列车侧窗玻璃高海拔强度分析

杨爱莲 李 玮 石 琳

（1山东省青岛市中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心，山东 青岛 266111；2中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024）

1 海拔要求及玻璃结构

海拔要求：2000m

玻璃结构从车外向车内依次如下：普通窗：6mm化学钢化玻璃+0.76PVB+4mm化学钢化玻璃+16mm空气层+4mm化学钢化玻璃0.76PVB+3mm化学钢化玻璃=34.5mm；紧急窗：8mm物理钢化玻璃+1.52PVB+3mm化学钢化+16mm空气层+4mm化学钢化玻璃0.76PVB +4mm化学钢化玻璃=36mm

2 气压计算

在海拔高度3000m内大气压值的计算，近似认为每升高10m，大气压降低100Pa。那么海拔高度3000m大气压粗略计算为：海平面大气压约为100000Pa，那么海拔高度为3000m，大气压为100000-20000=80000Pa。相当于比海平面的大气压力减低约20KPa。

3 边界条件

3.1 气压环境

中空玻璃内外压力差

中空玻璃均在中原地区制作，内部充有氩气，中空内层压力为101.3KPa。当车辆运营在2000m海拔上，根据理想气体状态平衡方程。

内外层玻璃在压力的作用下体积会增加，中空层内的压力会减小，并满足以上方程。

式中：P0为初始压力101.3KPa；

V0为中空层初始体积，1.456x107mm3；

T0为中空层初始温度，298K；

Pt为列车在线路上运营时中空层内压力；

Vt为列车在线路上运营时中空层体积；

Tt为列车在线路上运营时的温度，；

玻璃的刚度采用简单四边支撑模型进行计算。

3.2 安装形式

外层玻璃与车体连接位置处打胶深度为9mm，内层玻璃与车体连接处打胶深度为7mm，周圈为弹性接触。玻璃内层中空铝条进入深度为12mm，为弹性接触。

4 材料模型

玻璃是一种脆性材料，脆性材料其特点是抗压强度很高，但抗拉强度很低，脆性材料破坏前毫无预兆，突然断裂。脆性材料的破坏形式是拉应力超过极限值，它的判断准则主要是最大拉应力准则和最大拉应变准则。

5 有限元分析

对客室车窗外层玻璃的强度进行以下计算：

仿真软件：ANSYS11.0

模型：产品1400的普通窗外层玻璃

坐标系形式见图1：X轴在水平面与车体走向一致，

Y轴为车体的横截面方向，Z轴正向上方，如图1所示：

图1 坐标系形式

5.1 玻璃的有限元模型

分别对各层材料进行建模，见图2。

图2 玻璃材料模型

采用ANSYS内置的网格划分，对车窗玻璃进行适应性单元划分，见图3、图4。

图3 网格划分形式

图4 网格划分形式

5.2 材料参数

玻璃材料参数见表1。

表1 玻璃各材料参数

5.3 应力云图

5.3.1工况一，海拔高度2000m，+6000Pa会车，玻璃位移图见图5，等效应力图见图6。

图5 工况一玻璃位移图

图6 工况一等效应力云图

5.3.2工况二，海拔高度2000m，-6000Pa会车，玻璃位移图见图7，等效应力云图见图8。

图7 工况三玻璃位移图

图8 工况三等效应力云图

6 结果分析

6.1 强度校核分析

强度校核通常采用安全系数的方式，以下汇总了普通窗玻璃在典型的工况下的最大等效应力：

表2 典型工况下普通窗玻璃最大等效应力与最小安全系数

假设安全系数大于4认为产品的安全冗余度足够，那么从表中可以看出，车窗玻璃在2000米海拔其安全系数均大于3，确认产品为安全的。但是如果玻璃本身的拉伸强度随着运营过程出现了大幅减退的情况，即玻璃的表面微裂纹大于极限裂纹长度，玻璃才会出现裂纹并失效的情况。

6.2 位移量校核分析

位移量校核也采用安全系数的方式，以下汇总了普通窗玻璃在列举的工况下的位移，即变形量的数值：

表3 典型工况下普通窗玻璃最大位移

7 结 语

1）车窗玻璃在各个工况下强度校核高于安全值，满足使用要求；

2）车窗玻璃在各个工况下位移值满足UIC566标准。