[发明专利]一种高铁前挡玻璃沙粒冲击磨损和破坏模型建模方法

说明书

本发明公开了一种高铁前挡玻璃沙粒冲击磨损和破坏模型建模方法，包括步骤：1）用三维制图软件建立前挡玻璃的三维实体模型；2）将三维实体模型导入Hypermesh中；采用壳单元模拟钢化层和镀膜层，采用六面体单元模拟玻璃母材、其他层玻璃和PVB膜并设置相关参数；3）建立前挡玻璃冲击磨损模型，通过计算的单元体积磨损量确定各节点磨损量模拟壳单元的磨损情况；4）建立前挡玻璃冲击破坏模型，采用非固有聚合模型描述玻璃的脆性冲击破坏现象，采用固有聚合破坏模型描述各层之间的剥离现象。本发明根据高铁前挡玻璃的物理和力学结构建立高铁前挡玻璃沙粒冲击磨损和破坏模型，为其仿真分析提供了简单、可靠且精确的研究工具。

技术领域

本发明涉及脆性材料冲击磨损和破坏领域，尤其涉及一种高铁前挡玻璃沙粒冲击磨损和破坏模型建模方法。

背景技术

近年来，高速铁路因具有承载能力大、运行速度快、经济合理等优点在我国得到了快速的发展。

但是，丝绸之路穿过大量的沙漠地带。2007年4月9日，从乌鲁木齐开往北京的T70次列车在新疆小草湖至红层一带“百里风区”遭遇特大沙尘暴袭击，车窗全部被毁，引起社会的强烈关注。这充分说明了沙漠地区大风环境下，车窗玻璃的沙粒冲击磨耗失效性能严重影响高铁行车安全。

高铁前挡玻璃是一种夹层复合材料，由多片厚度为数毫米的玻璃、PVB(PolyvinylButyral)膜和防飞溅膜经热压构成，其结构如附图1所示。其外侧玻璃表面通常进行化学钢化，离子交换层厚度为15-20μm，压应力可达500-650MPa，抗弯强度可达200-350MPa。虽然国标对前挡玻璃的强度有严格要求，但强劲的风力裹挟大粒径的沙粒撞击高速行驶的列车，使得车窗玻璃在受到冲击后直接产生裂纹或破碎；同时，大风中细小的或者低速的沙粒也会逐渐磨损玻璃表层，降低玻璃的抗风沙冲击性能。在沙粒冲击下产生的裂纹，如果贯穿了表面的化学钢化层，裂纹将迅速扩展，导致玻璃抗弯强度急剧下降直至玻璃破裂而失去安全保护功能。

迄今为止，关于综合考虑流体、颗粒和固体三相材料相互影响的仿真分析方法未见报道，高铁前挡玻璃经沙粒冲击下的磨损破坏模型也为见开发。

本发明根据高铁前挡玻璃特殊的物理和力学结构。提出一种高铁前挡玻璃沙粒冲击磨损和破坏模型。模型中，各层玻璃和PVB划分六面体单元，镀膜层划分壳单元；为描述外层玻璃表面的钢化层，提出一种可以在厚度方向高斯积分点上定义不同材料参数的壳单元。为描述玻璃钢化层的磨损，提出前挡玻璃冲击磨损模型，为描述各种连接和破坏关系，采用固有和非固有聚合模型应用于相应单元中。

发明内容

本发明的目的在于一种高铁前挡玻璃沙粒冲击磨损和破坏模型。该模型包括高铁前挡玻璃有限元模型建立、前挡玻璃冲击磨损模型的建立、前挡玻璃冲击破坏模型的建立过程。

本发明的具体的技术方案为：

一种高铁前挡玻璃沙粒冲击磨损和破坏模型的建模方法，包括步骤：

1)用三维制图软件建立钢化层和镀膜层、玻璃和PVB的三维实体模型；

2)将三维实体模型导入Hypermesh中；考虑到钢化层和镀膜层厚度比玻璃厚度小得多，采用壳单元模拟钢化层和镀膜层，采用六面体单元模拟玻璃母材、其他层玻璃和PVB膜，设置壳单元界面参数和所需的材料参数、所需的接触类型模型，建立后对各单元读入初始应力；

3)建立前挡玻璃冲击磨损模型，通过计算的单元体积磨损量确定各节点磨损量模拟壳单元的磨损情况；

4)建立前挡玻璃冲击破坏模型，采用非固有聚合模型描述玻璃的脆性冲击破坏现象，即壳单元与壳单元、六面体和六面体单元之间插入非固有计算模型；采用固有聚合破坏模型描述钢化层与玻璃母体、玻璃母体与PVB之间的剥离现象。