热荷载作用下玻璃破裂特性及裂纹扩展模拟研究

发布时间：2021-03-09 08:26

窗玻璃作为建筑防火的薄弱构件在设计中经常被忽视。在火灾环境中,玻璃因受热产生热应力,当热应力大于其自身的临界破裂应力时,会导致玻璃破裂甚至脱落。玻璃在火灾环境下的破裂,会进一步引起火灾向隔壁区域蔓延,加大火灾的危险性。为预测玻璃在火灾场景下的脱落行为,在前人研究的基础上,本文研究了玻璃裂纹演化过程、玻璃首次破裂时间以及影响因素、玻璃的温度场和应力场、准静态裂纹和动态裂纹扩展过程。本文研究了普通窗玻璃在热辐射环境下的裂纹演化规律。结果表明从边缘遮蔽区起裂的裂纹中,外面的两条裂纹开始都沿相反方向扩展;主破裂过程次数的增加会增加裂纹孤岛的数目：孤岛面积比在12%以下时,孤岛数目与特定范围内的孤岛面积服从指数函数分布。研究开发了火灾场景下玻璃的热传导程序,分析了玻璃几何尺寸、力学、热学和表面入射热流密度参数对玻璃首次破裂时间的影响。数值结果表明：随着玻璃厚度、破裂应力或吸收长度的增加,玻璃首次破裂时间增加；减小线膨胀系数、弹性模量或者表面入射的热流密度都可以延长首次破裂时间。研究了玻璃厚度、遮蔽宽度和热流密度对温度场的影响,数值结果表明：随着玻璃厚度增加,受热面和环境面的温差逐渐增大：厚度越小,玻璃边缘遮蔽处的温度上升越快,边缘处受热面和环境面的温差越小；随着遮蔽宽度增加,遮蔽区域中心处温度上升变慢。分别开发了热荷载作用下奇异的基于边的光滑有限元法、基于边的光滑有限元法和有限元法的准静态裂纹扩展程序。数值结果表明：奇异的基于边的光滑有限元法比有限元法和基于边的光滑有限元法具有更高的精度和收敛率；热-机械混合荷载下,裂纹路径位于纯热荷载下得到的裂纹路径和纯机械荷载下得到的裂纹路径之间,且偏向荷载增大的一方。构造了五节点裂纹尖端单元的集中质量矩阵和一致质量矩阵,分别开发了奇异的基于边的光滑有限元法、基于边的光滑有限元法和有限元法动态裂纹扩展程序。数值结果与理论和实验结果吻合很好。数值结果表明：对于静止的裂纹,采用集中质量矩阵和结构化网格时会发生周期性震荡现象；采用相同的网格时,用一致质量矩阵求得的结果比用集中质量矩阵的结果更好；对于移动的裂纹,采用裂纹尖端加密的网格时,这两种质量矩阵得到的结果并没有明显的差别。利用有限单元法开发的动态裂纹扩展程序模拟了不同遮蔽宽度下玻璃破裂情形,对于首次破裂时间,数值结果与实验结果吻合较好。通过进行无表面遮蔽宽度和玻璃表面完全遮蔽这两种极限分析,解释了随着遮蔽宽度增加,玻璃平均首次破裂时间先减小后增加这一现象。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O346.1

文章目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景

1.1.1 火灾环境中玻璃的破裂对火蔓延的影响

1.1.2 玻璃的性质及其在建筑上的应用

1.2 国内外研究现状

1.2.1 实验研究

1.2.2 理论模型研究

1.2.3 数值模拟研究

1.3 前人研究不足与本文研究目的

1.4 本文主要研究内容与章节安排

第二章玻璃破裂过程的实验研究

2.1 引言

2.2 实验简介

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 裂纹演化过程分析

2.3.2 破裂时间分析

2.3.3 裂纹孤岛分析

2.4 本章小结

第三章热荷载作用下玻璃温度场、应力场及首次破裂时间分析

3.1 引言

3.2 物理方程及数值方法

3.2.1 玻璃的传热方程

3.2.2 梯度光滑方法

3.3 玻璃温度场分析

3.3.1 验证算例分析

3.3.2 一维温度场分析

3.3.3 二维温度场分析

3.4 玻璃应力场分析

3.5 玻璃首次破裂时间分析

3.5.1 验证算例分析

3.5.2 与实验对比分析

3.5.3 参数对首次破裂时间的影响分析

3.6 本章小结

第四章热荷载作用下准静态裂纹扩展分析

4.1 引言

4.2 线弹性断裂力学理论

4.2.1 三种基本的裂纹类型

4.2.2 裂纹尖端的线弹性场

4.2.3 应力强度因子

4.2.4 小尺度屈服模型

4.2.5 能量释放率

4.2.6 断裂韧性

4.3 奇异五节点裂纹尖端单元

4.4 静态热应力强度因子

4.5 算例分析与讨论

4.5.1 常热通量下的边裂纹

4.5.2 含有中心水平裂纹的方形板

4.5.3 含有倾斜裂纹的矩形板

4.5.4 裂纹在十字形板上的扩展

4.6 本章小结

第五章动态裂纹扩展分析

5.1 引言

5.2 物理方程

5.3 离散方程及时间积分方法

5.3.1 离散方程

5.3.2 时间积分方法

5.4 动态裂纹扩展模型

5.4.1 动态应力强度因子

5.4.2 裂纹扩展准则

5.5 典型算例分析与讨论

5.5.1 静止和移动的Ⅰ型半无限大裂纹

5.5.2 Kalthoff实验

5.6 遮蔽宽度对玻璃破裂的影响

5.6.1 实验结果

5.6.2 模拟结果

5.7 本章小结

第六章总结与展望

6.1 本论文的主要研究结论

6.2 本论文的主要创新点

6.3 未来工作展望

参考文献

致谢

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