地鐵車輛側(cè)窗玻璃損壞有限元模擬及分析

摘 要：地鐵車輛側(cè)窗玻璃易發(fā)生碎裂，為找到鋼化玻璃損壞原因，通過有限元模擬計算車體窗框變形量，并結(jié)合理論分析，得出側(cè)窗玻璃（正常工況下）不會因車體變形而發(fā)生損壞，從而進一步分析玻璃損壞的原因。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；鋼化玻璃；有限元模擬；玻璃損壞

1 概述

隨著地鐵車輛制造技術(shù)的快速發(fā)展，側(cè)窗玻璃在地鐵車輛上的運用越來越廣泛。由于玻璃本身是脆性材料，在斷裂過程中幾乎不會發(fā)生塑性變形，一旦破裂往往會導(dǎo)致乘客受到傷害。國外某地鐵車輛在2013年到2016年內(nèi)發(fā)生多起客室側(cè)窗破碎現(xiàn)象，該側(cè)窗破碎紋路與國內(nèi)某地鐵車輛發(fā)生的車窗玻璃自爆紋路類似，對比見圖1。

經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，兩塊玻璃的破裂紋路類似，破裂點兩邊均有蝴蝶斑形狀，碎片呈放射狀分布。

2 有限元模擬

通過有限元模擬手段，分析車體在各種工況下變形導(dǎo)致的外部載荷作用對側(cè)窗玻璃的影響。

綜合考慮EN 12663-2010標(biāo)準(zhǔn)中會造成車窗較大變形的六個典型工況分別計算車體在該六個靜態(tài)工況下，各車窗對角線的變形情況。

窗的相對變形為有限元結(jié)果中對角線長度與有限元模型對角線長度之差的絕對值，可以用公式（1）進行說明。

3 計算結(jié)果分析

為了解釋該變形對地鐵車窗玻璃破裂的影響，將該變形與其他地鐵項目變形值進行對比，這里引入變形率？啄來說明不同車窗尺寸之間的對比值。

根據(jù)有限元模擬結(jié)果，再通過公式計算得到側(cè)窗玻璃的最大變形率，如表1所示。

從表1可以看出，國外地鐵車輛側(cè)窗變形率最小，說明該項目車窗玻璃受車體導(dǎo)致的外部載荷擠壓變形最??；而國內(nèi)部分項目也曾發(fā)生個別車窗玻璃破裂現(xiàn)象，經(jīng)分析確認(rèn)為自爆。由以上結(jié)果得出該項目車窗玻璃非車體的變形而導(dǎo)致碎裂。

4 玻璃損壞原因

鋼化玻璃損壞原因分為兩類：一種為受外力作用導(dǎo)致的損壞；另一種為玻璃由于自身原因?qū)е碌淖员?/p>

4.1 玻璃受外力作用損壞

玻璃受到外部尖銳物擊打、碰撞后，玻璃發(fā)生碎裂，會在玻璃表面留下著力點痕跡，鋼化玻璃裂紋以受力點為中線呈放射狀。

4.2 玻璃自爆

鋼化玻璃在加工、儲存、運輸、安裝、使用過程中均可發(fā)生自爆。自爆按起因不同分為兩類：一是由玻璃中可見缺陷引起的自爆，此類自爆因素一般出現(xiàn)在生產(chǎn)過程中；二是由于玻璃中含有因化學(xué)元素凝固過程中結(jié)晶伴隨產(chǎn)生的雜質(zhì)引起玻璃的自爆，此類有潛伏期，出廠裝車產(chǎn)品可能存在此風(fēng)險。

鋼化玻璃自爆的原因是玻璃中因含有硫化鎳（NiS）及異質(zhì)相顆粒雜質(zhì)，或者說是因為在鋼化玻璃中存在硫化鎳及異質(zhì)相顆粒雜質(zhì)導(dǎo)致的殘余應(yīng)力所致。

這類應(yīng)力分為兩類：一類是相變膨脹過程中的相變應(yīng)力。當(dāng)溫度超過1000℃時，硫化鎳以液滴形式存在于熔融玻璃中。1克硫化鎳就能生成1000個直徑為0.15mm的小結(jié)石顆粒。玻璃中硫化鎳雜質(zhì)以小水晶狀態(tài)存在，直徑在0.1～2mm，在一般情況下，不會造成玻璃破損，但是由于鋼化玻璃重新加熱，改變了硫化鎳的相態(tài)。理論上，硫化鎳在379℃時有一相變過程，硫化鎳的高溫ɑ態(tài)（六方晶體）在玻璃急冷時被凍結(jié)，他們在恢復(fù)到β態(tài)（三方晶體）可能需要幾年的時間，由于低溫β態(tài)的硫化鎳體積將增大，也就是說從ɑ態(tài)的硫化鎳轉(zhuǎn)化為β態(tài)的硫化鎳這種相變伴隨著大約2%～4%的體積膨脹，在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，當(dāng)這種張應(yīng)力超過玻璃自身所能承受的極限時，鋼化玻璃發(fā)生自爆。

另一類是由于含有硫化鎳（NiS）及異質(zhì)相顆粒雜質(zhì)的區(qū)域與不含的正常區(qū)域熱膨脹系數(shù)差異較大，凝固結(jié)晶過程中，熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生殘余應(yīng)力，達到一定值超過玻璃自身承受能力即產(chǎn)生自爆。很多玻璃的自爆就是因為鋼化玻璃中應(yīng)力分布不均勻、偏移，玻璃在加熱或冷卻時使沿玻璃厚度方向產(chǎn)生的溫度梯度不均勻、不對稱導(dǎo)致。

5 結(jié)束語

通過上述對側(cè)窗變形率的有限元結(jié)果分析可知，在典型靜態(tài)工況下，地鐵側(cè)窗的車體窗框相對變形率較小，可以確定由車體變形導(dǎo)致車窗變形過大進而引起玻璃破裂的可能性極低。玻璃的損壞主要是因為受外力作用或者自爆導(dǎo)致，這可以通過玻璃碎裂的紋路進行判斷。

參考文獻

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