基于ABAQUS顯式動力分析建筑幕墻耐撞擊性能

王志鴻 金三妹 江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司

1 緒論

1.1 引言

隨著生產技術的發展，對建筑幕墻的設計要求與性能需求與日提高，在建筑幕墻物理性能檢測領域中越來越重視對幕墻耐撞擊性能的檢測要求。由于標準調整，其中一項變化是軟重物撞擊裝置外圍由兩個大小一致的輪胎調整為三個輪胎并列緊靠，其中兩邊的輪胎大小一致，中間的輪胎尺寸大于兩邊，具體規格于下文說明。本文研究在實際檢測中這種變化對幕墻試件的沖擊力是否有影響，以及如何準確實現檢測。

1.2 試驗思路

以50kg軟重物撞擊裝置和尺寸為1700mm×3250mm的中空鋼化玻璃（12mmLow-E+12Ar+12mm），在江蘇省建筑工程質量檢測中心幕墻實驗室進行現場試驗與有限元模擬，考慮撞擊輪胎數量的變化對試件沖擊力是否有影響。

1.3 評價指標

現場試驗以面板幾何中心受撞擊的位移幅值作為評價指標。ABAQUS分析軟件中則以最大應力狀態下的位移值作為評價指標，以通過實驗和模擬得出耐撞擊標準調整之后所帶來的影響作為結論。

1.4 系統控制

無論實驗室現場試驗還是ABAQUS動力顯示分析，關鍵在于如何有效試驗和模擬得出與工程實際相符的數據結果，由GB/T 38264—2019可知，現場試驗按照標準測試即可，將位移計讀數導入計算機即能獲取實驗數據。但對于ABAQUS建模來說，由于輪胎材質的本構關系較為復雜和無內胎充氣模型構建難度較大，因此結合標準要求在ABAQUS建模時以撞擊瞬間能量釋放為參照，對模型進行簡化。控制撞擊裝置質量、撞擊時的速度以控制撞擊接觸瞬間的動能，控制玻璃面板的等效模型、網格、屬性以獲取準確的分析數據。

2 現場試驗

2.1 軟重物撞擊裝置及撞擊面板

現場試驗以50kg軟重物耐撞擊裝置作為本次試驗的撞擊體，其幾何參數如圖1、圖2。

圖1 GB/T 38264中耐撞擊裝置

圖2 GB/T 21086

圖4 GB/T 21086

撞擊面板的尺寸為1700mm×3250mm的鋼化中空玻璃（12mmLow-E+12Ar+12mm），如圖5、圖6。

圖5 撞擊點示意圖

圖6 現場實拍圖

2.2 現場撞擊測試

按照檢測標準GB/T 38264—2019指定的方法，以50kg軟重物耐撞擊裝置室外側2級指標作為本次試驗的模擬工程檢測實況，即撞擊能量為539J降落高度為1100mm，如表1所示。

表1

如圖7所示，將撞擊裝置與鋼絲繩綁定后懸掛在與撞擊面板距離S約為5mm～15mm的水平位置并處于自由狀態，懸掛撞擊物體的掛點牢固可靠，能滿足不同撞擊位置的需要，鋼絲繩應具有足夠強度以保證降落時撞擊物體中心與指定撞擊點誤差不大于50mm。將該撞擊裝置由水平位置提升到h=1100mm的降落高度后自由降落撞擊面板，撞擊物體釋放裝置應能準確定位撞擊物體的降落高度，安裝框架應牢固且在承受荷載時不影響檢測結果，懸掛鋼絲繩應具有足夠長度以保證與掛點的水平夾角不小于14°，降落高度的誤差不大于20mm，測量撞擊時面板的最大位移幅值。

圖7 撞擊模擬

圖8 GB/T 38264現場撞擊

圖9 GB/T 21086現場撞擊

2.3 撞擊裝置的控制與數據記錄

兩種規格的撞擊裝置撞擊同一面板的同一位置，記錄玻璃面板的最大位移幅值。通過測量設備將位移數據傳輸到電腦獲取最大位移數據，如圖10、圖11。

圖10 位移數據傳輸圖

圖11 位移數據結果

3基于ABAQUS顯示動力分析

3.1 撞擊模型的構建

使用ABAQUS有限元分析軟件模擬本次撞擊試驗，統一建模所需要的單位制，如表2。

表2 建模時單位

輪胎的材料復雜，力學性質及本構關系構建難度較大，依據GB/T 38264—2019建立ABAQUS顯示動力分析，以撞擊瞬間的能量釋放作為所需參數的控制物理量，簡化計算模型且保證模擬的可靠度，由GB/T 2983—2008提供數據和實驗室復核整個試驗試件的尺寸信息進行幾何簡化。

撞擊裝置分為兩個部分：配重鋼件和橡膠輪胎，模型高度為0.34m，配重鋼件直徑為0.26m，三個輪胎的直徑尺寸為0.08m、0.1m、0.08m，對撞擊模型進行簡化：控制鋼件和輪胎的質量分別為35.25kg和14.75kg，相較于GB/T 21086—2007中兩個輪胎的直徑尺寸為0.08m、0.08m，撞擊裝置控制鋼件質量確定為40.28kg，輪胎質量為9.72kg，由此建立幾何模型如圖12～圖17。

圖12 GB/T 38264

圖13 GB/T 21086

圖14 GB/T 38264

圖15 GB/T 21086

圖16 GB/T 38264

圖17 GB/T 21086

被撞擊試件為鋼化中空玻璃12mmLow-E+12Ar+12mm，尺寸為1700mm×3250mm，由JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術規范》6.1.5可知，簡化鋼化中空玻璃模型的構建，采用等效厚度123=14.36mm。

其中：

te——等效厚度，mm；

t1——單片玻璃1，厚度為mm；

t2——為單片玻璃2，厚度為mm。

建立幾何模型如圖18。

圖18 被撞擊面板模型

3.2 材料屬性的賦予

模擬一共用到三種材料：鋼材（配重環）、橡膠、中空鋼化玻璃（屬性同普通玻璃），從GB 50017—2017《鋼結構設計規范》和JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術規范》中查尋所需參數（力學性質、泊松比、彈性模量），見表3。

表3

目前對橡膠材料最廣泛的表述是其力學性能為超彈性體，理想化不可壓縮模型，為了建立其適合于本模型的本構關系，本文引用徐中明的《基于超靜定方程的橡膠材料本構模型參數識別》，選擇下列數據進行擬合，見圖19～圖21。

圖19 單軸拉伸識別效果

圖20 等雙軸拉伸識別效果

圖21 純剪切試驗識別效果

通過引用李煉、潘盛山《基于試驗和數值方法的橡膠材料本構模型分析》一文中對于壓應變≧60%的模型，對模型進行分析。撞擊時的應力屬于大壓應變模型，故選擇YEOH超靜定曲線擬合，并且采用YEOH超靜定曲線的擬合精確度較高，如表4試驗數據，選擇該橡膠材料參數能較好的模擬本次撞擊試驗。

表4

3.3 部件的裝配

建立模型一共分為兩大部分共三個部件，第一部分為撞擊裝置包含兩個部件，配重鋼件和橡膠輪胎；第二部分為被撞擊的玻璃部件，設定撞擊裝置輪胎外緣距離玻璃面板為10mm。給出裝配場如圖22、圖23。

圖22 GB/T 38264裝配場

圖23 GB/T 21086裝配場

3.4 分析步的設定

設定顯示動力分析步，時間長度定義為0.04s，時間長度具有真實的物理意義，要充分考慮到撞擊能量產生、撞擊動能轉化、位移數據記錄的整個過程，模型經過多次調整確定為0.04s可以將撞擊過程所需要的參數全部記錄，能極大減少計算機計算時間，分析步增量保持默認，不進行質量放縮，以保證計算的準確。

3.5 相互作用的設定

顯示動力分析過程中需要對每個部件之間的相互作用關系給予明確的設定，對于撞擊裝置需要創建其相互約束關系，將鋼件外表面與模型輪胎部件的內表面綁定在一起，即任何時刻輪胎內表面與鋼件不發生相對位移，僅傳遞作用力這樣的關系，對于被撞擊玻璃試件，創建撞擊相互作用屬性為接觸類型，定義切向行為摩擦系數為0.02，定義法向行為為允許接觸后分離，創建相互作用為通用接觸，設定分析步為顯示動力分析，選擇表面對為“全部包含自身”全局屬性指派為相互作用中的設定。

3.6 荷載邊界條件和場的設定

設定依據工程實際的邊界條件，對本次撞擊試驗的模擬，固定玻璃面板的四周為完全鉸約束，撞擊裝置以一定的高度自由落體撞擊面板，簡化模型，模擬撞擊瞬間到脫離后的時間長度，進行下列力學模型分析。

由表1室外側撞擊2級可知，撞擊模型以撞擊裝置初速度為V0=0，降落高度h=1100mm=1.1m，撞擊面得得到一個等效的試驗模型，即50kg撞擊裝置撞擊接觸面板瞬間的速度為4.6433m/s，計算能量方程，由動能轉化的能量：E=板。由動能勢能轉換方程。

為了節約計算時間，讓撞擊裝置在距離面板僅0.01m的水平空間位置向玻璃面板水平撞擊，通過ABAQUS的計算分析撞擊接觸瞬間撞擊裝置的動能為539J,與檢測標準GB/T 38264—2019指定的方法，以50kg軟重物耐撞擊裝置室外側2級指標作為本次試驗的模擬工程檢測實況的能量539J的指標符合，即撞擊過程將傳遞的能量為539J；設定玻璃面板的四周為完全鉸約束，即X、Y、Z三個方向的位移為0；選中整個撞擊裝置，設定預定義場為以4.6433m/s的水平速度撞擊玻璃面板。

3.7 網格的劃分

對于整個模型，控制模型模擬準確度需要對網格的劃分有多方面的考量，重點控制橡膠撞擊接觸體和玻璃面板的網格劃分，為輪胎接觸體和玻璃面板設定合適的布點，指派網格控制屬性為六面體，指派單元類型為顯示動力分析，然后劃分網格，對玻璃面板進行多次加密，在每一次加密后對比撞擊位移數據，控制最后兩次加密網格的撞擊位移數據相差為總位移量的0.5%以下，然后采用最后一次加密的網格的撞擊數據。示意圖如圖24～圖27。

圖24 GB/T 38264

圖25 GB/T 21086

圖26 被撞擊面板網格

圖27 被撞擊面板放大

3.8 提交作業及可視化分析

創建作業并提交運算，打開監控視窗，可以看到其動能和能量整個分析過程數據，運算結束后調到可視化窗口分析處理數據。

4 數據分析

4.1 實驗室現場測試數據

通過位移計傳導到電腦的位移數據，將數據整理如表5、表6。

表5 標準調整后的撞擊裝置

表6 標準調整前的撞擊

三次撞擊試驗面板均無脫落、破碎或開裂，無裝飾條及其他附屬構件脫落。

4.2 實驗室現場測試數據分析

通過試驗數據的分析，可以看出三次試驗效果較好，取三次試驗的平均值作為對比分析數據。

4.3 ABAQUS動力分析模擬數據

撞擊裝置為GB/T 38264的模擬結果：記錄能量數據變化歷程輸出曲線，可以得出在撞擊裝置動能降為0時被撞擊面板的位移達到幅值，橫坐標為時間，0.04s與分析步設定一致，如圖28、圖29。

圖28 動能內能變化圖

圖29 對應撞擊節點位移曲線圖

由圖28和圖29聯系分析可知，當撞擊裝置動能為最小時，被撞擊面板位移達到最大值，故采用放縮逼近取值。如圖30、圖31。

圖3 GB/T 38264

圖30 選取圖框A放大

圖31 圖框A放大圖

圖32 選取圖框B放大

由圖31可知，撞擊裝置初動能為539J，符合50kg撞擊裝置室外側2級撞擊標準要求，即在撞擊發生瞬間之前，以539J的動能撞擊面板。

由圖33可知，被撞擊的玻璃面板的最大節點位移為26.098mm，即玻璃面最大位移單元位移數據。在可視化數據輸出中選中創建場變量單元節點的空間位移輸出，找到U3（即Z軸方向的節點位移隨時間的變化圖），在視口中選中該節點，撞擊裝置不同時也必須選擇同一個被撞擊面板節點對比位移數據。

圖33 圖框B放大圖

撞擊裝置為GB/T 21086的模擬結果：記錄能量數據變化歷程輸出曲線如圖34、圖35所示。

圖34 動能內能變化圖

圖35 對應撞擊節點位移曲線圖

當撞擊裝置動能為最小時，面板位移達到幅值，放縮逼近取值。如圖36、圖37。

圖36 選取圖框C放大

圖37 圖框C放大圖

由圖37可知，撞擊裝置初動能為539J，符合50kg撞擊裝置室外側2級撞擊標準要求，即在撞擊發生瞬間前以539J的動能撞擊面板。

圖38 選取圖框D放大

由圖39可知，被撞擊的玻璃面板的最大節點位移為25.810mm，即玻璃面最大位移單元位移數據。在可視化數據輸出中選中創建場變量單元節點的空間位移輸出，找到U3（即Z軸方向的節點位移隨時間的變化圖）。不同撞擊裝置撞擊同一面玻璃時。選擇最大位移單元的最大位移節點必須保持一致。

圖39 圖框D放大圖

4.4 ABAQUS動力分析模擬數據分析

結合GB/T 38264—2019《建筑幕墻耐撞擊性能分級及檢測方法》來看，系統控制撞擊接觸發生瞬間前的撞擊動能為539J，精確符合標準要求；撞擊接觸的輪胎材料參數選用徐中明和李煉的兩篇橡膠材料本構關系研究論文得到了一個適合于撞擊輪胎的材料參數，模型擬合效果較好；被撞擊面板的材料力學參數已經廣泛應用且準確度較高，能量曲線位移曲線關系吻合；撞擊模型與等效簡化模擬模型吻合，面板網格最后兩次加密位移誤差小于總位移0.5%。

表7 標準調整前后的撞擊

基于這四個方面的考量驗證ABAQUS顯示動力分析模擬的準確度較高，可采用該數據進行對比分析。

4.5 ABAQUS分析數據和現場試驗數據對比

對比分析結果見表8。

表8 現場試驗與模擬數據

5 結論

通過現場試驗與ABAQUS顯式動力分析表明，建筑幕墻耐撞擊性能的撞擊裝置調整對試件產生的沖擊力并沒有明顯的變化。實驗員的規范操作，準確實施檢測對試件沖擊力的影響大于標準本身的調整。

從位移量的角度看，在ABAQUS模擬得到的數據表明GB/T 38264的撞擊裝置對于試件的沖擊力會略大于GB/T 21086的撞擊裝置，位移量差距為0.288mm，對于判定工程合格與否的影響可以忽略。現場試驗數據也表明，GB/T 38264的撞擊裝置對于試件的沖擊力會略大于GB/T 21086的撞擊裝置。

實驗員的規范操作對試件的沖擊力有顯著影響。同一撞擊裝置重復撞擊試件面板，由于實驗員的操作，位移量差距最大為7.85mm。這種實驗員操作影響大于標準調整影響一個量級。同一面板在不同撞擊裝置的撞擊下平均位移差值為1.40mm，誤差小于實驗員用同一撞擊裝置重復撞擊面板。

實驗員現場測試的主要誤差來源于撞擊裝置降落高度即高差的控制難度大，難以確定撞擊球幾何形心距撞擊點的高度，此外撞擊裝置幾何軸線與牽引線不在一條直線上，因此，對這兩個方面進行精確控制可以提高檢測準確性。

致謝：

1.感謝江蘇省建筑工程質量檢測中心幕墻綜合物理性能檢測設備支持。

2.實驗人員同事們的鼎力配合。