列车前窗玻璃抗飞弹性能仿真分析

杨爱莲 刘海涛

（1山东省青岛市中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心，山东 青岛 266111；2中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024）

1 前窗玻璃结构

分析用前窗玻璃为夹层结构，如图 1所示，由玻璃片和PVB胶膜组成，周边采用铝合金窗框。

图 1 司机室前窗玻璃示意图

2 结构抗冲击要求（执行TB/T1451 -2007 ）

1）1Kg铝弹；

2）冲击速度580Km/h；

3）前窗玻璃以实车安装角放置，飞弹沿水平方向冲击，撞击玻璃外部几何中心。

3 仿真分析技术

3.1 铝弹模型

按照TB_T1451-2007 机车、动车前窗玻璃标准1KG铝弹的技术要求建立铝弹的有限元模型（如图 2所示）。模型中将铝弹处理成刚性体，输入铝弹实际的重量和惯量。

图 2 1KG铝弹模型

3.2 夹层风挡玻璃模型

本报告基于显示积分非线性动力学理论，对冲击过程进行仿真分析。将玻璃、胶膜都采用各向同性的弹塑性模型，胶膜应变率采用Cowper-Symonds模型，单元失效采用最大塑性应变失效。单位：长度mm、重量kg、时间ms、应力GPa。玻璃材料性能数据采用其实测值。

玻璃中间层均为PVB材料，是阻尼超弹性材料，应变率用Cowper-Symonds 模型来考虑。

其中，D 和 P 为应变率参数，它们表征了材料的应变率敏感特性。

防飞溅层是聚对苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜，具有优异的抗冲击性能和韧性。

采用有限元模型如图3所示，前窗和窗框结构都用Solid单元模拟，供6827774个Solid单元。

图3 风挡结构有限元模型

3.3 模型边界条件

模型包括了前窗玻璃的支撑结构，在边界处理上，对内框下端面进行固支处理，如图 4所示。

图 4 模型内框下端面固支（内部视图）

4 分析结果

按照TB_T1451-2007标准要求，1kg铝弹以580km/h的速度撞击风挡中心，图 5给出了5ms时刻铝弹和风挡撞击的状态，风挡有损伤，铝弹向后飞。

图5 t=5ms铝弹撞击风挡后向后弹出

如图 6所示，第一层玻璃在撞击区发生破坏。

图 6 第一层玻璃Von Mises应力云图

如图7所示，第三层玻璃在撞击区发生破坏。

图7 第三层玻璃Von Mises应力云图

如图 8所示，第五层玻璃在撞击区未发生破坏。

图8 第五层玻璃Von Mises应力云图

如图9所示，第二层PVB结构Von Mises应力云图。

图9 第二层PVB结构Von Mises应力云图

如图 10所示，第四层PVB结构Von Mises应力云图。

图 10 第四层PVB结构Von Mises应力云图

如图 11所示，第六层防飞溅层结构Von Mises应力云图。

图 11 第六层防飞溅层结构Von Mises应力云图

如图 12所示，整个夹层玻璃最大变形位移10mm。

5 结 语

用1Kg的铝弹以580Km/h的冲击速度撞击玻璃后，玻璃本身会发生破坏，但是PVB结构和防飞溅层不会发生破坏，能够满足抗铝弹撞击要求。后续完成的冲击试验结果与仿真分析情况基本一致，进一步证实本文所述的仿真分析方法可以作为前窗玻璃抗飞弹性能的前期仿真依据，指导玻璃外形及结构设计。