地铁车辆侧窗玻璃损坏有限元模拟及分析

摘要：地铁车辆侧窗玻璃易发生碎裂，为找到钢化玻璃损坏原因，通过有限元模拟计算车体窗框变形量，并结合理论分析，得出侧窗玻璃（正常工况下）不会因车体变形而发生损坏，从而进一步分析玻璃损坏的原因。

关键词：地铁车辆；钢化玻璃；有限元模拟；玻璃损坏

1 概述

随着地铁车辆制造技术的快速发展，侧窗玻璃在地铁车辆上的运用越来越广泛。由于玻璃本身是脆性材料，在断裂过程中几乎不会发生塑性变形，一旦破裂往往会导致乘客受到伤害。国外某地铁车辆在2013年到2016年内发生多起客室侧窗破碎现象，该侧窗破碎纹路与国内某地铁车辆发生的车窗玻璃自爆纹路类似，对比见图1。

经过对比发现，两块玻璃的破裂纹路类似，破裂点两边均有蝴蝶斑形状，碎片呈放射状分布。

2 有限元模拟

通过有限元模拟手段，分析车体在各种工况下变形导致的外部载荷作用对侧窗玻璃的影响。

综合考虑en 12663-2010标准中会造成车窗较大变形的六个典型工况分别计算车体在该六个静态工况下，各车窗对角线的变形情况。

窗的相对变形为有限元结果中对角线长度与有限元模型对角线长度之差的绝对值，可以用公式（1）进行说明。

3 计算结果分析

为了解释该变形对地铁车窗玻璃破裂的影响，将该变形与其他地铁项目变形值进行对比，这里引入变形率？啄来说明不同车窗尺寸之间的对比值。

根据有限元模拟结果，再通过公式计算得到侧窗玻璃的最大变形率，如表1所示。

从表1可以看出，国外地铁车辆侧窗变形率最小，说明该项目车窗玻璃受车体导致的外部载荷挤压变形最小；而国内部分项目也曾发生个别车窗玻璃破裂现象，经分析确认为自爆。由以上结果得出该项目车窗玻璃非车体的变形而导致碎裂。

4 玻璃损坏原因

钢化玻璃损坏原因分为两类：一种为受外力作用导致的损坏；另一种为玻璃由于自身原因导致的自爆。

4.1 玻璃受外力作用损坏

玻璃受到外部尖锐物击打、碰撞后，玻璃发生碎裂，会在玻璃表面留下着力点痕迹，钢化玻璃裂纹以受力点为中线呈放射状。

4.2 玻璃自爆

钢化玻璃在加工、储存、运输、安装、使用过程中均可发生自爆。自爆按起因不同分为两类：一是由玻璃中可见缺陷引起的自爆，此类自爆因素一般出现在生产过程中；二是由于玻璃中含有因化学元素凝固过程中结晶伴随产生的杂质引起玻璃的自爆，此类有潜伏期，出厂装车产品可能存在此风险。

钢化玻璃自爆的原因是玻璃中因含有硫化镍（nis）及异质相颗粒杂质，或者说是因为在钢化玻璃中存在硫化镍及异质相颗粒杂质导致的残余应力所致。

这类应力分为两类：一类是相变膨胀过程中的相变应力。当温度超过1000℃时，硫化镍以液滴形式存在于熔融玻璃中。1克硫化镍就能生成1000个直径为0.15mm的小结石颗粒。玻璃中硫化镍杂质以小水晶状态存在，直径在0.1～2mm，在一般情况下，不会造成玻璃破损，但是由于钢化玻璃重新加热，改变了硫化镍的相态。理论上，硫化镍在379℃时有一相变过程，硫化镍的高温?惶?（六方晶体）在玻璃急冷时被冻结，他们在恢复到β态（三方晶体）

可能需要几年的时间，由于低温β态的硫化镍体积将增大，也就是说从?惶?的硫化镍转化为β态的硫化镍这种相变伴随着大约2%～4%的体积膨胀，在玻璃内部产生局部的应力集中，当这种张应力超过玻璃自身所能承受的极限时，钢化玻璃发生自爆。

另一类是由于含有硫化镍（nis）及异质相颗粒杂质的区域与不含的正常区域热膨胀系数差异较大，凝固结晶过程中，热膨胀系数不匹配产生残余应力，达到一定值超过玻璃自身承受能力即产生自爆。很多玻璃的自爆就是因为钢化玻璃中应力分布不均匀、偏移，玻璃在加热或冷却时使沿玻璃厚度方向产生的温度梯度不均匀、不对称导致。

5 结束语

通过上述对侧窗变形率的有限元结果分析可知，在典型静态工况下，地铁侧窗的车体窗框相对变形率较小，可以确定由车体变形导致车窗变形过大进而引起玻璃破裂的可能性极低。玻璃的损坏主要是因为受外力作用或者自爆导致，这可以通过玻璃碎裂的纹路进行判断。