飞机风挡玻璃所受应力的物理模拟及其破碎机制的分析

采用物理模拟的方法。依据光弹性实验对飞机风挡玻璃所受到的应力进行了分析，同时给出了玻璃产生破碎的临界应力值，并在此基础上提出了风挡玻璃在安装和使用过程中可能会产生的隐形安全问题以及对应的解决方法，为避免和消除使用期飞机风挡玻璃安全性隐患、优化安装结构提供了新的思路和技术性建议。实验方法及实验装置：本实验采用光弹性实验分析法，并利用高强金属制框架与飞机风挡玻璃材料相同批次材质的平板玻璃进行实验测量受力过程。图1为玻璃框架设计图，三面均可以用螺丝对玻璃施力，可以很好地模拟飞机在运行过程中飞机风挡玻璃受到的挤压、撞击等情况。图2为本项工作的物理模拟实验装置实物图，实验室利用与飞机一致的玻璃材料，按照光路图，自行设计组装而成。图1玻璃框架设计图图2光弹性试验装置实物图实验原理：光弹性实验是一种采用偏振光测量样品受力各点应力状态的分析方法。利用各向同性的透明材料在受力状态下会产生双折射的现象，可以制作与实际构件形状相似的模型，当模型受载时，模型中任一点沿两个主应力方向的折射率不同，产生双折射现象，当此种受力模型处于偏振光场中，会观察到由双折射引起的干涉条纹。通过压力传感器可以知道对玻璃施加的外力大小，根据检偏器转过的角度可以确定光程差的大小。根据光的波动理论，由光源发出的光经过起偏镜P后成为平面偏振光，它通过玻璃样品后，产生双折射，使光沿着两个主应力方向分解为两束折射率不同的平面偏振光，其传播速度不同，产生光程差△，当检偏镜A的振动轴与起偏镜P振动轴正交时，光通过A镜后，就变成了与A镜振动轴平行的平面振动波，并产生光干涉现象。然后根据应力光学定律：这就是平面光弹性实验的平面应力—光学定律。由式（1）可见，当模型厚度一定时，任一点的光程差与该点的主应力差成正比。实验步骤：在飞机起降过程中，特别是落地过程中，会有更大的反冲力作用与机体。因此，在本实验中为了与真实情况保持一致，将施力方向指定为玻璃的底侧端面进行。实验结果与分析：在进行实验时，通过调整玻璃固定装置侧面的螺栓旋钮，逐渐对玻璃进行施压，并且通过旋转起偏镜与检偏镜，记录不同载荷下不同旋转角度对应的光程差，结果如图3所示。图中横坐标为施加载荷的值，左侧的纵坐标代表镜片旋转的角度，右侧的纵坐标代表所测的光程差。图3玻璃样品所受外力与光程差（双折射偏转角度）关系图实验过程中，当外力加到2646N（270kg）时，光程差达到690.5nm，钢化玻璃碎裂。由玻璃样品所受外力与光程差关系图可知，在受外力较小时，随着外力增大光程差增加缓慢，当外力超过2058N（210kg）后，随着玻璃所受外力的增大，光程差增加显著。当光程差达到690nm左右时，飞机风挡玻璃会发生起裂，由于使用的是钢化玻璃，所以会因预应力影响而发生爆裂碎化。引起玻璃破碎的因素：（1）玻璃表面的老化。由于陆地与高空温度的差异，在飞机的窗体表面非常容易结霜和水汽，这就大大增加了玻璃表面与水分子之间的接触机会，从而使得玻璃老化速度加快。（2）微裂纹的产生和扩展。对于玻璃表面而言，当新鲜玻璃生产出来之后，随着堆垛、运输以及后续加工过程，将会不断产生一些微裂纹，而这些微裂纹的存在，由于毛细现象，进入裂纹尖端的水蒸气将会与SiO2发生化学反应，引起微裂纹的进一步扩展。由于飞机经常飞行在高空，使得地面温度与高空温度存在很大的温差，而这些温差的变化将会引起飞机窗体材料不同程度的膨胀和收缩，必然会带来一些应力方面的变化。当玻璃长期经受这种应力方面的疲劳变化，可能会影响到微裂纹的产生和扩展。（3）微裂纹产生的位置。飞机进行使用中，起落都会对窗体材料定向造成一定的载荷变化。窗体材料安装到飞机窗框位置后，玻璃的底部将会经受额外重力的影响，并且当飞机降落时，飞机起落架与跑道之间的瞬间接触会产生很大的接触震动，这些震动都将会传递至窗体材料，尤其在窗体的底部，受到的冲击力将会是整个窗体中最大的部位。当微裂纹积累到一定的程度，并且出现在边缘位置时，当外力达到一定的长度，裂纹便会扩展，进而引起整体玻璃的碎裂。图4为实际飞机玻璃使用期间碎裂之后的实物拍摄图，从图中裂纹的起裂点可以看出，其位置与以上的分析内容相一致，出现在窗体的下边部位置。图4飞机挡风玻璃在边部的起裂区（a）与局部放大（b）通过一系列实验可以得出：通过对玻璃边部施加载荷，飞机风挡玻璃受力破裂的临界值光程差为690.5nm，对应的载荷力为26