列車側(cè)窗玻璃高海拔強(qiáng)度分析

楊愛蓮 李 瑋 石 琳

（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 海拔要求及玻璃結(jié)構(gòu)

海拔要求：2000m

玻璃結(jié)構(gòu)從車外向車內(nèi)依次如下：普通窗：6mm化學(xué)鋼化玻璃+0.76PVB+4mm化學(xué)鋼化玻璃+16mm空氣層+4mm化學(xué)鋼化玻璃0.76PVB+3mm化學(xué)鋼化玻璃=34.5mm；緊急窗：8mm物理鋼化玻璃+1.52PVB+3mm化學(xué)鋼化+16mm空氣層+4mm化學(xué)鋼化玻璃0.76PVB +4mm化學(xué)鋼化玻璃=36mm

2 氣壓計算

在海拔高度3000m內(nèi)大氣壓值的計算，近似認(rèn)為每升高10m，大氣壓降低100Pa。那么海拔高度3000m大氣壓粗略計算為：海平面大氣壓約為100000Pa，那么海拔高度為3000m，大氣壓為100000-20000=80000Pa。相當(dāng)于比海平面的大氣壓力減低約20KPa。

3 邊界條件

3.1 氣壓環(huán)境

中空玻璃內(nèi)外壓力差

中空玻璃均在中原地區(qū)制作，內(nèi)部充有氬氣，中空內(nèi)層壓力為101.3KPa。當(dāng)車輛運營在2000m海拔上，根據(jù)理想氣體狀態(tài)平衡方程。

內(nèi)外層玻璃在壓力的作用下體積會增加，中空層內(nèi)的壓力會減小，并滿足以上方程。

式中：P0為初始壓力101.3KPa；

V0為中空層初始體積，1.456x107mm3；

T0為中空層初始溫度，298K；

Pt為列車在線路上運營時中空層內(nèi)壓力；

Vt為列車在線路上運營時中空層體積；

Tt為列車在線路上運營時的溫度，；

玻璃的剛度采用簡單四邊支撐模型進(jìn)行計算。

3.2 安裝形式

外層玻璃與車體連接位置處打膠深度為9mm，內(nèi)層玻璃與車體連接處打膠深度為7mm，周圈為彈性接觸。玻璃內(nèi)層中空鋁條進(jìn)入深度為12mm，為彈性接觸。

4 材料模型

玻璃是一種脆性材料，脆性材料其特點是抗壓強(qiáng)度很高，但抗拉強(qiáng)度很低，脆性材料破壞前毫無預(yù)兆，突然斷裂。脆性材料的破壞形式是拉應(yīng)力超過極限值，它的判斷準(zhǔn)則主要是最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)變準(zhǔn)則。

5 有限元分析

對客室車窗外層玻璃的強(qiáng)度進(jìn)行以下計算：

仿真軟件：ANSYS11.0

模型：產(chǎn)品1400的普通窗外層玻璃

坐標(biāo)系形式見圖1：X軸在水平面與車體走向一致，

Y軸為車體的橫截面方向，Z軸正向上方，如圖1所示：

圖1 坐標(biāo)系形式

5.1 玻璃的有限元模型

分別對各層材料進(jìn)行建模，見圖2。

圖2 玻璃材料模型

采用ANSYS內(nèi)置的網(wǎng)格劃分，對車窗玻璃進(jìn)行適應(yīng)性單元劃分，見圖3、圖4。

圖3 網(wǎng)格劃分形式

圖4 網(wǎng)格劃分形式

5.2 材料參數(shù)

玻璃材料參數(shù)見表1。

表1 玻璃各材料參數(shù)

5.3 應(yīng)力云圖

5.3.1工況一，海拔高度2000m，+6000Pa會車，玻璃位移圖見圖5，等效應(yīng)力圖見圖6。

圖5 工況一玻璃位移圖

圖6 工況一等效應(yīng)力云圖

5.3.2工況二，海拔高度2000m，-6000Pa會車，玻璃位移圖見圖7，等效應(yīng)力云圖見圖8。

圖7 工況三玻璃位移圖

圖8 工況三等效應(yīng)力云圖

6 結(jié)果分析

6.1 強(qiáng)度校核分析

強(qiáng)度校核通常采用安全系數(shù)的方式，以下匯總了普通窗玻璃在典型的工況下的最大等效應(yīng)力：

表2 典型工況下普通窗玻璃最大等效應(yīng)力與最小安全系數(shù)

假設(shè)安全系數(shù)大于4認(rèn)為產(chǎn)品的安全冗余度足夠，那么從表中可以看出，車窗玻璃在2000米海拔其安全系數(shù)均大于3，確認(rèn)產(chǎn)品為安全的。但是如果玻璃本身的拉伸強(qiáng)度隨著運營過程出現(xiàn)了大幅減退的情況，即玻璃的表面微裂紋大于極限裂紋長度，玻璃才會出現(xiàn)裂紋并失效的情況。

6.2 位移量校核分析

位移量校核也采用安全系數(shù)的方式，以下匯總了普通窗玻璃在列舉的工況下的位移，即變形量的數(shù)值：

表3 典型工況下普通窗玻璃最大位移

7 結(jié) 語

1）車窗玻璃在各個工況下強(qiáng)度校核高于安全值，滿足使用要求；

2）車窗玻璃在各個工況下位移值滿足UIC566標(biāo)準(zhǔn)。