飛機(jī)風(fēng)擋玻璃所受應(yīng)力的物理模擬及其破碎機(jī)制的分析

采用物理模擬的方法。依據(jù)光彈性實(shí)驗(yàn)對(duì)飛機(jī)風(fēng)擋玻璃所受到的應(yīng)力進(jìn)行了分析，同時(shí)給出了玻璃產(chǎn)生破碎的臨界應(yīng)力值，并在此基礎(chǔ)上提出了風(fēng)擋玻璃在安裝和使用過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生的隱形安全問(wèn)題以及對(duì)應(yīng)的解決方法，為避免和消除使用期飛機(jī)風(fēng)擋玻璃安全性隱患、優(yōu)化安裝結(jié)構(gòu)提供了新的思路和技術(shù)性建議。實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)裝置：本實(shí)驗(yàn)采用光彈性實(shí)驗(yàn)分析法，并利用高強(qiáng)金屬制框架與飛機(jī)風(fēng)擋玻璃材料相同批次材質(zhì)的平板玻璃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量受力過(guò)程。圖1為玻璃框架設(shè)計(jì)圖，三面均可以用螺絲對(duì)玻璃施力，可以很好地模擬飛機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中飛機(jī)風(fēng)擋玻璃受到的擠壓、撞擊等情況。圖2為本項(xiàng)工作的物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖，實(shí)驗(yàn)室利用與飛機(jī)一致的玻璃材料，按照光路圖，自行設(shè)計(jì)組裝而成。圖1玻璃框架設(shè)計(jì)圖圖2光彈性試驗(yàn)裝置實(shí)物圖實(shí)驗(yàn)原理：光彈性實(shí)驗(yàn)是一種采用偏振光測(cè)量樣品受力各點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的分析方法。利用各向同性的透明材料在受力狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生雙折射的現(xiàn)象，可以制作與實(shí)際構(gòu)件形狀相似的模型，當(dāng)模型受載時(shí)，模型中任一點(diǎn)沿兩個(gè)主應(yīng)力方向的折射率不同，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，當(dāng)此種受力模型處于偏振光場(chǎng)中，會(huì)觀察到由雙折射引起的干涉條紋。通過(guò)壓力傳感器可以知道對(duì)玻璃施加的外力大小，根據(jù)檢偏器轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以確定光程差的大小。根據(jù)光的波動(dòng)理論，由光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)起偏鏡P后成為平面偏振光，它通過(guò)玻璃樣品后，產(chǎn)生雙折射，使光沿著兩個(gè)主應(yīng)力方向分解為兩束折射率不同的平面偏振光，其傳播速度不同，產(chǎn)生光程差△，當(dāng)檢偏鏡A的振動(dòng)軸與起偏鏡P振動(dòng)軸正交時(shí)，光通過(guò)A鏡后，就變成了與A鏡振動(dòng)軸平行的平面振動(dòng)波，并產(chǎn)生光干涉現(xiàn)象。然后根據(jù)應(yīng)力光學(xué)定律：這就是平面光彈性實(shí)驗(yàn)的平面應(yīng)力—光學(xué)定律。由式（1）可見(jiàn)，當(dāng)模型厚度一定時(shí)，任一點(diǎn)的光程差與該點(diǎn)的主應(yīng)力差成正比。實(shí)驗(yàn)步驟：在飛機(jī)起降過(guò)程中，特別是落地過(guò)程中，會(huì)有更大的反沖力作用與機(jī)體。因此，在本實(shí)驗(yàn)中為了與真實(shí)情況保持一致，將施力方向指定為玻璃的底側(cè)端面進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)調(diào)整玻璃固定裝置側(cè)面的螺栓旋鈕，逐漸對(duì)玻璃進(jìn)行施壓，并且通過(guò)旋轉(zhuǎn)起偏鏡與檢偏鏡，記錄不同載荷下不同旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的光程差，結(jié)果如圖3所示。圖中橫坐標(biāo)為施加載荷的值，左側(cè)的縱坐標(biāo)代表鏡片旋轉(zhuǎn)的角度，右側(cè)的縱坐標(biāo)代表所測(cè)的光程差。圖3玻璃樣品所受外力與光程差（雙折射偏轉(zhuǎn)角度）關(guān)系圖實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)外力加到2646N（270kg）時(shí)，光程差達(dá)到690.5nm，鋼化玻璃碎裂。由玻璃樣品所受外力與光程差關(guān)系圖可知，在受外力較小時(shí)，隨著外力增大光程差增加緩慢，當(dāng)外力超過(guò)2058N（210kg）后，隨著玻璃所受外力的增大，光程差增加顯著。當(dāng)光程差達(dá)到690nm左右時(shí)，飛機(jī)風(fēng)擋玻璃會(huì)發(fā)生起裂，由于使用的是鋼化玻璃，所以會(huì)因預(yù)應(yīng)力影響而發(fā)生爆裂碎化。引起玻璃破碎的因素：（1）玻璃表面的老化。由于陸地與高空溫度的差異，在飛機(jī)的窗體表面非常容易結(jié)霜和水汽，這就大大增加了玻璃表面與水分子之間的接觸機(jī)會(huì)，從而使得玻璃老化速度加快。（2）微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。對(duì)于玻璃表面而言，當(dāng)新鮮玻璃生產(chǎn)出來(lái)之后，隨著堆垛、運(yùn)輸以及后續(xù)加工過(guò)程，將會(huì)不斷產(chǎn)生一些微裂紋，而這些微裂紋的存在，由于毛細(xì)現(xiàn)象，進(jìn)入裂紋尖端的水蒸氣將會(huì)與SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起微裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。由于飛機(jī)經(jīng)常飛行在高空，使得地面溫度與高空溫度存在很大的溫差，而這些溫差的變化將會(huì)引起飛機(jī)窗體材料不同程度的膨脹和收縮，必然會(huì)帶來(lái)一些應(yīng)力方面的變化。當(dāng)玻璃長(zhǎng)期經(jīng)受這種應(yīng)力方面的疲勞變化，可能會(huì)影響到微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。（3）微裂紋產(chǎn)生的位置。飛機(jī)進(jìn)行使用中，起落都會(huì)對(duì)窗體材料定向造成一定的載荷變化。窗體材料安裝到飛機(jī)窗框位置后，玻璃的底部將會(huì)經(jīng)受額外重力的影響，并且當(dāng)飛機(jī)降落時(shí)，飛機(jī)起落架與跑道之間的瞬間接觸會(huì)產(chǎn)生很大的接觸震動(dòng)，這些震動(dòng)都將會(huì)傳遞至窗體材料，尤其在窗體的底部，受到的沖擊力將會(huì)是整個(gè)窗體中最大的部位。當(dāng)微裂紋積累到一定的程度，并且出現(xiàn)在邊緣位置時(shí)，當(dāng)外力達(dá)到一定的長(zhǎng)度，裂紋便會(huì)擴(kuò)展，進(jìn)而引起整體玻璃的碎裂。圖4為實(shí)際飛機(jī)玻璃使用期間碎裂之后的實(shí)物拍攝圖，從圖中裂紋的起裂點(diǎn)可以看出，其位置與以上的分析內(nèi)容相一致，出現(xiàn)在窗體的下邊部位置。圖4飛機(jī)擋風(fēng)玻璃在邊部的起裂區(qū)（a）與局部放大（b）通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)可以得出：通過(guò)對(duì)玻璃邊部施加載荷，飛機(jī)風(fēng)擋玻璃受力破裂的臨界值光程差為690.5nm，對(duì)應(yīng)的載荷力為26