飞机座舱盖有机玻璃裂纹产生的原因及修理方案—飞机专业毕业论文设计.doc

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1、 毕业论文（设计）飞机座舱盖有机玻璃裂纹产生的原因及修理方案 院 系 航空装备维修工程系 专 业 飞机维修工程 班 级 学 号 姓 名 指导老师 二一四年 月 日诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的大专毕业论文（设计），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果。尽我所知，除了设计（论文）中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日 目录1. 航空有机玻璃的材质和受力11.1 航空有机玻璃的材质11.2 各种飞机的座舱盖21.3 座舱盖玻璃的受力22. 航空有机玻璃裂纹产生

2、的原因和分类32.1 座舱内外静压差和局部空气动力压差所引起的应力32.2 空中温差引起的应力32.3 装配应力与残余应力42.4 航空有机玻璃裂纹的分类5 2.4.1 座舱盖有机玻璃银纹5 2.4.3 前风挡复合玻璃的炸裂53. 飞机座舱盖有机玻璃的修理方法63.1 裂纹的检查63.2.1 裂纹发生的位置及特点7 3.2.2 裂纹解决方法83.3 结论语10参考文献12致 谢13飞机座舱盖有机玻璃裂纹产生的原因及修理方案摘要:航空有机玻璃的主要成分是聚甲稀基丙酸甲酯，另含有增塑剂，具有优良的光学性能，特别是光学畸变及角位移很小，常用于飞机座舱盖玻璃。座舱盖玻璃是飞行员借以观察外界的透明件，又

3、是飞机机体结构件，其结构的完整性与飞行员的生存环境相关，直接影响到飞机安全和训练任务的完成。从分析航空有机玻璃的材质和受力入手，研究航空有机玻璃产生裂纹的原因，并提出修理措施。关键词： 航空有机玻璃；裂纹原因；修理方法1. 航空有机玻璃的材质和受力1.1 航空有机玻璃的材质 航空有机玻璃的主要成分是聚甲稀基丙酸甲酯，另含有增塑剂，是以甲基丙烯酸甲酯为主要原料，加入少量助剂，在引发剂作用下，经本体聚合得透明板材。聚甲稀基丙酸甲酯是无色透明的高分子化合物，常用的增塑剂是邻苯二甲酸二丁酯。航空有机玻璃具有优良的化学、强度、耐热、耐老化、耐紫外线性能，特别是光学畸变及角位移很小，具有良好的透光性，能透

4、过90%以上的阳光在常温下具有较大的强度；其抗压、抗冲击及抗弯强度均高于普通有机玻璃，特别是定向扩展性，受震是不宜淬裂；耐腐蚀性和绝缘性良好，用于飞机座舱盖，可防止空中突然爆破。飞机座舱盖包括座舱盖活动玻璃和风挡玻璃，按材质可分为单层有机玻璃和复合玻璃两种。单层有机玻璃用于座舱活动盖玻璃和侧档玻璃，多层复合玻璃一般是由多层无机玻璃，或无机玻璃与有机玻璃用透明胶片层合而成，用于前风挡，具有防鸟撞的功能。航空有机玻璃的缺点是硬度小、容易划伤；导热性差，热膨胀系数大；受到温度、日光和溶剂等作用时，性质会变化。1.2 各种飞机的座舱盖 图11 J20的座舱盖 图12 J10的座舱盖 图13 F22的座

5、舱盖 图14 F35的座舱盖 1.3 座舱盖玻璃的受力 飞行中，座舱盖玻璃除了本身的重力及发动机飞行时的惯性离心力之外，其受力主要取决于座舱内外的压力差，座舱外的压力随飞行高度增加而减少，座舱内压力从满足飞行员生理需求来看，始终保持一个大气压最好。如果座舱内始终保持一个大气压，当飞行高度升高时，座舱内外要产生相当大的压力差。这样，一个方面座舱结构必须做得很结实，使飞机的重量大大增加；另一方面座舱一旦损坏时，座舱压力会急剧下降，这对飞行员的生理危害极大，为了保证满足飞行员对体外的绝对压力要求，飞机上设置了气密座舱，并通过座舱供气设备把发动机压气机引来的增压空气经温度自动调节装置调节后将温度适宜的

6、新鲜空气源源不断地供给气密座舱，再有压力调节装置通过控制座舱的放气量，使座舱的压力随高度的增高按照一定的规律减小，以满足飞行员对体外的绝对压力266毫米水银的最低要求。因此，飞行高度越高、座舱内外的压力差越大，座舱玻璃的受力也越大。2. 航空有机玻璃裂纹产生的原因和分类 座舱盖有机玻璃的裂纹，一般是在材料某一部分存在拉伸应力的情况下产生的。当局部拉伸应力小于材料清单时。不会产生裂纹；当局部拉伸应力大于材料的强度时，就会出现裂纹。为此，要研究座舱盖裂纹产生的原因，就必须研究座舱盖玻璃的受力情况。座舱盖玻璃在使用的过程中可能承受以下几种应力：一是座舱内外静压差引起的应力；二是局部空气动力压差引起的

7、应力；三是空中温差引起的应力；四是装配应力和残余内应力。其中前三种是座舱盖玻璃在使用中产生的主要应力；但是最后一种应力往往是造成座舱玻璃裂纹的直接原因。下面来逐一分析。2.1 座舱内外静压差和局部空气动力压差所引起的应力 因飞机在高空飞行中需在座舱内增压,在内外压力作用下,整个座舱盖都参加受力,其中玻璃直接承受大部分的载荷,它的受力情况如图2所示。在内外压力差作用时,玻璃表面产生横向弯曲,其中半径方向有均匀增大的趋势,但其两侧下缘是通过粘接的涤纶带与金属骨架相连,由于金属骨架刚度较大,限制了玻璃半径的增大。因此,玻璃两侧下缘就会受到向内的作用力P侧向,在P侧向的作用下,有机玻璃产生横向弯曲,各

8、纵截面要承受弯矩而产生正应力。由于玻璃后弧上开有花槽使其强度减小,且整个座舱盖在使用过程中经常需要反复增压与卸压,所以在沿后弧花槽内、外表面很容易产生纵向的疲劳裂纹。 2.2 空中温差引起的应力由于有机玻璃的导热性较差,它的导热率只有0. 140. 17cal/m. h,比铝合金的导热率小600700倍;热膨胀性大,它在-40 +80时膨胀系数为610-51310-5/,比铝合金高24倍,当温度变化时,玻璃容易产生较大的温差应力。在飞行过程中,玻璃外表温度接近于大气温度,这个温度随飞行高度的增加而降低,玻璃内表面由于座舱加温而温度较高,从而形成玻璃内外表面温度差。温度高的内表面产生较大的膨胀,

9、温度低的外表面产生较小的膨胀,于是形成一个要膨胀,一个则限制其膨胀的情况,结果使外表面承受拉伸应力,其大小可由下式计算: t=E(t1-t2) /2 公式（11）式中: E一有机玻璃的弹性系数,单位为MPa; 有机玻璃的线膨胀系数,单位为1/; t1、t2有机玻璃的内、外表面温度值,单位为。 内表面温度通常设定为15,外表面温度与飞行高度、速度及导热率有关,现设定为-20;弹性系数和线膨胀系数取常温下的数值=6. 510-51/,E=3100MPa,代入上式得； t=31006. 510-515-(-20) /23. 53MPa 从上面计算出可得知,在正常的飞行条件下玻璃外表面所受拉伸应力较大

10、,而玻璃后弧开有花槽使强度减弱,因而容易在强度较薄弱的地方产生裂纹。2.3 装配应力与残余应力 活动盖玻璃的裂纹，有时与装配应力和残余应力有关。如玻璃与骨架的贴合不好，或者螺栓孔不正，装配时强行安装，都会造成装配应力。虽然热处理，但应力并没用完全消除，就成残余应力，这种应力一般在开锁把手附近和拐角处较大。因为该处形状复杂不易贴合；骨架的刚度较大，如果安装不注意，装配应力可能达到相当大的值 ，容易产生裂纹。 图212.4 航空有机玻璃裂纹的分类2.4.1 座舱盖有机玻璃银纹 有银有机玻璃受到温度应力及溶剂应力的作用，经过一段时间后，局部会产生微型开裂，这种微型开裂在光的照射下呈现出银色光泽，故而

11、称之为“银纹”。有机玻璃产生银纹后，透光性会降低，强度和塑性会下降。银纹长度的分散性很大，初始发生不足毫米，发展够，从几个毫米到几个厘米，甚至几十个厘米。较重的银纹还有一个特征是方向无序、相互交叉，银纹的上述特征与金属构件的裂纹不同，是高分子聚合物特殊的微观结构形成的。银纹的产生与玻璃的材质有关，使用YB-2航空有机玻璃，其抗裂纹性能差，容易产生银纹；使用的YB-3或DYB-3航空有机玻璃，抗裂纹性能好，裂纹故障较少，较轻。座舱盖玻璃银纹故障比较普遍。有关资料显示：检查1000架飞机，纹的占130架，占13%。按照银纹容限的规定，银纹故障座舱盖中 有85架超过规定，故障8.5%。银纹的产生也与

12、气候条件有关，南方气候潮湿，东北冬季严寒、冰冻时间长，都容易导致银纹的产生。有银纹扩展为裂纹和槽、孔裂纹，如果能及时发现，在飞行中快速扩展，严重时会导致座舱盖空中爆破。2.4.2 座舱盖有机玻璃槽、孔裂纹玻璃上的孔和花槽在结构上是应力集中因素，强度上是薄弱环节。该部位若有加工缺陷和装配应力就很容易产生裂纹。座舱盖玻璃后弧花槽裂纹多数出现在座舱盖中心线及两侧的几个花槽上。首先在花槽底部与玻璃内表面交界处产生，呈现角裂纹形式。裂纹找玻璃内表面沿航向，向前扩展，同时沿玻璃厚度扩展。一个花槽可能出现多个裂纹。槽、孔裂纹初始深度1毫米左右，在疲劳负荷作用下不断扩展到几个毫米或更长。如果不不能及时发现，其

13、会在飞行中迅速扩展，都会导致座舱盖玻璃空中爆破。座舱盖玻璃后花弧槽裂纹的产生，主要由于玻璃材质和加工、装配工艺因素造成。2.4.3 前风挡复合玻璃的炸裂 前风挡复合玻璃的炸裂主要发生在表层玻璃或中间层的承力玻璃。裂纹呈网状，是飞行员前方视场受限。前风挡玻璃的炸裂有的发生在飞行中，有的发生在地面停放状态，一般是玻璃内在质量问题引起的。玻璃材质不均匀，内部存在最小的结石点。在飞行负荷和温差应力作用下，结石出应力集中，导致玻璃炸裂。3. 飞机座舱盖有机玻璃的修理方法飞机座舱盖有机玻璃的故障种类较多，常见的有断裂、裂纹、银纹、气泡、脱胶、划伤发雾和发黄等各种外伤、折光缺陷。下面主要介绍几种常见故障的检

14、查与修理。3.1 裂纹的检查裂纹深度对有机玻璃的强度一显著的影响，因此在确定使用技术条件时，对裂纹的深度提出了不同的要求，由于有机玻璃的折光的影响，但从玻璃外边直接用眼睛观察时，视觉深度与实际深度游很大的差别。因此，必须对裂纹的深度进行准确的测量，常用的测量方法一YL型读数显微镜观测法，目视直尺测量法。如图31 所示是目视直尺测量法的示意图。在玻璃内有一点 图31 目视直尺测量法的示意图 A,是裂纹的深度，它离玻璃表面B，的距离是OA,噢噢噢噢噢若爱C 点观察，好像A点在B点，所以视觉的深度为GC,习惯上把GC称为测量度。经计算，有机玻璃折光率为1.49，在观测线盒有机玻璃平面的夹角为41时，

15、GC值最大，约定OA的12.6倍。因此但测量的角度为41时，只要把直尺上的读数GC，乘上2.就是视觉深度，即OA2.6GC。飞机座舱盖多为曲面，在测量当中很难保证其测量角为41，由于测量角在正负5的范围内变化，对结果的影响不大。目视直尺测量法只要用于测量深度较大的裂纹，或者深度尺寸要求精度不高的故障。其优点是简单、方便吗，缺的是误差较大，精度不高。座舱盖有机玻璃一般不允许存在裂纹。但发现玻璃上有轻微裂纹时，要根据使用条件，玻璃牌号以及机型，认真分析，判断出裂纹产生的原因限定使用条件，观测裂纹的发展状态，确定处理意见。当裂纹较大时，要停飞分析鉴定。危及飞行安全时要及时更换。3.2 飞机座舱盖玻璃

16、后弧花槽裂纹问题的解决方法 某飞机修理厂近几年来已经连续发现几起某型飞机座舱盖有机玻璃后弧花槽裂纹的问题,使用部队也时常报告由于座舱盖后弧花槽裂纹而引起飞机停飞待修的事故,如不引起重视,很容易导致座舱盖玻璃发生空中爆破的事故(1992年6月19日某部，36号飞机空中爆盖）为了彻底解决这一难题，现以该厂某飞机座舱盖为例，对后弧花槽裂纹作出一些客观分析,并提出解决方法。 3.2.1 裂纹发生的位置及特点 某型飞机座舱盖有机玻璃的结构如图1所示。该飞机座舱盖返厂后分解发现此块有机玻璃部队在使用过程中已经更换,这就说明其他的修理厂也存在类似的问题,所以这种普遍性问题更值得我们注意,在这块玻璃上发生裂纹

17、的位置及其最长裂纹尺寸列表1如下: 表1 通过上表可以看出此座舱盖有机玻璃裂纹数量之多,尺寸之长都是比较少见的,裂纹的程度已经很严重,并且这些裂纹具有以下的特点:(1)一般起源于花槽上表面倒角处,并向前、向下表面不断发展,但也有极少数裂纹是起源于下表面(21#, 23#花槽);(2)花槽上生成裂纹后,在同一花槽上可以同时出现多条裂纹;(3)处于座舱盖玻璃对称轴线附近花槽(22#)产生的裂纹数量多(9条),长度大(27mm);(4)当对称轴线(22#)上生成裂纹后,与其相邻近的花槽(19#, 20#, 21#, 23#, 24#)上也往往可以发现裂纹。3.2.2 裂纹解决方法 某型飞机座舱盖玻璃

18、后弧花槽表面产生裂纹与如图3所示结构有很大的关系,容易在R15mm圆弧底部处产生应力集中。由于有机玻璃的导热性较差,在加工过程中很难控制后弧花槽热影响区的产生,为了能够彻底的解决这一问题,最根本的方法是取消后弧花槽,采用如图4所示的平直端面,并将原有1. 545倒角改为R2. 0mm的圆弧倒角,从而解决裂纹产生的根源。4改装后的主要技术参数与装主要技术参数如图5所示。从图中分析可以看出,配方法某型飞机座舱盖玻璃后弧在改装前的结构及只要舱盖玻璃后端面与骨架有一定的搭接量及热间隙,就可保证装配后座舱盖的密封性和强度要求。 改装后主要技术参数及装配方法如图6所示,其中最重要的热间隙数据的确定是保证改

19、装后舱盖玻璃使用安全的关键部位。因此,为了保证玻璃端面与骨架的搭接量,可取消橡胶衬套,其作用可以由填充XM-48腻子来代替,但是必须保留起支撑蒙皮作用的间隔衬套,通过计算分析后定出热间隙为6+2-0. 5。在玻璃下料和装配过程中应重点控制玻璃后弧与螺栓间隔衬套的热间隙,其他零件的装配及其检验方法仍按原有工艺规程的要求执行。3.3 结论语 某型飞机座舱盖玻璃后弧花槽改装后,某修理厂通过近两年时间的追踪调查发现没有舱盖玻璃后弧裂纹的报告和修理后返厂的情况,此改装方法节约修理工时,降低了修理费用,缩短了修理周期。由于座舱盖有机玻璃是飞机的重要部件之一,影响其加工使用性能有很多因素,发现玻璃裂纹后的修

20、理是事后工作,并不能保证飞机在空中飞行使用的安全。因此要做好前期预防工作,保证修理产品的质量可靠,避免飞行等级事故的发生,在工厂修理加工和部队使用过程中应注意以下几点: (1)由于有机玻璃的导热性差,加工时被加工表面和工具间的磨擦以及切屑的变形会使加工区域内产生很多的热量,可能使材料过热而熔化,容易造成废品,而且切削热与切削力也会导致材料中内应力增加,使有机玻璃件的安全性和使用寿命降低。因此,加工方法、施工工艺及加工设备、刀具和夹具等必须适应有机玻璃的加工特性. (2)要求加工刀具刀刃锋利、夹持牢固、操作平稳,充分冷却,保证切削温度低,工件残余应力小。钻孔是有机玻璃机械加工最敏感的一道工序,孔

21、壁极易出现热积瘤,造成过烧、龟裂、发雾、分层和崩边等现象,是影响有机玻璃寿命的关键工艺之一,钻头刃磨时的顶角一般在60140之间,选择原则是当切削刃还未完全进入板料时,钻头的切削横刃不应穿出板料; (3)加工时要对玻璃表面进行保护,避免划伤、碰伤,加工端面应进行打磨抛光,保证其具有较低的表面粗糙度。当玻璃表面有损伤时,应根据损伤形式采用不同的打磨方法,打磨时的压力不能过大,打磨范围应适当地大于损伤范围;(4) 有机玻璃的裂纹有时与装配应力和残余应力有关。如果玻璃与骨架贴合不好造成间隙超过规定值,应重新对玻璃进行模压处理,或者当螺栓孔不正时切忌强行装配,座舱盖在装配时,必须正确安装,各个螺栓拧紧

22、的程度要一致,装配后应进行回火处理以消除残余应力;(5)部队在使用维护过程中应禁止用有机溶剂擦(如油漆、酒精、丙酮等)拭玻璃表面,用抛光膏打磨有机玻璃后必须清洗干净,工作时应防止工作灯、电烙铁等接近玻璃表面,以避免局部过热而产生内应力。(6)座舱盖有机玻璃一般不允许存在有裂纹。当发现玻璃上有轻微裂纹时,使用部队要根据使用条件、玻璃牌号以及机型,认真分析,判断也裂纹产生的原因,限定使用条件,并观察裂纹的发展状况,确定处理意见。当裂纹较大时,要停飞进行分析鉴定,危及飞行安全时,要及时更换玻璃。参考文献1 姜英杰 .航空有机玻璃裂纹原因分析及预防2 文韬 . 某型飞机座舱盖玻璃后弧花槽裂纹问题的解决方法.长沙航空职业技术学院学报. 第5卷第4期2005年12月致 谢 毕业论文是在课后自己完成的，有许多的不足需要完善的地方。在此特别需要感谢我的指导老师（文滔老师）的认真要求与指导，使之能够更好的完成这篇毕业设计。感谢长沙航院的师生们，是你们让我更好的完成了我的毕业论文。感谢这三年和我一起度过的老师和同学，是你们和我一起学习和讨论才让我的大学生涯更完美，对自己所学专业更了解，同时也更了解自己以后所从事的工作的含义。