汽车夹层玻璃冲击破坏现象的有限元方法仿真研究

摘要

随着汽车上玻璃使用面积的不断扩大，汽车玻璃的安全性，特别是汽车前挡玻璃的冲击破坏强度愈来愈引起人们的重视。汽车前挡玻璃通常采用在两片玻璃间夹入树脂材料在高温高压下粘合而成的夹层玻璃。对于夹层玻璃冲击破坏强度的研究，过去一直依赖试验；近年来随着计算机性能的迅速提高和有限元商业分析软件的不断完善和发展，对夹层玻璃冲击破坏强度的仿真研究越来越受到重视。
　　 本文采用对冲击破坏问题具有良好应用业绩的非线性显式有限元动力分析软件LS-DYNA，研究一特殊结构的夹层玻璃在时速600公里、质量为1公斤铝弹撞击下的冲击破坏行为。由于玻璃是典型的脆性材料，冲击破坏发生后碎片的飞散不可避免，通常的有限元方法难以描述这一现象。为此，本文在划分玻璃有限元网格时特意将相邻单元同坐标节点分别使用不同节点编号，在同坐标的一组节点间定义破坏强度的方法以实现玻璃碎片飞散描述。
　　 使用上述方法，以冲击破坏试验为基础，建立与冲击试验相对应的有限元模型，使用LS-DYNA进行冲击破坏分析，以获得与试验基本一致的仿真分析结果。在此基础上，改变铝弹冲击速度和树脂厚度，仿真研究夹层玻璃冲击破坏的破坏状况，以获得给定夹层玻璃下的极限冲击速度和额定冲击速度下的最小夹层玻璃厚度。
　　 作为另一种描述玻璃飞散方法的尝试，本文将冲击区域的玻璃离散为SPH单元，使用拉格朗日单元与SPH单元结合的方法进行夹层玻璃冲击破坏问题的仿真分析研究。通过与已有试验结果对比，所获仿真结果也与试验具有较好的一致性。
　　 综上所述，尽管通常的有限元方法难以描述脆性材料的破坏过程和碎片飞散现象，但本文研究发现，上述两种模型化方法，对于解决此类问题是有效的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 本论文的研究目的和意义

1.3 夹层玻璃冲击问题的国内外研究现状

1.4 本文的主要工作

第二章 夹层玻璃的材料本构模型

2.1 引言

2.2 玻璃材料模型

2.3 PVB材料模型

2.3.1 粘弹性体材料模型

2.3.2 超弹性材料模型

2.3.3 与应变率变化相关的材料模型

2.4 本章小结

第三章 网格划分方式对冲击问题数值模拟的影响

3.1 引言

3.2 不同网格划分方式的夹层玻璃冲击模型

3.2.1 仿真试验模型

3.2.2 玻璃材料

3.2.3. PVB 膜

3.2.4 接触面及边界处理

3.2.5 网格划分

3.2.6 仿真结果

3.3 本章小结

第四章 夹层玻璃模型的有限元分析

4.1 引言

4.2 冲击试验装置及试验结果

4.3 有限元仿真分析

4.3.1 特种夹层玻璃模型的网格划分

4.3.2 材料模型

4.3.3 接触算法

4.4 仿真过程

4.4.1 施加预应力

4.4.2 仿真冲击结果分析

4.5 不同冲击速度、PVB厚度下的有限元模型比较分析

4.5.1 不同速度下冲击模型对比分析

4.5.2 计算结果的分析与比较

4.5.3 不同PVB膜片厚度下冲击模型对比分析

4.5.4 计算结果的分析与比较

4.6 本章小结

第五章 SPH单元与拉格朗日单元耦合算法

5.1 SPH方法的概述

5.1.1 SPH方法的基本理论

5.1.2 近邻粒子的搜索

5.1.3 边界处理

5.2 两种方法的对比算例

5.3 夹层玻璃冲击模型的建立

5.3.1 玻璃材料SPH部分的建模

5.3.2 接触定义

5.3.3 对称处理

5.3.4 仿真结果分析

5.4 本章小结

结 论

6.1 全文总结

6.2 对本课题未来研究工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢