CN105183945B - 基于Ansys workbench的防护玻璃冲击模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冲击模拟领域，旨在提供一种基于Ansys workbench的防护玻璃冲击模拟方法。包括：用Ansys workbench软件中的Designer model模块建立冲击棒和防护玻璃的三维仿真模型并传递到mechanical模块中；防护玻璃由三层材料粘合而成，三根冲击棒由上至下同轴竖向布置，同时自由下落依次冲击防护玻璃同一位置；进行仿真运算得到仿真结果，作为衡量防护玻璃的抗冲击性能指标；在相同的设置条件下进行多次模拟计算，以最上面一根冲击棒的最大反弹速度作为衡量抗冲击性能的指标，以此确定最优化的厚度设计。本发明创造性地利用冲击棒的反弹速度来判定样品的能量吸收率，可以更好的衡量其冲击性能，优化防护玻璃层合结构设计；通过计算机数值模拟的方法与实际操作相结合，可以降低实验成本。
Description
技术领域
本发明涉及基于Ansys Workbench的防护玻璃冲击模拟方法，属于冲击模拟领域。
背景技术
防护玻璃作为具有防护各种攻击能力的特种玻璃，是关系人们安全的一种重要安保手段，已广泛应用于政治、军事、国防、经济等领域。随着社会经济的发展以及民众安防意识的不断提高，防护玻璃已经开始渗透到社会生活的各个方面，民用防护玻璃的需求正不断增长。现有防护玻璃分为钢化玻璃、夹层玻璃、贴膜玻璃等几个类型。其中夹层玻璃最为重要，应用范围也最为广泛。夹层玻璃往往通过不同的粘接剂例如：聚氨酯(PU)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)将各种透明材料粘合在一起，增强其防护性能。本专利的层合玻璃由钢化玻璃、PU、PC三层结构组合而成。现防护玻璃的相关研究往往集于工艺上的改良，例如粘接温度、保温时间、冷却时间等等。但是人们对于防护玻璃，特别是超薄防护玻璃的力学性能实验过少，不能够形成系统的设计数据库，难以达到指导防护玻璃结构设计以及优化相关参数的要求。
在测试的过程当中，大型的平板防护玻璃其测试安装麻烦，并且对于大型防护玻璃，市场上的一般冲击装置无法满足条件。其次，相关规范中所涉及的夹持支架过于简陋，加工困难，成本过高，操作上人为因素影响大，使得实验的准确性和信服度降低。最后，层合玻璃中各层的材料不一样，难以分析各层之间抵抗冲击的能力。更为重要的是，为了得到准确的结果，每次冲击性能的测试需要重复多次，这造成了材料和成本的极大浪费。
为了解决实验困难、数据不够的问题，通过计算机数值模拟的方法与实际操作相结合，建立产品材料参数、复合结构组合方式等因素与宏观性能的关系模型，从理论上预测结构、材质对产品机械性能的影响。从而可以降低实验成本，优化产品的设计，提升层合玻璃的防护性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于Ansysworkbench的防护玻璃冲击模拟方法。
为解决上述问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于Ansys workbench的防护玻璃冲击模拟方法，包括如下步骤：
(1)用Ansys workbench软件中的Designer model模块建立冲击棒和防护玻璃的三维仿真模型；其中，冲击棒有三根，均为圆台形锐器，上下底面半径分别为20mm、15mm，长度为150mm；防护玻璃是由上自下的钢化玻璃、聚氨酯、聚碳酸酯三层材料粘合而成，平面尺寸为610×610mm；三根冲击棒设置为由上至下同轴竖向布置，相邻两根冲击棒的端面相距55～65mm，最下方冲击棒与防护玻璃的上表面相距55～65mm；
(2)将冲击棒和防护玻璃的三维仿真模型传递到Ansys workbench软件的mechanical模块中；采用Multizone方式对模型进行网格划分；设置层合玻璃的边界条件为固定支撑，初始化冲击件的冲击速度；三根冲击棒设置为同时自由下落，依次冲击防护玻璃的同一位置；三根冲击棒均设置为冲击过程中互不接触，避免出现碰撞的情况；
(3)设置模型中各材料的本构方程参数后，进行仿真运算得到仿真结果，以此作为衡量防护玻璃的抗冲击性能指标；所述仿真结果包括：防护玻璃各层的应力分布云图、是否击穿、冲击棒的反弹速度、防护玻璃的位移；
(4)分别设置防护玻璃中钢化玻璃和PC(聚碳酸酯)层为不同厚度，在相同的设置条件下进行多次模拟计算，以最上面一根冲击棒的最大反弹速度作为衡量抗冲击性能的指标，以此确定最优化的厚度设计。
本发明中，在步骤(1)中，对于方形的防护玻璃，冲击棒的冲击位置设置于防护玻璃的对称中心；对于冲级棒和防护玻璃的模型以其轴心作为垂直切割面的交汇位置，取其四等分之后的1/4的部分进行模拟计算。(这样可以在不影响计算结果的条件下，提高运算效率。)
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)层合防护玻璃的抗冲击性能存在表征难的问题，以往的冲击性能测试主要是通过判断在一定的冲击能量下，样品是否会被击穿作为唯一的衡量冲击性能指标。本发明创造性地利用冲击棒的反弹速度来判定样品的能量吸收率，可以更好的衡量其冲击性能。
(2)通过计算机数值模拟的方法与实际操作相结合，建立产品材料参数、复合结构组合方式等因素与宏观性能的关系模型，从理论上预测结构、材质对产品机械性能的影响。从而可以降低实验成本.
(3)本发明法能够得到防护玻璃层合结构中各层的应力分布，以及抵抗冲击的能力，从而优化防护玻璃层合结构设计。
附图说明
图1是本发明模拟方法中建立的三维模型示意图。
图2是上冲击棒速度与PC层厚度的相互关系示意图。
图3是上冲击棒速度与玻璃厚度的相互关系示意图。
图4是优化过的候选点示意图。
具体实施方式
结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于Ansys Workbench的层合玻璃应力场分布和其抗冲击性能评估的模拟方法。
步骤一：在Workbench中的Designer model模块中建立三维仿真模型(如图1所示)。本发明特别使用了三根冲击棒，均为圆台形锐器，上下底面半径分别为20mm、15mm，长度为150mm；防护玻璃是由上自下的钢化玻璃、PU(聚氨酯)、PC(聚碳酸酯)三层材料粘合而成，平面尺寸为610×610mm；三根冲击棒设置为由上至下同轴竖向布置，相邻两根冲击棒的端面相距55mm-65mm，最下方冲击棒与防护玻璃的上表面相距55mm-65mm。本实施例中，三根冲击棒由上至下依次命名为上冲击棒、中冲击棒和下冲击棒。
在不影响实验准确性的前提下，选取1/4对称模型结构进行分析，可以极大的提高计算的效率。另一方面，由于实际操作时，3次冲击的时间都不相同。因此在模拟时，冲击棒之间必须存在着尽可能大的距离即足够的时间间隔，这样上一根冲击棒完成以后的状态就不会影响到下次冲击。但是过大的时间间隔将会使得求解时间过于漫长，计算成本太大。在本组模型中，为了兼顾时间间隔和计算成本，冲击棒的间隔距离设置为55-65mm。
步骤二：将冲击棒和防护玻璃的三维仿真模型传递到Ansys workbench软件的mechanical模块中；
对模型进行网格划分，网格划分采用MultiZone，能够使得层合玻璃的网格规则整齐，网络结构的主体为适合计算的六面体结构，使得分析结果更加精确。
步骤三：层合玻璃的边界条件为4边固定，冲击棒的速度根据能量守恒公式E＝1/2mv2能量为68J的冲击棒所对应的速度。
步骤四：定义各个模型中的材料属性，冲击棒选用材料库中的Steel1006，层合玻璃中的钢化玻璃、PU、PC在材料库中可以找到对应的材料设置。
步骤五：进行模拟仿真计算，如图2所示，为PC层厚度3mm，PU层厚度0.6mm，玻璃层厚度2mm的层合结构PC层中的等效应力分布云图。通过Ansys Workbench中的优化模块将仿真结果进行处理运算，可以得到图2、3所示的上冲击棒速度与玻璃厚度和PC层厚度的相互关系。图2为PC层厚度固定时，玻璃厚度变化对冲击棒反弹速度的影响。图3为玻璃厚度固定时，PC层厚度变化对冲击棒反弹速度的影响。灰点为模拟计算出的对应值。线条为计算出来的变化趋势。最上冲击棒的反弹速度可作为判别 抵抗冲击能力的指标。若是复合玻璃的抗冲击能力越强，则冲击棒的反弹速度越大。若冲击棒不反弹，则复合玻璃肯定被击穿，模拟计算由于能量偏差太大，会自动停止计算。由图中可以看出，相比于玻璃层，PC厚度对层合防护玻璃的性能影响更为重要。
步骤六：优化设计玻璃层和PC层的厚度，使其能够以最小的厚度抵抗尽可能大的冲击。对所得的模拟数据进行筛选优化，优化标准为，两厚度取最小值；上冲击棒取最大反弹速度且值大于0；最小的PC层法向位移，不击穿。优化法则根据生成的1000个数据点中选取3个数据点，获得最优解。图4为1000个设计点以及候选点的估计值。其中灰色线为不满足要求的数值，黑线为优化值。上下两条黑实线所对应的值为各个参数点的取值波动范围，将其放在同一张图内处理，以便观察。候选点的对应值为玻璃厚度分别为1.36mm,1.25mm,1.00mm时，对应的PC层厚度分别为：2.60mm,2.74mm,3mm。为了验证Ansys的优化仿真结果，复合了1mm玻璃厚和3mmPC层厚的玻璃，搭建了大型防护玻璃的实验平台，用68J的冲击棒进行冲击时，优化得出的层合防护玻璃能够抵抗住此种程度的冲击。
Claims (2)
1.一种基于Ansys workbench的防护玻璃冲击模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）用Ansys workbench软件中的Designer model模块建立冲击棒和防护玻璃的三维仿真模型；其中，冲击棒有三根，均为圆台形锐器，上下底面半径分别为20mm、15mm，长度为150mm；防护玻璃是由上至下的钢化玻璃、聚氨酯、聚碳酸酯三层材料粘合而成，平面尺寸为610×610mm；三根冲击棒设置为由上至下同轴竖向布置，相邻两根冲击棒的端面相距55～65mm，最下方冲击棒与防护玻璃的上表面相距55～65mm；
（2）将冲击棒和防护玻璃的三维仿真模型传递到Ansys workbench软件的mechanical模块中；采用Multizone方式对模型进行网格划分；设置防护玻璃的边界条件为固定支撑，初始化冲击棒的冲击速度；三根冲击棒设置为同时自由下落，依次冲击防护玻璃的同一位置；三根冲击棒均设置为冲击过程中互不接触，避免出现碰撞的情况；
（3）设置模型中各材料的本构方程参数后，进行仿真运算得到仿真结果，以此作为衡量防护玻璃的抗冲击性能指标；所述仿真结果包括：防护玻璃各层的应力分布云图、是否击穿、冲击棒的反弹速度、防护玻璃的位移；
（4）分别设置防护玻璃中钢化玻璃和聚碳酸酯层为不同厚度，在相同的设置条件下进行多次模拟计算，以最上面一根冲击棒的最大反弹速度作为衡量抗冲击性能的指标，以此确定最优化的厚度设计。
2.根据权利要求1所述的冲击模拟方法，其特征在于，在步骤（1）中，对于方形的防护玻璃，冲击棒的冲击位置设置于防护玻璃的对称中心；对于冲击棒和防护玻璃的模型以其轴心作为垂直切割面的交汇位置，取其四等分之后的1/4的部分进行模拟计算。
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