框刚度的匹配都需要经过精心的设计和控制，风挡周围的窗框在各个拐角处要设计的“软”一些，这样可以使得风挡实际处于薄膜张力状态，从而使飞机窗框与风挡之间产生最大的直接结构配合，风挡周围窗框得到有效的加强，风挡也能产生最大的环向张力。

与非承载式相比，承载式风挡参与机身载荷的传递，周围窗框刚度较弱，但对设计要求很高，风挡与窗框刚度匹配、风挡与窗框之间的连接都需要经过精细设计，风挡与窗框之间存在内力耦合，需组合相应结构进行分析。由于风挡本身透明件材料组成变动范围大，材料性能分散性大，且其性能还会随着温度和湿度产生变化，这些因素耦合在一起，对承载式风挡与窗框的分析与验证提出了更高的要求。

验证方法

由于非承载式风挡与承载式风挡结构形式不同，受载形式不同，接下来将分别对两种形式结构符合性验证方法进行阐述。

非承载式风挡

图4为非承载式风挡受载示意图，当气密载荷作用在风挡上时，气密载荷通过横向剪切形式传递至周围窗框，而周围窗框上的载荷无法通过风挡进行传递。图5为非承载式风挡结构应力云图。从图中可以看出，中间风挡结构与周围支撑机构应力云图不连续，传力路径不连续。

由于非承载式风挡不参与机身载荷的传递，可以单独对其进行验证，一般可采用试验验证结构在极限载荷、破损安全载荷及疲劳载荷下满足CCAR-25-R4 25.775（d）条款的要求。

对于极限静强度，风挡需承受最大极限压差载荷、外部气动压力、温度载荷以及飞行载荷的联合作用，同时还需要考虑制造差异、材料分散性、材料性能衰减及环境等的影响，因此极限载荷在25.365（d）条款2倍释压活门最大调定值的基础上，再增加2.0的安全系数。基于上述极限载荷，试验无法在机体结构上进行（机体极限气密载荷为2倍释压活门最大调定值），需制作专门的夹具进行试验。试验分别要在高温和低温（环境温度）下进行，具体高温和低温温度由飞机温度-高度设计包线和机体结构温度确定，高温还要考虑风挡加热系统温度的影响。

风挡为破损安全设计，当主承力层中的一层损坏时，剩余单层主承力层需要能够承受压差载荷、外部气动压力、温度载荷以及飞行载荷的联合作用，确保飞机能够完成本次飞行并安全降落。破损安全载荷为释压活门最大调定值加上外部气动压力的综合作用，为考虑制造差异、材料分散性、材料性能衰减及环境等的影响，还需要引入载荷系数。载荷系数如表1所示。

图3 承载式风挡连接示意图

图4 非承载式风挡结构受载示意图

图5 非承载式风挡结构应力云图

表1 材料系数表

破损安全试验同样需要使用专门夹具，分别在高温和低温环境下进行。由于试验验证飞机是否能在破损安全状况下安全完成本次飞行，因此试验保载时间需根据飞机最远航程时间确定。

图6 承载式风挡受载示意图

图7 承载式风挡结构应力云图

一般风挡透明件具有良好的抗疲劳性能，但是风挡材料分散性远远大于金属材料，因此在进行疲劳试验时，需要考虑材料分散性的影响。常用的方法有以下两种：1）采用增加疲劳循环次数的方式消除材料分散性的影响；2）不增加疲劳试验循环次数（等于飞机结构寿命），提高试验应力水平。由于风挡寿命一般仅为全机寿命的1/5，试验可采用专门夹具或直接在机体结构上进行，但在采用上述两种试验方法前需评估应力水平提高或循环次数增加对周围夹具或机身结构的疲劳性能影响。

承载式风挡

图6为承载式风挡受载示意图。当气密载荷作用在风挡上时，气密载荷部分通过横向剪切形式传递至周围窗框，部分通过膜向张力形式传递至周围窗框；而风挡本身也传递机体结构载荷。图7为承载式风挡结构应力云图，可以看出，风挡与周围支撑结构之间应变分布连续，传力路径连续。

由于承载式风挡参与机身载荷的传递，风挡与周围机体结构之间存在内力耦合，因此，需要将承载式风挡作为结构件对其进行验证，其验证条款不仅仅局限于25.775条款，还包括了25.305和25.307条款。

对于机头座舱盖区域结构，静强度严重工况为2倍气密工况（2倍释压活门最大调定值），考虑到制造差异、材料分散性、材料性能衰减及环境等的影响，风挡极限载荷在2倍气密工况的基础上，再增加2.0的安全系数。与非承载式风挡不同之处在于，风挡还参与机身载荷的传递，边界条件需要考虑机身载荷传递的影响。而直接采用专门夹具固定风挡进行试验未能考虑机身载荷传递的影响，仅通过试验进行验证不能满足验证要求。承载式风挡验证采用试验辅以理论分析的方式进行验证。在理论分析时，建立有限元模型分别对机身边界和夹具固定边界情况进行对比，确定边界条件对风挡内力分布的影响。

在承载式风挡破损安全验证时，除承受上述外部载荷外（同非承载式风挡），同样还需要考虑机身载荷传递的影响，验证采用试验辅以理论分析的方式，在理论分析时，确定边界条件对风挡内力分布的影响。

承载式风挡疲劳验证试验可直接在机体结构上进行，试验方法同非承载式。若采用专门夹具进行试验，也需要结合理论分析确定边界条件对风挡内力分布的影响。

结语

随着民用航空技术的发展，风挡设计形式也呈现出多样化，结构形式的变化给结构符合性验证带来了新的挑战。本文对不同风挡结构进行了剖析，明确了其承载特点和传力原理，确定了不同形式风挡的结构符合性验证方法。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.021