[發(fā)明專利]一種高鐵前擋玻璃沙粒沖擊磨損和破壞模型建模方法

有效

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• 申請日: 2017-09-20
• 公開（公告）號: CN107657105B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 臧孟炎;王笛;陳順華
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06T17/00;G06F119/14
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

本發(fā)明公開了一種高鐵前擋玻璃沙粒沖擊磨損和破壞模型建模方法，包括步驟：1）用三維制圖軟件建立前擋玻璃的三維實(shí)體模型；2）將三維實(shí)體模型導(dǎo)入Hypermesh中；采用殼單元模擬鋼化層和鍍膜層，采用六面體單元模擬玻璃母材、其他層玻璃和PVB膜并設(shè)置相關(guān)參數(shù)；3）建立前擋玻璃沖擊磨損模型，通過計(jì)算的單元體積磨損量確定各節(jié)點(diǎn)磨損量模擬殼單元的磨損情況；4）建立前擋玻璃沖擊破壞模型，采用非固有聚合模型描述玻璃的脆性沖擊破壞現(xiàn)象，采用固有聚合破壞模型描述各層之間的剝離現(xiàn)象。本發(fā)明根據(jù)高鐵前擋玻璃的物理和力學(xué)結(jié)構(gòu)建立高鐵前擋玻璃沙粒沖擊磨損和破壞模型，為其仿真分析提供了簡單、可靠且精確的研究工具。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及脆性材料沖擊磨損和破壞領(lǐng)域，尤其涉及一種高鐵前擋玻璃沙粒沖擊磨損和破壞模型建模方法。

背景技術(shù)

近年來，高速鐵路因具有承載能力大、運(yùn)行速度快、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)在我國得到了快速的發(fā)展。

但是，絲綢之路穿過大量的沙漠地帶。2007年4月9日，從烏魯木齊開往北京的T70次列車在新疆小草湖至紅層一帶“百里風(fēng)區(qū)”遭遇特大沙塵暴襲擊，車窗全部被毀，引起社會的強(qiáng)烈關(guān)注。這充分說明了沙漠地區(qū)大風(fēng)環(huán)境下，車窗玻璃的沙粒沖擊磨耗失效性能嚴(yán)重影響高鐵行車安全。

高鐵前擋玻璃是一種夾層復(fù)合材料，由多片厚度為數(shù)毫米的玻璃、PVB(PolyvinylButyral)膜和防飛濺膜經(jīng)熱壓構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如附圖1所示。其外側(cè)玻璃表面通常進(jìn)行化學(xué)鋼化，離子交換層厚度為15-20μm，壓應(yīng)力可達(dá)500-650MPa，抗彎強(qiáng)度可達(dá)200-350MPa。雖然國標(biāo)對前擋玻璃的強(qiáng)度有嚴(yán)格要求，但強(qiáng)勁的風(fēng)力裹挾大粒徑的沙粒撞擊高速行駛的列車，使得車窗玻璃在受到?jīng)_擊后直接產(chǎn)生裂紋或破碎；同時(shí)，大風(fēng)中細(xì)小的或者低速的沙粒也會逐漸磨損玻璃表層，降低玻璃的抗風(fēng)沙沖擊性能。在沙粒沖擊下產(chǎn)生的裂紋，如果貫穿了表面的化學(xué)鋼化層，裂紋將迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致玻璃抗彎強(qiáng)度急劇下降直至玻璃破裂而失去安全保護(hù)功能。

迄今為止，關(guān)于綜合考慮流體、顆粒和固體三相材料相互影響的仿真分析方法未見報(bào)道，高鐵前擋玻璃經(jīng)沙粒沖擊下的磨損破壞模型也為見開發(fā)。

本發(fā)明根據(jù)高鐵前擋玻璃特殊的物理和力學(xué)結(jié)構(gòu)。提出一種高鐵前擋玻璃沙粒沖擊磨損和破壞模型。模型中，各層玻璃和PVB劃分六面體單元，鍍膜層劃分殼單元；為描述外層玻璃表面的鋼化層，提出一種可以在厚度方向高斯積分點(diǎn)上定義不同材料參數(shù)的殼單元。為描述玻璃鋼化層的磨損，提出前擋玻璃沖擊磨損模型，為描述各種連接和破壞關(guān)系，采用固有和非固有聚合模型應(yīng)用于相應(yīng)單元中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于一種高鐵前擋玻璃沙粒沖擊磨損和破壞模型。該模型包括高鐵前擋玻璃有限元模型建立、前擋玻璃沖擊磨損模型的建立、前擋玻璃沖擊破壞模型的建立過程。

本發(fā)明的具體的技術(shù)方案為：

一種高鐵前擋玻璃沙粒沖擊磨損和破壞模型的建模方法，包括步驟：

1)用三維制圖軟件建立鋼化層和鍍膜層、玻璃和PVB的三維實(shí)體模型；

2)將三維實(shí)體模型導(dǎo)入Hypermesh中；考慮到鋼化層和鍍膜層厚度比玻璃厚度小得多，采用殼單元模擬鋼化層和鍍膜層，采用六面體單元模擬玻璃母材、其他層玻璃和PVB膜，設(shè)置殼單元界面參數(shù)和所需的材料參數(shù)、所需的接觸類型模型，建立后對各單元讀入初始應(yīng)力；

3)建立前擋玻璃沖擊磨損模型，通過計(jì)算的單元體積磨損量確定各節(jié)點(diǎn)磨損量模擬殼單元的磨損情況；

4)建立前擋玻璃沖擊破壞模型，采用非固有聚合模型描述玻璃的脆性沖擊破壞現(xiàn)象，即殼單元與殼單元、六面體和六面體單元之間插入非固有計(jì)算模型；采用固有聚合破壞模型描述鋼化層與玻璃母體、玻璃母體與PVB之間的剝離現(xiàn)象。