熱荷載作用下玻璃破裂特性及裂紋擴(kuò)展模擬研究.pdf

1、窗玻璃作為建筑防火的薄弱構(gòu)件在設(shè)計中經(jīng)常被忽視。在火災(zāi)環(huán)境中，玻璃因受熱產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力大于其自身的臨界破裂應(yīng)力時，會導(dǎo)致玻璃破裂甚至脫落。玻璃在火災(zāi)環(huán)境下的破裂，會進(jìn)一步引起火災(zāi)向隔壁區(qū)域蔓延，加大火災(zāi)的危險性。
　　為預(yù)測玻璃在火災(zāi)場景下的脫落行為，在前人研究的基礎(chǔ)上，本文研究了玻璃裂紋演化過程、玻璃首次破裂時間以及影響因素、玻璃的溫度場和應(yīng)力場、準(zhǔn)靜態(tài)裂紋和動態(tài)裂紋擴(kuò)展過程。
　　本文研究了普通窗玻璃在熱輻射環(huán)境下

2、的裂紋演化規(guī)律。結(jié)果表明從邊緣遮蔽區(qū)起裂的裂紋中，外面的兩條裂紋開始都沿相反方向擴(kuò)展;主破裂過程次數(shù)的增加會增加裂紋孤島的數(shù)目;孤島面積比在12％以下時，孤島數(shù)目與特定范圍內(nèi)的孤島面積服從指數(shù)函數(shù)分布。
　　研究開發(fā)了火災(zāi)場景下玻璃的熱傳導(dǎo)程序，分析了玻璃幾何尺寸、力學(xué)、熱學(xué)和表面入射熱流密度參數(shù)對玻璃首次破裂時間的影響。數(shù)值結(jié)果表明:隨著玻璃厚度、破裂應(yīng)力或吸收長度的增加，玻璃首次破裂時間增加;減小線膨脹系數(shù)、彈性模量或者表面入

3、射的熱流密度都可以延長首次破裂時間。研究了玻璃厚度、遮蔽寬度和熱流密度對溫度場的影響，數(shù)值結(jié)果表明:隨著玻璃厚度增加，受熱面和環(huán)境面的溫差逐漸增大;厚度越小，玻璃邊緣遮蔽處的溫度上升越快，邊緣處受熱面和環(huán)境面的溫差越小;隨著遮蔽寬度增加，遮蔽區(qū)域中心處溫度上升變慢。
　　分別開發(fā)了熱荷載作用下奇異的基于邊的光滑有限元法、基于邊的光滑有限元法和有限元法的準(zhǔn)靜態(tài)裂紋擴(kuò)展程序。數(shù)值結(jié)果表明:奇異的基于邊的光滑有限元法比有限元法和基于邊的

4、光滑有限元法具有更高的精度和收斂率;熱-機(jī)械混合荷載下，裂紋路徑位于純熱荷載下得到的裂紋路徑和純機(jī)械荷載下得到的裂紋路徑之間，且偏向荷載增大的一方。
　　構(gòu)造了五節(jié)點(diǎn)裂紋尖端單元的集中質(zhì)量矩陣和一致質(zhì)量矩陣，分別開發(fā)了奇異的基于邊的光滑有限元法、基于邊的光滑有限元法和有限元法動態(tài)裂紋擴(kuò)展程序。數(shù)值結(jié)果與理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。數(shù)值結(jié)果表明:對于靜止的裂紋，采用集中質(zhì)量矩陣和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時會發(fā)生周期性震蕩現(xiàn)象;采用相同的網(wǎng)格時，用一致