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汽车风挡玻璃的碰撞试验和仿真
2019-08-24 00:36:16· 来源：汽车安全与轻量化 作者：高乐辰 窦国强
行人处于道路交通使用者中的弱势地位, 没有车身结构、安全带、气囊等汽车乘员所具有的保护措施, 因此，行人发生与车碰撞事故后的伤亡率很高。当汽车撞击到行人时
行人处于道路交通使用者中的弱势地位, 没有车身结构、安全带、气囊等汽车乘员所具有的保护措施, 因此，行人发生与车碰撞事故后的伤亡率很高。当汽车撞击到行人时，行人头部往往会撞击到风挡玻璃区域。科研人员通常采用碰撞假人来开展行人保护的试验分析，测量在头部加速度信息来评估其受伤害的程度，如图1所示。在开展行人保护碰撞试验会先进行模拟分析，为了保证行人头部受力仿真结果的可靠性，风挡玻璃的力学特性和精确仿真方法就显得尤为重要了。本文基于清华大学苏州汽车研究院轻量化所进行过的一个项目，介绍风挡玻璃的力学性能测试和仿真方法。
图1 行人碰撞试验(图片来源于网络)
典型的风挡玻璃通常为三层结构，包括上下两层玻璃以及中间PVB夹层，经复合加压、加温而制成。玻璃层起到主要承载的作用。当玻璃层脆性失效后PVB夹层依然承载，并粘接玻璃碎片防止对行人和乘员造成二次伤害。
图2 PVB玻璃
要获取风挡玻璃整体的力学性能，首先需要对单层玻璃和PVB夹层进行试验。玻璃材料通常为“率无关”的脆性材料，通过三点弯曲试验并结合仿真逆向对标可以获取玻璃材料的弹性模量、泊松比、失效应变等参数，在LS-DYNA软件中可采用MAT123材料模型来表征。
图3 单层玻璃三点弯试验和仿真对标
PVB的力学性能与橡胶材料接近，可认为是为粘弹性材料，需要进行静动态拉伸、单向压缩、平面拉伸、等轴拉伸等一些列不同应变率和应力状态试验，并基于试验结果，标定出MAT77材料模型。
图4 PVB拉伸试验和仿真对标
完成了单层玻璃和PVB的试验和材料卡标定工作，还需要对较小面积的风挡玻璃进行穿孔试验（与头部撞击风挡玻璃的工况接近）。风挡玻璃的仿真模型采用3层结构来模拟，上下的玻璃层采用壳单元模拟，中间PVB层采用实体单元，单层玻璃与PVB薄膜通过“CONTACT_TIED”连接。网格大小为10mm。玻璃采用了最大主应力失效准则，通过删除单元来模拟失效。并通过优化参数，使仿真中玻璃裂纹的扩展形式更接近于试验。
图5 风挡玻璃模型
对比风挡玻璃静态穿孔试验和仿真结果，其最大峰值载荷与失效位移一致性非常好。
图6 风挡玻璃穿孔试验对标结果
最后进行风挡玻璃部件的落锤试验和仿真对标。风挡玻璃部件的落锤试验尽量保持与整车行人保护试验工况类似，试验所采用的冲头外形与假人头模块尺寸一致。本文重点研究风挡玻璃的特性，所以冲头采用刚性材料-钢制作，忽略假人头模块自有特性的影响。风挡玻璃部件落锤试验和仿真中的载荷-位移曲线和能量-位移曲线对标结果图7所示，其仿真精度非常高。同时仿真与试验后玻璃的失效和裂纹扩展形态也基本一致。
图7 风挡玻璃部件落锤试验和仿真对标结果
本文开展了单层玻璃、PVB、夹层玻璃等一系列实验，并基于试验结果标定了单层玻璃、PVB的仿真材料模型，确定了夹层玻璃的仿真方法，通过静态穿孔试验验证了其仿真精度。该仿真模型最终应用到风挡玻璃部件落锤试验中，从仿真对标中可以看出本文所开发的风挡玻璃模拟方法可以准确地预测风挡玻璃的力学响应和失效模式。
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