CN107657105B - 一种高铁前挡玻璃沙粒冲击磨损和破坏模型建模方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
进一步地，步骤2)中，所述的壳单元具体为一种可在厚度方向高斯积分点定义不同积分点应力的壳单元，以此表征钢化层沿厚度方向残余应力的变化；所述高斯积分点的个数根据精度需要定义，每个积分点所读入的初始应力与钢化玻璃所测得的应力分布基本一致，磨损过程中，积分点的位置及应力大小经插值法进行更新。
进一步地，步骤2)中，所述的高铁前挡玻璃有限元模型采用Xu-Needleman固有聚合模型描述前挡玻璃中镀膜层与钢化层、钢化层与母材、玻璃与PVB间的连接和破坏关系。
进一步地，所述的Xu-Needleman固有聚合模型中法向及切向有效聚合应力Tn和Tt可分别表示为：
式中，
及
为聚合模型的特征尺寸；Δn(max)和Δt(max)分别为历史最大拉伸和剪切量；σn(max)和σt(max)分别为单轴拉伸和剪切应力-分离量曲线中的最大拉伸和剪切应力；e＝exp(1)；
进一步地，所述的步骤3)具体包括：
31)由离散元与有限元耦合分析软件CDFP软件中开发的颗粒离散元与有限元的接触算法计算颗粒离散单元与有限元接触面间的接触压力P，通过切向速度和时间步长计算颗粒离散单元在有限元接触面上的滑移量SL；
32)进而采用Archard磨损模型计算单元体积磨损量W：
式中，k为磨损系数；H为接触区域的硬度；
33)计算所得的单元体积磨损量，根据单元的形函数分配到该单元的各个节点，定义为节点磨损量，所述的形函数为当前时步计算开始和结束沙粒所运行路径的中点位置所对应自然坐标下的形函数。
进一步地，所述的步骤4)中，当单元间的有效应力Te大于材料的破坏强度σmax时，聚合模型添加到单元间的界面上，聚合模型的有效张开量Δeff可以定义为：
式中，Δt和Δn分别为切向和法向位移分量；η为破坏模式系数；κ定义为法向能量释放率和切向能量释放率的比值；
法向及切向有效聚合应力Tn和Tt，可表示为：
式中，δc为临界位移张开量；Δeff(max)为历史最大位移张开量。
相比现有技术，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，为高铁前挡玻璃的磨损和破坏仿真分析提供了简单、可靠且精确的研究工具。
附图说明
图1为高铁前挡玻璃结构示意图。
图2a为壳单元磨损前积分点分布示意图。
图2b为壳单元磨损后积分点分布示意图。
图3为钢化玻璃初始应力沿厚度方向分布示意图。
图4为壳单元各积分点材料物性分布示例。
图5为离散元沙粒在钢化层表面滑移示意图。
图6为壳单元间插入聚合单元示意图。
具体实施方式
下面结合所需软件，进一步阐述模型的建立和计算过程。
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，初始应力将由实验测得的钢化玻璃残余应力利用DYNA3D读入壳单元各个积分点和钢化玻璃所对应的六面体单元中，在无载荷无约束条件下设置阻尼计算，直至速度衰减至足够小时停止计算所得；
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；采用在镀膜层与钢化层、钢化层与玻璃母体、玻璃母体与PVB的相邻单元界面插入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。
具体而言，步骤2)中，所述的壳单元具体为一种可在厚度方向高斯积分点定义不同积分点应力的壳单元，以此表征钢化层沿厚度方向残余应力的变化；所述高斯积分点的个数根据精度需要定义，每个积分点所读入的初始应力与钢化玻璃所测得的应力分布基本一致，磨损过程中，积分点的位置及应力大小经插值法进行更新。
玻璃表面的化学钢化通过离子渗透的方法实现，产生残余压应力。表面离子渗透量大，所以残余压应力较大，接近母材部分离子渗透量少，残余压应力较小。为了描述这一现象，提出一种可以在厚度方向高斯积分点定义不同材料参数的壳单元。附图2表示积分点在壳单元厚度方向位置分布及，图3表示钢化玻璃x、y方向应力沿厚度分布示意图，假设壳单元磨损前厚度为t1，根据分析精度的需要在厚度方向定义多个积分点，每个积分点上定义不同的应力-应变曲线以表征钢化层沿厚度方向残余应力的变化。磨损发生后壳单元厚度变为t2，此时厚度方向积分点上的应力-应变关系则分别由磨损前积分点上的相应关系在对应位置插值得到。磨耗前钢化层壳单元积分点的应力应变关系如附图4所示。
具体而言，步骤2)中，所述的高铁前挡玻璃有限元模型采用Xu-Needleman固有聚合模型描述前挡玻璃中镀膜层与钢化层、钢化层与母材、玻璃与PVB间的连接和破坏关系，所述的Xu-Needleman固有聚合模型中法向及切向有效聚合应力Tn和Tt可分别表示为：
式中，
及
为聚合模型的特征尺寸；Δn(max)和Δt(max)分别为历史最大拉伸和剪切量；σn(max)和σt(max)分别为单轴拉伸和剪切应力-分离量曲线中的最大拉伸和剪切应力；e＝exp(1)；
具体而言，所述的步骤3)具体包括：
31)由离散元与有限元耦合分析软件CDFP软件中开发的颗粒离散元与有限元的接触算法计算颗粒离散单元与有限元接触面间的接触压力P，通过切向速度和时间步长计算颗粒离散单元在有限元接触面上的滑移量SL；
32)进而采用Archard磨损模型计算单元体积磨损量W：
式中，k为磨损系数；H为接触区域的硬度；
33)计算所得的单元体积磨损量，根据单元的形函数分配到该单元的各个节点，定义为节点磨损量并作出更新，所述的形函数为当前时步计算开始和结束沙粒所运行路径的中点位置所对应自然坐标下的形函数，相对位置关系如图5所示。
具体而言，六面体单元的非固有聚合破坏模型已有臧孟炎课等开发出来，本方案针对所需的壳单元聚合破坏模型详细阐述。如图6所示，壳单元间的聚合单元由两条边ad和bc 组成。所述的步骤4)中，当单元间的有效应力Te大于材料的破坏强度σmax时，聚合模型添加到单元间的界面上，聚合模型的有效张开量Δeff可以定义为：
式中，Δt和Δn分别为切向和法向位移分量；η为破坏模式系数；κ定义为法向能量释放率和切向能量释放率的比值；
法向及切向有效聚合应力Tn和Tt，可表示为：
式中，δc为临界位移张开量；Δeff(max)为历史最大位移张开量。
实践中，判断各个壳单元和六面体单元是否达到破坏准则，若是，插入非固有破坏模型计算聚合力。
所述离散元与有限元耦合分析软件CDFP全称为显式有限元与离散元耦合分析软件，登记号2011SR057163，软件为一款显式有限元与离散元耦合分析软件，完善至今，软件具备离散元计算功能，有限元计算功能，离散元与有限元耦合功能，具备非固有聚合模型破坏功能。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高铁前挡玻璃沙粒冲击磨损和破坏模型建模方法，其特征在于，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；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；具体包括：
31)由离散元与有限元耦合分析软件CDFP软件中开发的颗粒离散元与有限元的接触算法计算颗粒离散单元与有限元接触面间的接触压力P，通过切向速度和时间步长计算颗粒离散单元在有限元接触面上的滑移量SL；
32)进而采用Archard磨损模型计算单元体积磨损量W：
式中，k为磨损系数；H为接触区域的硬度；
33)计算所得的单元体积磨损量，根据单元的形函数分配到该单元的各个节点，定义为节点磨损量，所述的形函数为当前时步计算开始和结束沙粒所运行路径的中点位置所对应自然坐标下的形函数；
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。
2.根据权利要求1所述的高铁前挡玻璃沙粒冲击磨损和破坏模型建模方法，其特征在于，步骤2)中，所述的壳单元具体为一种可在厚度方向高斯积分点定义不同积分点应力的壳单元，以此表征钢化层沿厚度方向残余应力的变化；所述高斯积分点的个数根据精度需要定义，每个积分点所读入的初始应力与钢化玻璃所测得的应力分布基本一致，磨损过程中，积分点的位置及应力大小经插值法进行更新。
3.根据权利要求1所述的高铁前挡玻璃沙粒冲击磨损和破坏模型建模方法，其特征在于，步骤2)中，所述的高铁前挡玻璃有限元模型采用Xu-Needleman固有聚合模型描述前挡玻璃中镀膜层与钢化层、钢化层与母材、玻璃与PVB间的连接和破坏关系。
4.根据权利要求1所述的高铁前挡玻璃沙粒冲击磨损和破坏模型建模方法，其特征在于，所述的步骤4)中，当单元间的有效应力Te大于材料的破坏强度σmax时，聚合模型添加到单元间的界面上，聚合模型的有效张开量Δeff可以定义为：
式中，Δt和Δn分别为切向和法向位移分量；η为破坏模式系数；κ定义为法向能量释放率和切向能量释放率的比值；
法向及切向有效聚合应力Tn和Tt，可表示为：
式中，δc为临界位移张开量；Δeff(max)为历史最大位移张开量。
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