基于ABAQUS顯式動(dòng)力分析建筑幕墻耐撞擊性能

王志鴻 金三妹 江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司

1 緒論

1.1 引言

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)建筑幕墻的設(shè)計(jì)要求與性能需求與日提高，在建筑幕墻物理性能檢測(cè)領(lǐng)域中越來(lái)越重視對(duì)幕墻耐撞擊性能的檢測(cè)要求。由于標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整，其中一項(xiàng)變化是軟重物撞擊裝置外圍由兩個(gè)大小一致的輪胎調(diào)整為三個(gè)輪胎并列緊靠，其中兩邊的輪胎大小一致，中間的輪胎尺寸大于兩邊，具體規(guī)格于下文說(shuō)明。本文研究在實(shí)際檢測(cè)中這種變化對(duì)幕墻試件的沖擊力是否有影響，以及如何準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

1.2 試驗(yàn)思路

以50kg軟重物撞擊裝置和尺寸為1700mm×3250mm的中空鋼化玻璃（12mmLow-E+12Ar+12mm），在江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心幕墻實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與有限元模擬，考慮撞擊輪胎數(shù)量的變化對(duì)試件沖擊力是否有影響。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以面板幾何中心受撞擊的位移幅值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。ABAQUS分析軟件中則以最大應(yīng)力狀態(tài)下的位移值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬得出耐撞擊標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整之后所帶來(lái)的影響作為結(jié)論。

1.4 系統(tǒng)控制

無(wú)論實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)還是ABAQUS動(dòng)力顯示分析，關(guān)鍵在于如何有效試驗(yàn)和模擬得出與工程實(shí)際相符的數(shù)據(jù)結(jié)果，由GB/T 38264—2019可知，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試即可，將位移計(jì)讀數(shù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)即能獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但對(duì)于ABAQUS建模來(lái)說(shuō)，由于輪胎材質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系較為復(fù)雜和無(wú)內(nèi)胎充氣模型構(gòu)建難度較大，因此結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求在ABAQUS建模時(shí)以撞擊瞬間能量釋放為參照，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化?？刂谱矒粞b置質(zhì)量、撞擊時(shí)的速度以控制撞擊接觸瞬間的動(dòng)能，控制玻璃面板的等效模型、網(wǎng)格、屬性以獲取準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 軟重物撞擊裝置及撞擊面板

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以50kg軟重物耐撞擊裝置作為本次試驗(yàn)的撞擊體，其幾何參數(shù)如圖1、圖2。

圖1 GB/T 38264中耐撞擊裝置

圖2 GB/T 21086

圖4 GB/T 21086

撞擊面板的尺寸為1700mm×3250mm的鋼化中空玻璃（12mmLow-E+12Ar+12mm），如圖5、圖6。

圖5 撞擊點(diǎn)示意圖

圖6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)撞擊測(cè)試

按照檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38264—2019指定的方法，以50kg軟重物耐撞擊裝置室外側(cè)2級(jí)指標(biāo)作為本次試驗(yàn)的模擬工程檢測(cè)實(shí)況，即撞擊能量為539J降落高度為1100mm，如表1所示。

表1

如圖7所示，將撞擊裝置與鋼絲繩綁定后懸掛在與撞擊面板距離S約為5mm～15mm的水平位置并處于自由狀態(tài)，懸掛撞擊物體的掛點(diǎn)牢固可靠，能滿(mǎn)足不同撞擊位置的需要，鋼絲繩應(yīng)具有足夠強(qiáng)度以保證降落時(shí)撞擊物體中心與指定撞擊點(diǎn)誤差不大于50mm。將該撞擊裝置由水平位置提升到h=1100mm的降落高度后自由降落撞擊面板，撞擊物體釋放裝置應(yīng)能準(zhǔn)確定位撞擊物體的降落高度，安裝框架應(yīng)牢固且在承受荷載時(shí)不影響檢測(cè)結(jié)果，懸掛鋼絲繩應(yīng)具有足夠長(zhǎng)度以保證與掛點(diǎn)的水平夾角不小于14°，降落高度的誤差不大于20mm，測(cè)量撞擊時(shí)面板的最大位移幅值。

圖7 撞擊模擬

圖8 GB/T 38264現(xiàn)場(chǎng)撞擊

圖9 GB/T 21086現(xiàn)場(chǎng)撞擊

2.3 撞擊裝置的控制與數(shù)據(jù)記錄

兩種規(guī)格的撞擊裝置撞擊同一面板的同一位置，記錄玻璃面板的最大位移幅值。通過(guò)測(cè)量設(shè)備將位移數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X獲取最大位移數(shù)據(jù)，如圖10、圖11。

圖10 位移數(shù)據(jù)傳輸圖

圖11 位移數(shù)據(jù)結(jié)果

3基于ABAQUS顯示動(dòng)力分析

3.1 撞擊模型的構(gòu)建

使用ABAQUS有限元分析軟件模擬本次撞擊試驗(yàn)，統(tǒng)一建模所需要的單位制，如表2。

表2 建模時(shí)單位

輪胎的材料復(fù)雜，力學(xué)性質(zhì)及本構(gòu)關(guān)系構(gòu)建難度較大，依據(jù)GB/T 38264—2019建立ABAQUS顯示動(dòng)力分析，以撞擊瞬間的能量釋放作為所需參數(shù)的控制物理量，簡(jiǎn)化計(jì)算模型且保證模擬的可靠度，由GB/T 2983—2008提供數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室復(fù)核整個(gè)試驗(yàn)試件的尺寸信息進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化。

撞擊裝置分為兩個(gè)部分：配重鋼件和橡膠輪胎，模型高度為0.34m，配重鋼件直徑為0.26m，三個(gè)輪胎的直徑尺寸為0.08m、0.1m、0.08m，對(duì)撞擊模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：控制鋼件和輪胎的質(zhì)量分別為35.25kg和14.75kg，相較于GB/T 21086—2007中兩個(gè)輪胎的直徑尺寸為0.08m、0.08m，撞擊裝置控制鋼件質(zhì)量確定為40.28kg，輪胎質(zhì)量為9.72kg，由此建立幾何模型如圖12～圖17。

圖12 GB/T 38264

圖13 GB/T 21086

圖14 GB/T 38264

圖15 GB/T 21086

圖16 GB/T 38264

圖17 GB/T 21086

被撞擊試件為鋼化中空玻璃12mmLow-E+12Ar+12mm，尺寸為1700mm×3250mm，由JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》6.1.5可知，簡(jiǎn)化鋼化中空玻璃模型的構(gòu)建，采用等效厚度123=14.36mm。

其中：

te——等效厚度，mm；

t1——單片玻璃1，厚度為mm；

t2——為單片玻璃2，厚度為mm。

建立幾何模型如圖18。

圖18 被撞擊面板模型

3.2 材料屬性的賦予

模擬一共用到三種材料：鋼材（配重環(huán)）、橡膠、中空鋼化玻璃（屬性同普通玻璃），從GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》中查尋所需參數(shù)（力學(xué)性質(zhì)、泊松比、彈性模量），見(jiàn)表3。

表3

目前對(duì)橡膠材料最廣泛的表述是其力學(xué)性能為超彈性體，理想化不可壓縮模型，為了建立其適合于本模型的本構(gòu)關(guān)系，本文引用徐中明的《基于超靜定方程的橡膠材料本構(gòu)模型參數(shù)識(shí)別》，選擇下列數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，見(jiàn)圖19～圖21。

圖19 單軸拉伸識(shí)別效果

圖20 等雙軸拉伸識(shí)別效果

圖21 純剪切試驗(yàn)識(shí)別效果

通過(guò)引用李煉、潘盛山《基于試驗(yàn)和數(shù)值方法的橡膠材料本構(gòu)模型分析》一文中對(duì)于壓應(yīng)變≧60%的模型，對(duì)模型進(jìn)行分析。撞擊時(shí)的應(yīng)力屬于大壓應(yīng)變模型，故選擇YEOH超靜定曲線擬合，并且采用YEOH超靜定曲線的擬合精確度較高，如表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇該橡膠材料參數(shù)能較好的模擬本次撞擊試驗(yàn)。

表4

3.3 部件的裝配

建立模型一共分為兩大部分共三個(gè)部件，第一部分為撞擊裝置包含兩個(gè)部件，配重鋼件和橡膠輪胎；第二部分為被撞擊的玻璃部件，設(shè)定撞擊裝置輪胎外緣距離玻璃面板為10mm。給出裝配場(chǎng)如圖22、圖23。

圖22 GB/T 38264裝配場(chǎng)

圖23 GB/T 21086裝配場(chǎng)

3.4 分析步的設(shè)定

設(shè)定顯示動(dòng)力分析步，時(shí)間長(zhǎng)度定義為0.04s，時(shí)間長(zhǎng)度具有真實(shí)的物理意義，要充分考慮到撞擊能量產(chǎn)生、撞擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化、位移數(shù)據(jù)記錄的整個(gè)過(guò)程，模型經(jīng)過(guò)多次調(diào)整確定為0.04s可以將撞擊過(guò)程所需要的參數(shù)全部記錄，能極大減少計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間，分析步增量保持默認(rèn)，不進(jìn)行質(zhì)量放縮，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確。

3.5 相互作用的設(shè)定

顯示動(dòng)力分析過(guò)程中需要對(duì)每個(gè)部件之間的相互作用關(guān)系給予明確的設(shè)定，對(duì)于撞擊裝置需要?jiǎng)?chuàng)建其相互約束關(guān)系，將鋼件外表面與模型輪胎部件的內(nèi)表面綁定在一起，即任何時(shí)刻輪胎內(nèi)表面與鋼件不發(fā)生相對(duì)位移，僅傳遞作用力這樣的關(guān)系，對(duì)于被撞擊玻璃試件，創(chuàng)建撞擊相互作用屬性為接觸類(lèi)型，定義切向行為摩擦系數(shù)為0.02，定義法向行為為允許接觸后分離，創(chuàng)建相互作用為通用接觸，設(shè)定分析步為顯示動(dòng)力分析，選擇表面對(duì)為“全部包含自身”全局屬性指派為相互作用中的設(shè)定。

3.6 荷載邊界條件和場(chǎng)的設(shè)定

設(shè)定依據(jù)工程實(shí)際的邊界條件，對(duì)本次撞擊試驗(yàn)的模擬，固定玻璃面板的四周為完全鉸約束，撞擊裝置以一定的高度自由落體撞擊面板，簡(jiǎn)化模型，模擬撞擊瞬間到脫離后的時(shí)間長(zhǎng)度，進(jìn)行下列力學(xué)模型分析。

由表1室外側(cè)撞擊2級(jí)可知，撞擊模型以撞擊裝置初速度為V0=0，降落高度h=1100mm=1.1m，撞擊面得得到一個(gè)等效的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?0kg撞擊裝置撞擊接觸面板瞬間的速度為4.6433m/s，計(jì)算能量方程，由動(dòng)能轉(zhuǎn)化的能量：E=板。由動(dòng)能勢(shì)能轉(zhuǎn)換方程。

為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，讓撞擊裝置在距離面板僅0.01m的水平空間位置向玻璃面板水平撞擊，通過(guò)ABAQUS的計(jì)算分析撞擊接觸瞬間撞擊裝置的動(dòng)能為539J,與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38264—2019指定的方法，以50kg軟重物耐撞擊裝置室外側(cè)2級(jí)指標(biāo)作為本次試驗(yàn)的模擬工程檢測(cè)實(shí)況的能量539J的指標(biāo)符合，即撞擊過(guò)程將傳遞的能量為539J；設(shè)定玻璃面板的四周為完全鉸約束，即X、Y、Z三個(gè)方向的位移為0；選中整個(gè)撞擊裝置，設(shè)定預(yù)定義場(chǎng)為以4.6433m/s的水平速度撞擊玻璃面板。

3.7 網(wǎng)格的劃分

對(duì)于整個(gè)模型，控制模型模擬準(zhǔn)確度需要對(duì)網(wǎng)格的劃分有多方面的考量，重點(diǎn)控制橡膠撞擊接觸體和玻璃面板的網(wǎng)格劃分，為輪胎接觸體和玻璃面板設(shè)定合適的布點(diǎn)，指派網(wǎng)格控制屬性為六面體，指派單元類(lèi)型為顯示動(dòng)力分析，然后劃分網(wǎng)格，對(duì)玻璃面板進(jìn)行多次加密，在每一次加密后對(duì)比撞擊位移數(shù)據(jù)，控制最后兩次加密網(wǎng)格的撞擊位移數(shù)據(jù)相差為總位移量的0.5%以下，然后采用最后一次加密的網(wǎng)格的撞擊數(shù)據(jù)。示意圖如圖24～圖27。

圖24 GB/T 38264

圖25 GB/T 21086

圖26 被撞擊面板網(wǎng)格

圖27 被撞擊面板放大

3.8 提交作業(yè)及可視化分析

創(chuàng)建作業(yè)并提交運(yùn)算，打開(kāi)監(jiān)控視窗，可以看到其動(dòng)能和能量整個(gè)分析過(guò)程數(shù)據(jù)，運(yùn)算結(jié)束后調(diào)到可視化窗口分析處理數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)位移計(jì)傳導(dǎo)到電腦的位移數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)整理如表5、表6。

表5 標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整后的撞擊裝置

表6 標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整前的撞擊

三次撞擊試驗(yàn)面板均無(wú)脫落、破碎或開(kāi)裂，無(wú)裝飾條及其他附屬構(gòu)件脫落。

4.2 實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以看出三次試驗(yàn)效果較好，取三次試驗(yàn)的平均值作為對(duì)比分析數(shù)據(jù)。

4.3 ABAQUS動(dòng)力分析模擬數(shù)據(jù)

撞擊裝置為GB/T 38264的模擬結(jié)果：記錄能量數(shù)據(jù)變化歷程輸出曲線，可以得出在撞擊裝置動(dòng)能降為0時(shí)被撞擊面板的位移達(dá)到幅值，橫坐標(biāo)為時(shí)間，0.04s與分析步設(shè)定一致，如圖28、圖29。

圖28 動(dòng)能內(nèi)能變化圖

圖29 對(duì)應(yīng)撞擊節(jié)點(diǎn)位移曲線圖

由圖28和圖29聯(lián)系分析可知，當(dāng)撞擊裝置動(dòng)能為最小時(shí)，被撞擊面板位移達(dá)到最大值，故采用放縮逼近取值。如圖30、圖31。

圖3 GB/T 38264

圖30 選取圖框A放大

圖31 圖框A放大圖

圖32 選取圖框B放大

由圖31可知，撞擊裝置初動(dòng)能為539J，符合50kg撞擊裝置室外側(cè)2級(jí)撞擊標(biāo)準(zhǔn)要求，即在撞擊發(fā)生瞬間之前，以539J的動(dòng)能撞擊面板。

由圖33可知，被撞擊的玻璃面板的最大節(jié)點(diǎn)位移為26.098mm，即玻璃面最大位移單元位移數(shù)據(jù)。在可視化數(shù)據(jù)輸出中選中創(chuàng)建場(chǎng)變量單元節(jié)點(diǎn)的空間位移輸出，找到U3（即Z軸方向的節(jié)點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化圖），在視口中選中該節(jié)點(diǎn)，撞擊裝置不同時(shí)也必須選擇同一個(gè)被撞擊面板節(jié)點(diǎn)對(duì)比位移數(shù)據(jù)。

圖33 圖框B放大圖

撞擊裝置為GB/T 21086的模擬結(jié)果：記錄能量數(shù)據(jù)變化歷程輸出曲線如圖34、圖35所示。

圖34 動(dòng)能內(nèi)能變化圖

圖35 對(duì)應(yīng)撞擊節(jié)點(diǎn)位移曲線圖

當(dāng)撞擊裝置動(dòng)能為最小時(shí)，面板位移達(dá)到幅值，放縮逼近取值。如圖36、圖37。

圖36 選取圖框C放大

圖37 圖框C放大圖

由圖37可知，撞擊裝置初動(dòng)能為539J，符合50kg撞擊裝置室外側(cè)2級(jí)撞擊標(biāo)準(zhǔn)要求，即在撞擊發(fā)生瞬間前以539J的動(dòng)能撞擊面板。

圖38 選取圖框D放大

由圖39可知，被撞擊的玻璃面板的最大節(jié)點(diǎn)位移為25.810mm，即玻璃面最大位移單元位移數(shù)據(jù)。在可視化數(shù)據(jù)輸出中選中創(chuàng)建場(chǎng)變量單元節(jié)點(diǎn)的空間位移輸出，找到U3（即Z軸方向的節(jié)點(diǎn)位移隨時(shí)間的變化圖）。不同撞擊裝置撞擊同一面玻璃時(shí)。選擇最大位移單元的最大位移節(jié)點(diǎn)必須保持一致。

圖39 圖框D放大圖

4.4 ABAQUS動(dòng)力分析模擬數(shù)據(jù)分析

結(jié)合GB/T 38264—2019《建筑幕墻耐撞擊性能分級(jí)及檢測(cè)方法》來(lái)看，系統(tǒng)控制撞擊接觸發(fā)生瞬間前的撞擊動(dòng)能為539J，精確符合標(biāo)準(zhǔn)要求；撞擊接觸的輪胎材料參數(shù)選用徐中明和李煉的兩篇橡膠材料本構(gòu)關(guān)系研究論文得到了一個(gè)適合于撞擊輪胎的材料參數(shù)，模型擬合效果較好；被撞擊面板的材料力學(xué)參數(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用且準(zhǔn)確度較高，能量曲線位移曲線關(guān)系吻合；撞擊模型與等效簡(jiǎn)化模擬模型吻合，面板網(wǎng)格最后兩次加密位移誤差小于總位移0.5%。

表7 標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整前后的撞擊

基于這四個(gè)方面的考量驗(yàn)證ABAQUS顯示動(dòng)力分析模擬的準(zhǔn)確度較高，可采用該數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

4.5 ABAQUS分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與ABAQUS顯式動(dòng)力分析表明，建筑幕墻耐撞擊性能的撞擊裝置調(diào)整對(duì)試件產(chǎn)生的沖擊力并沒(méi)有明顯的變化。實(shí)驗(yàn)員的規(guī)范操作，準(zhǔn)確實(shí)施檢測(cè)對(duì)試件沖擊力的影響大于標(biāo)準(zhǔn)本身的調(diào)整。

從位移量的角度看，在ABAQUS模擬得到的數(shù)據(jù)表明GB/T 38264的撞擊裝置對(duì)于試件的沖擊力會(huì)略大于GB/T 21086的撞擊裝置，位移量差距為0.288mm，對(duì)于判定工程合格與否的影響可以忽略?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，GB/T 38264的撞擊裝置對(duì)于試件的沖擊力會(huì)略大于GB/T 21086的撞擊裝置。

實(shí)驗(yàn)員的規(guī)范操作對(duì)試件的沖擊力有顯著影響。同一撞擊裝置重復(fù)撞擊試件面板，由于實(shí)驗(yàn)員的操作，位移量差距最大為7.85mm。這種實(shí)驗(yàn)員操作影響大于標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整影響一個(gè)量級(jí)。同一面板在不同撞擊裝置的撞擊下平均位移差值為1.40mm，誤差小于實(shí)驗(yàn)員用同一撞擊裝置重復(fù)撞擊面板。

實(shí)驗(yàn)員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的主要誤差來(lái)源于撞擊裝置降落高度即高差的控制難度大，難以確定撞擊球幾何形心距撞擊點(diǎn)的高度，此外撞擊裝置幾何軸線與牽引線不在一條直線上，因此，對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行精確控制可以提高檢測(cè)準(zhǔn)確性。

致謝：

1.感謝江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心幕墻綜合物理性能檢測(cè)設(shè)備支持。

2.實(shí)驗(yàn)人員同事們的鼎力配合。