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行人头部冲击载荷下的风挡玻璃模拟
2018-04-18 21:21:14· 来源：上汽安全与CAE技术
据中国交通事故深入研究（CIDAS）数据的统计分析，在汽车与行人的碰撞事故中，头部伤害是造成行人重伤或死亡的最重要因素，其中，行人头部在汽车上的撞击点落在风挡玻璃区域的比例最高，即将实施的2018版C-NCAP也将行人头部撞击风挡玻璃的测试项目纳入了星级评价体系，因此如何准确模拟风挡玻璃的冲击特性并准确评价行人头部的受伤程度成为汽车生产厂商的重要课题。
据中国交通事故深入研究（CIDAS）数据的统计分析，在汽车与行人的碰撞事故中，头部伤害是造成行人重伤或死亡的最重要因素，其中，行人头部在汽车上的撞击点落在风挡玻璃区域的比例最高，即将实施的2018版C-NCAP也将行人头部撞击风挡玻璃的测试项目纳入了星级评价体系，因此如何准确模拟风挡玻璃的冲击特性并准确评价行人头部的受伤程度成为汽车生产厂商的重要课题。
01 典型的风挡玻璃结构
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夹PVB (Polyvinyl butyral, 聚乙烯醇缩丁醛 ) 薄膜，经复合加压、加温而制成。这种夹层结构已被证明在汽车碰撞对车内乘员提供保护，大减小了车内乘员由于玻璃碎片飞溅而受伤的几率。
02 风挡玻璃的有限元模型
采用5层结构模拟风挡玻璃。上下两层为壳单元，代表玻璃层。中间层为体单元，代表PVB薄膜。PVB薄膜层的上下表面各附上一层与体单元上下表面共节点的空壳单元以改善接触。模型中，PVB薄膜体单元的上/下层节点分别和上/下层玻璃采用*Contact_Tied接触模拟PVB薄膜和上下层玻璃粘接，并假设粘接不失效。风挡玻璃通过玻璃胶粘接在由风挡玻璃下横梁、A柱和车顶构成的安装框架上，其中玻璃胶采用体单元模拟，使用*Contact_Tied安装框架与风挡玻璃之间的粘接特性。
03 材料风挡玻璃的模拟方法
在小变形情况下，风挡玻璃表现出线弹性。大变形情况下，玻璃层表现为脆性失效，失去承载能力，但是玻璃在碎裂之后依然保持和PVB薄膜粘接，而 PVB薄膜通常不会失效并依然起到承载作用。风挡玻璃的材料特性也需要将玻璃层和PVB薄膜层分别定义。主要由股骨，膝关节，胫骨及包括其上的肌肉组成。
（1）玻璃层模拟
对于玻璃层的模拟目前通常会采用*MAT_123(*MAT_MODIFIED_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)材料模型，定义失效应力和最大主应变失效准则。玻璃的失效应力是由于内部的瑕疵决定的，通常几十兆帕。最大主应变设为百分之零点几，当玻璃层在变形过程中，最大主应变超过设定值时，相应的单元就会被删除。
（2）PVB薄膜材料定义
PVB薄膜可以被视为近似不可压缩的固体，因此就可以采用超弹性材料模型*MAT_27(*MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER)来模拟。其应变能量密度函数W可以通过输入参数 A，B和Poisson比v来确定，其中： I1、I2和 I3是右Cauchy-Green 张量不变量；剪切模量 G = 2(A + B)；弹性模量 E = 2G(1 + 2v)。
04 模拟结果
根据上述方法建立某车型的风挡玻璃模型，并放入整车模型，选取某个撞击点进行仿真模拟，从下图可以看出加速度模拟曲线和试验曲线的形状一致性较好，玻璃裂纹形式相近。模拟得到的HIC值比试验结果高2.6%。模拟结果可以满足工程设计和性能评估的要求。
05 结语
本文采用的风挡玻璃的有限元模拟方法可以较准确地预测行人头受伤程度和风挡玻璃失效模式，这可为车型行人保护性能评价和开发改进提供借鉴。
01 典型的风挡玻璃结构
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夹PVB (Polyvinyl butyral, 聚乙烯醇缩丁醛 ) 薄膜，经复合加压、加温而制成。这种夹层结构已被证明在汽车碰撞对车内乘员提供保护，大减小了车内乘员由于玻璃碎片飞溅而受伤的几率。
02 风挡玻璃的有限元模型
采用5层结构模拟风挡玻璃。上下两层为壳单元，代表玻璃层。中间层为体单元，代表PVB薄膜。PVB薄膜层的上下表面各附上一层与体单元上下表面共节点的空壳单元以改善接触。模型中，PVB薄膜体单元的上/下层节点分别和上/下层玻璃采用*Contact_Tied接触模拟PVB薄膜和上下层玻璃粘接，并假设粘接不失效。风挡玻璃通过玻璃胶粘接在由风挡玻璃下横梁、A柱和车顶构成的安装框架上，其中玻璃胶采用体单元模拟，使用*Contact_Tied安装框架与风挡玻璃之间的粘接特性。
03 材料风挡玻璃的模拟方法
在小变形情况下，风挡玻璃表现出线弹性。大变形情况下，玻璃层表现为脆性失效，失去承载能力，但是玻璃在碎裂之后依然保持和PVB薄膜粘接，而 PVB薄膜通常不会失效并依然起到承载作用。风挡玻璃的材料特性也需要将玻璃层和PVB薄膜层分别定义。主要由股骨，膝关节，胫骨及包括其上的肌肉组成。
（1）玻璃层模拟
对于玻璃层的模拟目前通常会采用*MAT_123(*MAT_MODIFIED_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)材料模型，定义失效应力和最大主应变失效准则。玻璃的失效应力是由于内部的瑕疵决定的，通常几十兆帕。最大主应变设为百分之零点几，当玻璃层在变形过程中，最大主应变超过设定值时，相应的单元就会被删除。
（2）PVB薄膜材料定义
PVB薄膜可以被视为近似不可压缩的固体，因此就可以采用超弹性材料模型*MAT_27(*MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER)来模拟。其应变能量密度函数W可以通过输入参数 A，B和Poisson比v来确定，其中： I1、I2和 I3是右Cauchy-Green 张量不变量；剪切模量 G = 2(A + B)；弹性模量 E = 2G(1 + 2v)。
04 模拟结果
根据上述方法建立某车型的风挡玻璃模型，并放入整车模型，选取某个撞击点进行仿真模拟，从下图可以看出加速度模拟曲线和试验曲线的形状一致性较好，玻璃裂纹形式相近。模拟得到的HIC值比试验结果高2.6%。模拟结果可以满足工程设计和性能评估的要求。
05 结语
本文采用的风挡玻璃的有限元模拟方法可以较准确地预测行人头受伤程度和风挡玻璃失效模式，这可为车型行人保护性能评价和开发改进提供借鉴。
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