飞机风挡侧窗有机玻璃裂纹分析

2011-04-27齐东栋

失效分析与预防 2011年3期

齐东栋，胡敏，傅强

(中国人民解放军驻三二O厂军事代表室，南昌 330024)

0 引言

飞机透明件上如果存在裂纹会影响飞机透明件的承载能力，降低其使用寿命，严重的可能引起透明件空中爆破，给飞机带来极大的安全隐患［1］。所以，一旦发现飞机透明件上存在裂纹必须对其进行分析研究，找出裂纹产生的原因，并采取相应措施消除隐患，避免发生危险。

某型飞机根据实际需要进行了改装，在厂内试飞阶段，一架飞机在飞行3个架次后的例行检查中发现风挡两侧的侧窗玻璃外周出现多处裂纹，裂纹最长达22mm。对其他飞机的风挡进行普查，发现有8架飞机在相同区域也存在不同程度的裂纹。所有出现裂纹的飞机均为待交付飞机，飞行小时数均很少。本研究通过对风挡侧窗玻璃裂纹的形貌特征进行宏观检查、微观分析及设计相关验证实验，并对主要受力部位的应力情况进行计算，以确定裂纹产生的原因，从而为此类故障的分析提供借鉴。

1 试验过程与结果

1.1 外观检查

出现裂纹的风挡侧窗玻璃外观形貌见图1，为圆弧形特征，分为凸面和凹面，表面投影呈近似三角形。在其外周一圈有多处裂纹，裂纹分布在螺栓孔U型槽附近，但绝大多数未与槽底相交，裂纹典型形貌如图1中A、B、C区。其中A区为风挡吊挂螺栓附近区域，也是裂纹最多而且密集的区域，其裂纹形貌见图2，呈放射状分布，表明该处存在较大的应力集中，B区、C区的裂纹形貌分别见图3、图4。在玻璃外周凹面U型安装槽R转角处有机玻璃与密封腻子接触的区域可看到明显的棕黄色带状区，裂纹均位于该区域，并从该区域表面起源，沿有机玻璃厚度方向扩展。风挡侧窗玻璃使用的YB－3航空非定向有机玻璃为无

1.2 断口观察及红外分析

人为打开风挡侧窗玻璃上的裂纹，对裂纹断口进行高倍观察，A区裂纹的断口源区高倍形貌见图5，可见明显的腐蚀形貌。为进一步判定玻璃上的棕黄色带状区是否为接触溶剂造成的，对棕黄色带状区物质及有机玻璃本体的试样进行红外分析，结果见图6和图7。可见，棕黄色带状区物质及有机玻璃本体的各红外谱带的位置及强度基本相同，但棕黄色带状区物质在1599.9 cm－1和1579.6 cm－1表现为双峰、在1285.9 cm－1和698.9 cm－1有明显的峰，在1070 cm－1附近的吸收强度比有机玻璃强。有机玻璃在1637.4、1274.3、1243.3 cm－1有吸收峰，而棕黄色带状区物质则没有上述谱带特征。棕黄色带状区物质与有机玻璃红外谱图的异同表明棕黄色带状区物质可能是有机玻璃被某种溶剂腐蚀后的产物。

高倍观察和红外分析表明，风挡侧窗玻璃在色透明材质，出现棕黄色带状区说明该区域的有机玻璃材料已发生变化。特定区域内受到了一定的腐蚀作用。综合宏观上裂纹扩展方向具有一定的规律性和微观检查存在腐蚀形貌，可以断定某型飞机风挡侧窗玻璃裂纹为溶剂与应力共同作用所致。

2 受力分析

裂纹起源的棕黄色带状区位于风挡侧窗玻璃U型安装槽R转角处有机玻璃与密封腻子接触的区域，从棕黄色带状区上裂纹分布的情况来看，在吊挂螺栓附近区域应力较为集中，为了搞清吊挂螺栓附近区域应力集中的原因以及其应力水平是否处于安全使用的范围，对吊挂螺栓处的受力情况进行了分析。

2.1 吊挂螺栓处细节有限元模型简介

飞机风挡由防弹玻璃、左右两块侧玻璃、弧框及支撑骨架组成。风挡弧框吊挂螺栓处是由蒙皮、外层橡胶垫、玻璃、内层橡胶垫和内衬板5层组成(图8)，经实际测量，玻璃与内衬板之间存在4.5～5mm 的间隙。

按吊挂螺栓处的结构形式建立局部三维细节有限元模型。模型采用体单元和杆单元分别模拟蒙皮、外层橡胶垫、玻璃、内层橡胶垫、弧框骨架和内衬板(图9)。蒙皮和内衬板的厚度为2.0mm，材料牌号为LY12;玻璃的厚度为10mm，材料为YB－3航空有机玻璃，弧框骨架厚度为4.0mm，材料牌号为LY12。

2.2 局部有限元强度分析

1)边界条件

(1)载荷

螺栓在装配时使用定力扳手，拧紧力矩控制为2～2.5 N·m，按最大值2500 N·mm进行计算。

查设计手册，螺栓由拧紧力矩产生的拉力公式为

式中:M为拧紧力矩，M=2500 N·mm;α为螺纹上升角，tg α =t/(πd2)，t=1mm(螺距);ρ为螺纹的摩擦角，tg ρ=f;f为螺栓与螺母之间的摩擦系数，f=0.3(干燥的摩擦面);d2为螺纹平均直径，d2=5.350mm;D为螺母底圆直径，D=10mm;μ为螺母边缘端面摩擦系数，μ=0.2(加工过表面);d0为螺纹外径，d0=6mm;d1为螺纹内径，d1=4.917mm;α =3.405°，ρ=16.69°。

拉力大小为:

(2)约束

在模型边缘施加相应的约束，螺栓拧紧力矩情况下吊挂螺栓处局部三维细节有限元模型约束见图10。

图10 三维细节有限元模型约束图Fig.10 Constraint map of 3D detail FEM

2)有限元应力分析结果

应用MSC.NASTRAN进行螺栓拧紧力矩作用下有限元应力分析，得出有机玻璃外表面应力为－20.1 MPa，内表面应力为17.7 MPa，有机玻璃最大位移为0.189mm，在螺栓孔边(图11)。

3)强度校核

YB－3航空有机玻璃材料

剩余强度系数:

图11 有机玻璃位移示意图Fig.11 Schematic diagram of acrylic glass displacement

由图11可以看出，有机玻璃在螺栓拧紧力矩作用下，孔边局部向内变形，并在内表面产生拉伸应力。

2.3 吊装及增压情况下受力分析

对在吊装及座舱增压情况下风挡侧窗玻璃的受力情况也进行了计算。在吊装情况下风挡侧窗玻璃不受力，力由外蒙皮和内衬板传递。在座舱增压载荷下侧窗玻璃最大应力为17.4 MPa，在吊挂螺栓处的总体应力为3.81 MPa。YB－3航空有机玻璃的强度值为76.5 MPa，在玻璃未受到腐蚀时，在总体应力和附加装配应力共同作用下，风挡侧窗玻璃吊挂螺栓处仍能满足强度要求。

3 分析与讨论

有机玻璃裂纹是由银纹发展而来的。有机玻璃银纹又分为溶剂银纹、应力银纹和应力－溶剂银纹［2］，银纹产生的原因不同，其微观形貌也不相同。溶剂银纹是在溶剂的侵蚀作用下产生的，其微观分子结构呈无序交织状态。应力银纹在应力作用下产生，其分子结构的微观形貌相对平滑;而应力－溶剂银纹则是在应力和溶剂的共同作用下产生，具有溶剂银纹和应力银纹的双重特性，即宏观看来银纹取向一致，排列有序，但其微观结构并不平整光滑，而是相对粗糙，呈一定的交织状态。应力－溶剂银纹的门槛应力值低，容易产生，在应力集中和溶剂腐蚀作用大的位置银纹更密集［3］。

YB－3航空有机玻璃是以甲基丙烯酸甲酯、少量增塑剂、耐光剂为主要原料经本体聚合而成的浇注有机玻璃板材，耐老化性能和成形加工工艺性能良好［4］。它可溶解于丙酮、甲乙酮、二氯乙烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、乙酸丁酯和苯，在甲醇、乙醇、异丙醇和四氯化碳中会溶胀［4］。针对风挡侧窗玻璃上的腐蚀痕迹集中在与密封腻子接触的区域，着重对该部位的情况进行了分析。

风挡侧窗玻璃与螺栓连接处采用XM－48不干性密封腻子密封，XM－48不干性密封腻子是以丁基橡胶为主成分的单组份材料，主要用于飞机机身、座舱的缝内密封和座舱盖玻璃与舱盖前后弧框连接处的密封［5］，由于XM－48密封腻子不会硫化，其致密度不如硫化密封剂致密，若暴露在含有溶剂成分的环境中，能够吸附含有溶剂成分的物质，对所接触的有机玻璃产生侵蚀作用。经过对生产过程中可能与XM－48密封腻子接触的溶剂进行排查，初步认为对有机玻璃起腐蚀作用的物质为FN－303胶粘剂的溶剂，它是氯丁橡胶、叔丁酚甲醛树脂、乙酸乙酯和汽油的混合溶剂［6］，该溶剂中的乙酸乙酯对有机玻璃有溶解作用。

为验证风挡侧窗玻璃上的棕黄色物质为YB－3航空有机玻璃受到FN－303胶粘剂腐蚀作用后的产物，对YB－3航空有机玻璃进行了模拟腐蚀试验。将浸在乙酸乙酯中24 h后的XM－48密封腻子贴在YB－3有机玻璃试样表面，放入烧杯中封存，24 h后两者贴合面的颜色呈现浅棕色，随着接触时间的增加，其颜色会慢慢加深。进一步对风挡侧窗玻璃上的棕黄色物质和FN－303胶粘剂进行红外光谱分析，两者的特征吸收峰相吻合;因此可断定，风挡侧窗玻璃上的腐蚀痕迹是由FN－303胶粘剂所致。

由于FN－303胶粘剂对YB－3航空有机玻璃的腐蚀作用，使得风挡侧窗玻璃产生银纹的门槛应力值降低，在相对较小的应力作用下即可产生银纹，并进而发展成裂纹［7］。由于在吊挂螺栓处玻璃与衬板之间有间隙，在螺栓拧紧力矩作用下玻璃局部受弯，使玻璃产生附加装配应力，此装配应力使得吊挂螺栓附近区域玻璃的应力水平高于其他部位，在腐蚀环境中就比其他部位更容易出现裂纹。