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車車輛股份有限公司技術中心，山東 青島 266111；2中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024）

1 前窗玻璃結構

分析用前窗玻璃為夾層結構，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 司機室前窗玻璃示意圖

2 結構抗沖擊要求（執行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

3.1 鋁彈模型

按照TB_T1451-2007 機車、動車前窗玻璃標準1KG鋁彈的技術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 夾層風擋玻璃模型

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

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

其中，D 和 P 為應變率參數，它們表征了材料的應變率敏感特性。

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，前窗和窗框結構都用Solid單元模擬，供6827774個Solid單元。

圖3 風擋結構有限元模型

3.3 模型邊界條件

模型包括了前窗玻璃的支撐結構，在邊界處理上，對內框下端面進行固支處理，如圖 4所示。

圖 4 模型內框下端面固支（內部視圖）

4 分析結果

按照TB_T1451-2007標準要求，1kg鋁彈以580km/h的速度撞擊風擋中心，圖 5給出了5ms時刻鋁彈和風擋撞擊的狀態，風擋有損傷，鋁彈向后飛。

圖5 t=5ms鋁彈撞擊風擋后向后彈出

如圖 6所示，第一層玻璃在撞擊區發生破壞。

圖 6 第一層玻璃Von Mises應力云圖

如圖7所示，第三層玻璃在撞擊區發生破壞。

圖7 第三層玻璃Von Mises應力云圖

如圖 8所示，第五層玻璃在撞擊區未發生破壞。

圖8 第五層玻璃Von Mises應力云圖

如圖9所示，第二層PVB結構Von Mises應力云圖。

圖9 第二層PVB結構Von Mises應力云圖

如圖 10所示，第四層PVB結構Von Mises應力云圖。

圖 10 第四層PVB結構Von Mises應力云圖

如圖 11所示，第六層防飛濺層結構Von Mises應力云圖。

圖 11 第六層防飛濺層結構Von Mises應力云圖

如圖 12所示，整個夾層玻璃最大變形位移10mm。

5 結 語

用1Kg的鋁彈以580Km/h的沖擊速度撞擊玻璃后，玻璃本身會發生破壞，但是PVB結構和防飛濺層不會發生破壞，能夠滿足抗鋁彈撞擊要求。后續完成的沖擊試驗結果與仿真分析情況基本一致，進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，指導玻璃外形及結構設計。