离散元与有限元自适应耦合方法及在汽车玻璃冲击破坏中的应用

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汽车玻璃是汽车的重要部件之一。研究其冲击破坏特性对行人保护、汽车被动安全和交通事故再现有着十分重要的意义。由于试验研究存在诸多限制条件,而数值方法所受的限制条件较少,是研究汽车玻璃冲击破坏特性的一种比较理想选择。因此本文提出了两种基于离散元与有限元耦合理论的数值方法,系统分析了汽车玻璃的冲击破坏过程。主要研究内容如下:首先,为了限制离散单元绕其耦合面上连接点的转动,消除耦合面上可能出现的零能模态,提出了一种新的分区域耦合算法,离散元与有限元四点耦合方法。利用四点耦合方法模拟了悬臂玻璃梁的冲击响应,研究了罚因子α对仿真结果的影响。此外,离散单元的平均应力由一种不随坐标系的变化而变化且自动对称的平均应力张量来计算,其中包括离散单元之间的连结力、聚合力、界面力和接触力以及离散单元的惯性力和所受外力对平均应力计算的贡献。在线弹性范围内,通过与两个简单算例有限单元法计算结果的比较验证了四点耦合方法和平均应力张量的有效性。其次,离散单元区域的脆性破坏通过一种非固有聚合破坏模型来模拟。该聚合破坏模型基于离散单元之间的有效张开量计算单元之间的有效聚合作用力。通过一个有初始裂纹的简单算例验证了聚合破坏模型的单元尺寸收敛性。破坏模式对离散单元的尺寸不敏感:不同半径的离散单元模型得到的破坏区域和聚合区域的分布情况基本一致,只是裂纹发生与扩展的时刻有所不同,尺寸较大的离散单元也可以得到比较理想的结果。利用四点耦合方法模拟了玻璃梁与夹层玻璃梁的冲击破坏过程。通过与夹层玻璃梁冲击破坏实验结果的对比验证了聚合破坏模型的有效性。最后,为了尽可能将离散单元计算区域限制在裂纹发生区域附近以最大限度提高仿真分析的计算效率,提出了一种离散元与有限元自适应耦合方法。自适应耦合方法在变形较小的区域使用准确高效的有限单元,将发生较大变形的有限单元自动转化成离散单元。其中,离散单元之间的等效作用面积通过应力等效法在弹性范围内获得。利用自适应耦合方法模拟了玻璃梁和夹层玻璃梁的冲击破坏过程。通过玻璃梁的冲击破坏验证了自适应耦合方法的可行性。与纯离散单元法计算时间相比较,自适应耦合方法极大地提高了仿真分析的计算效率。仿真结果与夹层玻璃梁冲击破坏试验结果基本吻合,验证了自适应耦合方法的有效性。提出的两种耦合方法不仅适用汽车夹层玻璃的冲击破坏分析也适用于分析其它脆性材料的冲击破坏过程。基于提出的理论,使用Fortran90/95编程语言开发了相应的数值代码扩充了CDFP程序的功能。CDFP是一个显式求解器并且非常适合汽车玻璃的冲击破坏分析。
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