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汽車風擋玻璃的碰撞試驗和仿真

2019-08-24 00:36:16·  來源：汽車安全與輕量化  作者：高樂辰 竇國強  
　
行人處于道路交通使用者中的弱勢地位, 沒有車身結(jié)構(gòu)、安全帶、氣囊等汽車乘員所具有的保護措施, 因此，行人發(fā)生與車碰撞事故后的傷亡率很高。當汽車撞擊到行人時
行人處于道路交通使用者中的弱勢地位, 沒有車身結(jié)構(gòu)、安全帶、氣囊等汽車乘員所具有的保護措施, 因此，行人發(fā)生與車碰撞事故后的傷亡率很高。當汽車撞擊到行人時，行人頭部往往會撞擊到風擋玻璃區(qū)域。科研人員通常采用碰撞假人來開展行人保護的試驗分析，測量在頭部加速度信息來評估其受傷害的程度，如圖1所示。在開展行人保護碰撞試驗會先進行模擬分析，為了保證行人頭部受力仿真結(jié)果的可靠性，風擋玻璃的力學特性和精確仿真方法就顯得尤為重要了。本文基于清華大學蘇州汽車研究院輕量化所進行過的一個項目，介紹風擋玻璃的力學性能測試和仿真方法。
 
圖1 行人碰撞試驗(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))
   
典型的風擋玻璃通常為三層結(jié)構(gòu)，包括上下兩層玻璃以及中間PVB夾層，經(jīng)復(fù)合加壓、加溫而制成。玻璃層起到主要承載的作用。當玻璃層脆性失效后PVB夾層依然承載，并粘接玻璃碎片防止對行人和乘員造成二次傷害。
圖2 PVB玻璃
   
要獲取風擋玻璃整體的力學性能，首先需要對單層玻璃和PVB夾層進行試驗。玻璃材料通常為“率無關(guān)”的脆性材料，通過三點彎曲試驗并結(jié)合仿真逆向?qū)丝梢垣@取玻璃材料的彈性模量、泊松比、失效應(yīng)變等參數(shù)，在LS-DYNA軟件中可采用MAT123材料模型來表征。
 
圖3 單層玻璃三點彎試驗和仿真對標

PVB的力學性能與橡膠材料接近，可認為是為粘彈性材料，需要進行靜動態(tài)拉伸、單向壓縮、平面拉伸、等軸拉伸等一些列不同應(yīng)變率和應(yīng)力狀態(tài)試驗，并基于試驗結(jié)果，標定出MAT77材料模型。
 
圖4 PVB拉伸試驗和仿真對標

完成了單層玻璃和PVB的試驗和材料卡標定工作，還需要對較小面積的風擋玻璃進行穿孔試驗（與頭部撞擊風擋玻璃的工況接近）。風擋玻璃的仿真模型采用3層結(jié)構(gòu)來模擬，上下的玻璃層采用殼單元模擬，中間PVB層采用實體單元，單層玻璃與PVB薄膜通過“CONTACT_TIED”連接。網(wǎng)格大小為10mm。玻璃采用了最大主應(yīng)力失效準則，通過刪除單元來模擬失效。并通過優(yōu)化參數(shù)，使仿真中玻璃裂紋的擴展形式更接近于試驗。
圖5 風擋玻璃模型

對比風擋玻璃靜態(tài)穿孔試驗和仿真結(jié)果，其最大峰值載荷與失效位移一致性非常好。
圖6 風擋玻璃穿孔試驗對標結(jié)果

最后進行風擋玻璃部件的落錘試驗和仿真對標。風擋玻璃部件的落錘試驗盡量保持與整車行人保護試驗工況類似，試驗所采用的沖頭外形與假人頭模塊尺寸一致。本文重點研究風擋玻璃的特性，所以沖頭采用剛性材料-鋼制作，忽略假人頭模塊自有特性的影響。風擋玻璃部件落錘試驗和仿真中的載荷-位移曲線和能量-位移曲線對標結(jié)果圖7所示，其仿真精度非常高。同時仿真與試驗后玻璃的失效和裂紋擴展形態(tài)也基本一致。

 

 
圖7 風擋玻璃部件落錘試驗和仿真對標結(jié)果

本文開展了單層玻璃、PVB、夾層玻璃等一系列實驗，并基于試驗結(jié)果標定了單層玻璃、PVB的仿真材料模型，確定了夾層玻璃的仿真方法，通過靜態(tài)穿孔試驗驗證了其仿真精度。該仿真模型最終應(yīng)用到風擋玻璃部件落錘試驗中，從仿真對標中可以看出本文所開發(fā)的風擋玻璃模擬方法可以準確地預(yù)測風擋玻璃的力學響應(yīng)和失效模式。
 
 
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