汽车玻璃破坏现象之离散元-有限元耦合模拟方法研究

《汽车玻璃破坏现象之离散元-有限元耦合模拟方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、汽车玻璃破坏现象之离散元/有限元耦合模拟方法研究第一章绪论1.1研究背景及意义汽车玻璃是汽车不可缺少的重要部件之一，其不仅能遮风挡雨和保温，还能提供良好的全方位视野，应具有良好的光学性能光畸变要控制在合理范围内。此外，汽车玻璃还是汽车安全系统的重要组成部分[1]。当发生碰撞交通事故时，挡风玻璃能防止司乘人员被抛出车外；挡风玻璃还是副驾驶室位置安全气囊展开时的支撑板；当发生翻车事故时，挡风玻璃为车顶提供重要的支撑；挡风玻璃能阻止车外物体如飞石等的贯入，保护司乘人员的生命财产安全。挡风玻璃的这些重要功能要求其具有良好的力学性能，如具有良好的抗冲

2、击和抗贯穿能力、具有一定的弯曲强度。与此同时，挡风玻璃还应具有一定的柔韧性和缓冲能力，以减轻或避免行人头部撞上后的损伤。汽车玻璃破坏时不能产生尖锐的棱角和碎片，以免伤害司乘人员。此外，挡风玻璃破坏后还应具有一定的透光性，以保证驾驶人员能够观察到车外情况，以便做应急处理。由此可见，汽车玻璃是一件关系到司乘人员生命财产安全的重要汽车部件。因此，对汽车玻璃进行研究具有十分重要的价值和意义。二十一世纪以来，随着我国经济和汽车工业的高速发展，全国的汽车产销量和保有量大幅度增加。2011年，我国的汽车生产量、销售量分别达1850万辆和1840万辆，中国

3、是继美国、日本之后的第三个汽车生产销售大国。汽车是人们生活中重要的交通工具，它给人们带来了许多便利，但也带来了交通事故的伤害。据统计，全世界每年大约有120万人丧生于道路交通事故，造成的经济损失多达5180亿美元[2]。目前，中国是世界上交通事故伤亡人数最多、死亡率最高的国家之一。2010年，我国在交通事故中死亡和受伤的人数高达65225人和254075人。其中，行人在交通事故中死亡和受伤人数达16281人和44626人，分别占交通事故中死亡和受伤总人数的24.96%和17.57%[3]。由大量交通事故调查结果可知，行人头部是损伤的最主要部

4、位，约占受伤总数的30%[4,5]。并且，头部损伤常常是行人死亡的最主要原因之一。许俊等人对清华大学国家交通数据库中人-车交通事故死亡案例进行统计发现，行人头部与前挡风玻璃碰撞而死亡的人数占头部损伤死亡人数的81.02%[6]。因此，头部和前挡玻璃碰撞是导致行人死亡的最主要因素。由此可见，研究挡风玻璃的冲击破坏性能对被动安全及行人保护具有十分重要的意义：以便更好地保护行人，减少交通事故造成的损失。如上所述，头部碰撞前挡玻璃是导致行人死亡的最主要原因之一，而汽车前挡玻璃破损形态蕴藏着大量的交通事故信息[7,8]。因此，对汽车前挡玻璃破坏机理进

5、行研究有助于为人-车交通事故再现和交通事故鉴定提供理论和技术支持。近年来，汽车车型和种类越来越多，不同车型使用玻璃的面积、大小也千差万别，但总的趋势是玻璃的使用面积越来越大。据统计，20世纪50年代基本型乘用车平均每辆车玻璃的使用面积为2.2m2，60年代使用面积为2.4m2，70年代使用面积为2.8m2，80年代使用面积为3.4m2，90年代使用面积为3.9m2，目前使用面积约达4.3m2，是上世纪50年代的近2倍。随着更多车型配备全景天窗，汽车玻璃所占面积将会进一步激增。汽车玻璃所占面积不断增大，对汽车玻璃冲击破坏等力学性能提出了更高要

6、求，因此研究汽车玻璃力学性能，尤其是冲击破坏性能十分必要。对汽车玻璃冲击破坏的研究主要包括两个方向：试验研究和数值计算研究。试验研究通常是通过分组试验，采用对比的方法，揭示各参数与汽车玻璃冲击破坏性能的关系。试验方法观察到了汽车玻璃冲击破坏过程中的一些特有现象，获得了汽车玻璃冲击破坏的一些有用数据，为汽车玻璃冲击破坏理论的建立奠定了基础，并且为数值仿真的验证提供了可靠依据。因此，试验研究为汽车玻璃冲击破坏机理研究做出了极为重要的贡献。然而，试验研究有其自身的局限性，如试验样件一致性、试验条件一致性难以保证等。由于汽车夹层玻璃结构较为复杂，在

7、加工过程中及材料物性上的微小变化都会对其冲击破坏性能产生较为显著的影响[9]。因此，要避免上述因素的影响，只有通过大量试验才有可能获得影响夹层玻璃冲击破坏性能的一些重要参数[10,11]。然而，夹层玻璃冲击破坏过程极为短暂，因此很难甚至无法扑捉到其内部的一些破坏现象。此外，有些冲击破坏试验很难甚至不可能按真实情况进行。例如人-车碰撞时行人头部冲击挡风玻璃只可进行假人碰撞试验，但由于假人非常昂贵，该试验研究受到了很大限制。2.第二章FEM基本理论2.1引言本文使用离散元/有限元耦合方法研究汽车玻璃冲击破坏过程。有限元法基于连续介质力学，是连续

8、介质计算力学领域最常用的数值方法。离散单元法基于非连续介质力学，早期便在岩土工程、粉体（颗粒散体）工程等非连续介质领域广泛使用。近年来，学者应用离散元法研究连续介质向非连续介质转