基于聚合模型的汽车风挡玻璃冲击破坏现象研究

发布时间：2017-08-30 05:10

  本文关键词：基于聚合模型的汽车风挡玻璃冲击破坏现象研究

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【摘要】：夹层玻璃通常为两块普通钙钠玻璃及一层聚乙烯醇缩丁醛(PVB)膜片经高温高压黏合而成的三明治复合材料结构。尽管它是一种简单的复合材料,但是广泛应用于汽车及建筑领域。作为汽车的重要部件之一,汽车风挡玻璃冲击破坏特性的研究对于行人保护、事故再现及风挡玻璃的设计具有重要的意义。目前学者们普遍采用理论分析、试验研究及数值仿真分析等三种手段研究这一问题。考虑到数值仿真分析方法的优越性,本文系统地研究了基于聚合模型的有限元仿真分析方法。首先,针对玻璃材料在法向和切向破坏过程中能量释放率的不同,将一种考虑了裂纹路径依赖性的二维非固有聚合模型扩展到三维用于描述玻璃材料的破坏。采用了一种基于相邻关系的紧凑高效的拓扑数据结构(命名为Top S)以存储和更新脆性破坏过程中有限单元网格的信息。然后,考虑到脆性材料破坏过程中的接触特性,提出了一种高效的全局接触搜索算法和一种稳健的局部接触算法。该全局搜索算法包括常规搜索和动态搜索两个步骤。常规搜索采用一种名为LC-Grid的线性搜索算法;基于LC-Grid的动态搜索的提出可高效地确定由于裂纹的产生及扩展而新产生的潜在接触对。在局部接触算法中,考虑了两种基本的接触形式:点面接触和边边接触。所提出的局部接触算法可避免在模拟脆性材料破坏时可能发生的接触力突变的问题,且两种接触形式均可采用内外算法进行判定。通过几个简单的数值算例验证了所提出的接触算法的有效性。此外,耦合了上述提及的非固有聚合模型和局部接触算法以考虑聚合模型在混合加载模式下的单侧和摩擦滑移效应。最后,提出了一个夹层玻璃的有限元模型。在该模型中,有限单元类型采用六面体单元,且使用固有聚合模型描述玻璃与PVB膜间的黏结。PVB材料的非线性特性采用Mooney-Rivlin本构模型描述。仿真分析了夹层玻璃梁的冲击破坏现象,并将仿真结果与相应的试验结果进行对比,定性地验证了所提出模型的有效性。此外,数值地研究了夹层玻璃中玻璃裂纹产生的机理及PVB膜和黏性对玻璃裂纹的影响。仿真分析了夹层玻璃板在落锤冲击下的破坏现象,观测到玻璃的两种主要裂纹形式:径向裂纹和环向裂纹。仿真分析得到的裂纹形式及冲击力时间历程曲线与相应的试验结果吻合一致,验证了本文提出的算法在夹层玻璃冲击破坏仿真分析中的有效性。基于以上提出的算法,使用Fortran 90/95编程语言开发了适用于汽车夹层玻璃及其它脆性材料冲击破坏仿真分析的有限元求解器,FEP-Fracture。
【关键词】：汽车风挡玻璃 聚合模型 接触算法 冲击破坏 有限元法
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.835
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 研究背景及意义12-14
• 1.2 夹层玻璃失效研究现状14-18
• 1.3 聚合模型在材料失效仿真分析中的应用18-21
• 1.4 本文工作概述21-23
• 第二章 动力有限元基本原理23-34
• 2.1 引言23
• 2.2 控制方程弱形式23-24
• 2.3 有限元离散24-26
• 2.4 六面体等参单元26-31
• 2.4.1 高斯积分27-28
• 2.4.2 沙漏控制28-31
• 2.4.3 自锁31
• 2.5 中心差分法31-32
• 2.6 应力更新32-33
• 2.7 本章小结33-34
• 第三章 基于有限元方法的聚合模型开发34-48
• 3.1 引言34
• 3.2 问题描述34-35
• 3.3 非固有聚合模型35-39
• 3.4 固有聚合模型39-41
• 3.5 聚合模型有限元实现41-43
• 3.6 TopS数据结构43-47
• 3.6.1 TopS数据结构介绍43-45
• 3.6.2 TopS数据结构在聚合破坏中的应用45-47
• 3.7 本章小结47-48
• 第四章 冲击破坏接触算法研究48-79
• 4.1 引言48
• 4.2 问题描述48-49
• 4.3 全局搜索算法49-63
• 4.3.1 常规搜索50-57
• 4.3.2 动态搜索57-59
• 4.3.3 全局搜索算法实现59-63
• 4.4 局部搜索算法63-67
• 4.4.1 点面接触64-65
• 4.4.2 边边接触65-67
• 4.5 接触力计算67-69
• 4.5.1 基于Mortar的点面接触力计算68
• 4.5.2 改进的边边接触力计算68-69
• 4.6 接触与聚合模型耦合69-70
• 4.7 数值算例70-78
• 4.7.1 动态接触搜索问题70-73
• 4.7.2 块体碰撞问题73-75
• 4.7.3 两杆碰撞问题75-76
• 4.7.4 接触力突变问题76-78
• 4.8 本章小结78-79
• 第五章 夹层玻璃冲击破坏仿真分析79-107
• 5.1 引言79
• 5.2 夹层玻璃有限元模型79-82
• 5.3 PVB材料模型82-84
• 5.4 冲击破坏仿真分析软件FEP-Fracture简介84-88
• 5.5 夹层玻璃梁冲击破坏仿真分析88-99
• 5.5.1 夹层玻璃梁落锤试验89-91
• 5.5.2 仿真分析91-93
• 5.5.3 PVB膜对玻璃裂纹的影响93-97
• 5.5.4 黏结强度对玻璃裂纹的影响97-99
• 5.6 夹层玻璃板冲击破坏仿真分析99-106
• 5.6.1 夹层玻璃板落锤试验99-100
• 5.6.2 有限元模型及材料参数100-102
• 5.6.3 仿真结果及讨论102-106
• 5.7 本章小结106-107
• 第六章 结论与展望107-109
• 参考文献109-122
• 攻读博士学位期间取得的研究成果122-125
• 致谢125-126
• 附件126

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 董丽萍;朱西产;马志雄;张轶川;;基于头部合成加速度波形的发动机罩夹心层设计[J];汽车安全与节能学报;2010年04期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 杨忠高;基于FEM、DEM/FEM的汽车风挡玻璃冲击破坏现象仿真分析与实验研究[D];华南理工大学;2014年

2 高伟;汽车玻璃冲击破坏现象的离散元/有限元耦合仿真方法研究[D];华南理工大学;2013年

3 雷周;FEM与DEM耦合方法研究及在汽车玻璃冲击破坏问题中的应用[D];华南理工大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 陈虎;基于FEM/DEM的头部撞击挡风玻璃的仿真方法研究[D];华南理工大学;2011年

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本文编号：757419