列車前窗玻璃抗飛彈性能仿真分析

楊愛蓮 劉海濤

（1山東省青島市中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心，山東 青島 266111；2中國建材檢驗認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京 100024）

1 前窗玻璃結(jié)構(gòu)

分析用前窗玻璃為夾層結(jié)構(gòu)，如圖 1所示，由玻璃片和PVB膠膜組成，周邊采用鋁合金窗框。

圖 1 司機(jī)室前窗玻璃示意圖

2 結(jié)構(gòu)抗沖擊要求（執(zhí)行TB/T1451 -2007 ）

1）1Kg鋁彈；

2）沖擊速度580Km/h；

3）前窗玻璃以實車安裝角放置，飛彈沿水平方向沖擊，撞擊玻璃外部幾何中心。

3 仿真分析技術(shù)

3.1 鋁彈模型

按照TB_T1451-2007 機(jī)車、動車前窗玻璃標(biāo)準(zhǔn)1KG鋁彈的技術(shù)要求建立鋁彈的有限元模型（如圖 2所示）。模型中將鋁彈處理成剛性體，輸入鋁彈實際的重量和慣量。

圖 2 1KG鋁彈模型

3.2 夾層風(fēng)擋玻璃模型

本報告基于顯示積分非線性動力學(xué)理論，對沖擊過程進(jìn)行仿真分析。將玻璃、膠膜都采用各向同性的彈塑性模型，膠膜應(yīng)變率采用Cowper-Symonds模型，單元失效采用最大塑性應(yīng)變失效。單位：長度mm、重量kg、時間ms、應(yīng)力GPa。玻璃材料性能數(shù)據(jù)采用其實測值。

玻璃中間層均為PVB材料，是阻尼超彈性材料，應(yīng)變率用Cowper-Symonds 模型來考慮。

其中，D 和 P 為應(yīng)變率參數(shù)，它們表征了材料的應(yīng)變率敏感特性。

防飛濺層是聚對苯二甲酸乙二酯（PET）薄膜，具有優(yōu)異的抗沖擊性能和韌性。

采用有限元模型如圖3所示，前窗和窗框結(jié)構(gòu)都用Solid單元模擬，供6827774個Solid單元。

圖3 風(fēng)擋結(jié)構(gòu)有限元模型

3.3 模型邊界條件

模型包括了前窗玻璃的支撐結(jié)構(gòu)，在邊界處理上，對內(nèi)框下端面進(jìn)行固支處理，如圖 4所示。

圖 4 模型內(nèi)框下端面固支（內(nèi)部視圖）

4 分析結(jié)果

按照TB_T1451-2007標(biāo)準(zhǔn)要求，1kg鋁彈以580km/h的速度撞擊風(fēng)擋中心，圖 5給出了5ms時刻鋁彈和風(fēng)擋撞擊的狀態(tài)，風(fēng)擋有損傷，鋁彈向后飛。

圖5 t=5ms鋁彈撞擊風(fēng)擋后向后彈出

如圖 6所示，第一層玻璃在撞擊區(qū)發(fā)生破壞。

圖 6 第一層玻璃Von Mises應(yīng)力云圖

如圖7所示，第三層玻璃在撞擊區(qū)發(fā)生破壞。

圖7 第三層玻璃Von Mises應(yīng)力云圖

如圖 8所示，第五層玻璃在撞擊區(qū)未發(fā)生破壞。

圖8 第五層玻璃Von Mises應(yīng)力云圖

如圖9所示，第二層PVB結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖。

圖9 第二層PVB結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖

如圖 10所示，第四層PVB結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖。

圖 10 第四層PVB結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖

如圖 11所示，第六層防飛濺層結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖。

圖 11 第六層防飛濺層結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖

如圖 12所示，整個夾層玻璃最大變形位移10mm。

5 結(jié) 語

用1Kg的鋁彈以580Km/h的沖擊速度撞擊玻璃后，玻璃本身會發(fā)生破壞，但是PVB結(jié)構(gòu)和防飛濺層不會發(fā)生破壞，能夠滿足抗鋁彈撞擊要求。后續(xù)完成的沖擊試驗結(jié)果與仿真分析情況基本一致，進(jìn)一步證實本文所述的仿真分析方法可以作為前窗玻璃抗飛彈性能的前期仿真依據(jù)，指導(dǎo)玻璃外形及結(jié)構(gòu)設(shè)計。