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列车侧窗玻璃高海拔强度分析

2018-04-25杨爱莲

中国建材科技 2018年1期
关键词:钢化玻璃海拔高度窗玻璃

杨爱莲 李 玮 石 琳

(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 海拔要求及玻璃结构

海拔要求:2000m

玻璃结构从车外向车内依次如下:普通窗:6mm化学钢化玻璃+0.76PVB+4mm化学钢化玻璃+16mm空气层+4mm化学钢化玻璃0.76PVB+3mm化学钢化玻璃=34.5mm;紧急窗:8mm物理钢化玻璃+1.52PVB+3mm化学钢化+16mm空气层+4mm化学钢化玻璃0.76PVB +4mm化学钢化玻璃=36mm

2 气压计算

在海拔高度3000m内大气压值的计算,近似认为每升高10m,大气压降低100Pa。那么海拔高度3000m大气压粗略计算为:海平面大气压约为100000Pa,那么海拔高度为3000m,大气压为100000-20000=80000Pa。相当于比海平面的大气压力减低约20KPa。

3 边界条件

3.1 气压环境

中空玻璃内外压力差

中空玻璃均在中原地区制作,内部充有氩气,中空内层压力为101.3KPa。当车辆运营在2000m海拔上,根据理想气体状态平衡方程。

内外层玻璃在压力的作用下体积会增加,中空层内的压力会减小,并满足以上方程。

式中:P0为初始压力101.3KPa;

V0为中空层初始体积,1.456x107mm3;

T0为中空层初始温度,298K;

Pt为列车在线路上运营时中空层内压力;

Vt为列车在线路上运营时中空层体积;

Tt为列车在线路上运营时的温度,;

玻璃的刚度采用简单四边支撑模型进行计算。

3.2 安装形式

外层玻璃与车体连接位置处打胶深度为9mm,内层玻璃与车体连接处打胶深度为7mm,周圈为弹性接触。玻璃内层中空铝条进入深度为12mm,为弹性接触。

4 材料模型

玻璃是一种脆性材料,脆性材料其特点是抗压强度很高,但抗拉强度很低,脆性材料破坏前毫无预兆,突然断裂。脆性材料的破坏形式是拉应力超过极限值,它的判断准则主要是最大拉应力准则和最大拉应变准则。

5 有限元分析

对客室车窗外层玻璃的强度进行以下计算:

仿真软件:ANSYS11.0

模型:产品1400的普通窗外层玻璃

坐标系形式见图1:X轴在水平面与车体走向一致,

Y轴为车体的横截面方向,Z轴正向上方,如图1所示:

图1 坐标系形式

5.1 玻璃的有限元模型

分别对各层材料进行建模,见图2。

图2 玻璃材料模型

采用ANSYS内置的网格划分,对车窗玻璃进行适应性单元划分,见图3、图4。

图3 网格划分形式

图4 网格划分形式

5.2 材料参数

玻璃材料参数见表1。

表1 玻璃各材料参数

5.3 应力云图

5.3.1工况一,海拔高度2000m,+6000Pa会车,玻璃位移图见图5,等效应力图见图6。

图5 工况一玻璃位移图

图6 工况一等效应力云图

5.3.2工况二,海拔高度2000m,-6000Pa会车,玻璃位移图见图7,等效应力云图见图8。

图7 工况三玻璃位移图

图8 工况三等效应力云图

6 结果分析

6.1 强度校核分析

强度校核通常采用安全系数的方式,以下汇总了普通窗玻璃在典型的工况下的最大等效应力:

表2 典型工况下普通窗玻璃最大等效应力与最小安全系数

假设安全系数大于4认为产品的安全冗余度足够,那么从表中可以看出,车窗玻璃在2000米海拔其安全系数均大于3,确认产品为安全的。但是如果玻璃本身的拉伸强度随着运营过程出现了大幅减退的情况,即玻璃的表面微裂纹大于极限裂纹长度,玻璃才会出现裂纹并失效的情况。

6.2 位移量校核分析

位移量校核也采用安全系数的方式,以下汇总了普通窗玻璃在列举的工况下的位移,即变形量的数值:

表3 典型工况下普通窗玻璃最大位移

7 结 语

1)车窗玻璃在各个工况下强度校核高于安全值,满足使用要求;

2)车窗玻璃在各个工况下位移值满足UIC566标准。

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