Настоящее изобретение относится к неразрушающему способу проверки того, что остекление, установленное в конструкцию, выдерживает динамическое ударное воздействие, такое как столкновение с птицей в случае остекления летательного аппарата. Изобретение относится также к способу изготовления остекления, которое способно выдерживать динамическое ударное воздействие.
В контексте изобретения под "остеклением" понимается структура, содержащая по меньшей мере один стеклянный лист. Кроме того, под "многослойным стеклом" понимается структура остекления, содержащая пакет из по меньшей мере одного стеклянного листа и полимерной вставки, в том числе пакет из единственного стеклянного листа и единственной полимерной вставки, собранных вместе.
В контексте изобретения стеклянный лист представляет собой жесткую прозрачную основу, выполненную из минерального стекла или органического стекла. Полимерная вставка представляет собой промежуточный лист на основе полимерного материала, в частности, термоформуемого или чувствительного к давлению, то есть типа листов, которые используются в качестве вставки в многослойных стеклах. Это может быть монолитная вставка или составная вставка, состоящая из совокупности нескольких полимерных элементов в виде слоев, смол или пленок.
Как известно, проверку на ударную прочность остекления транспортных средств проводят путем стандартных разрушающих испытаний с ударными элементами, отражающими реальные ситуации, как, например, испытание с птицей в области авиации для остекления самолетов или вертолетов, испытание с булыжниками для остеклений поездов, баллистические испытания для остекления бронетехники. Такие разрушающие испытания являются дорогостоящими, в частности, потому что они требуют затрат труда и отбраковывания исследованных остеклений в случае их разбивания. Кроме того, они не позволяют оптимизировать состав и встраивание остеклений в конструкцию, в частности, в зависимости от жесткости материалов остекления или крепежных систем. Часто это приводит к завышенным размерам остекления, то есть к слишком большой толщине стеклянных листов, и, возможно, полимерных вставок в случае многослойных стекол, относительно уровней механических напряжений, которые могут прикладываться к остеклению. Кроме того, масса и стоимость остеклений не являются оптимальными.
Более конкретно, изобретение направлено на устранение этих недостатков, предлагая неразрушающий способ оценки того, что остекление, установленное в конструкцию, выдерживает динамическое ударное воздействие, а также на способ изготовления остекления, гарантирующий получение остекления, оптимизированного как в отношении его массы и стоимости, так и в отношении его ударопрочности.
С этой целью объектом изобретения является неразрушающий способ проверки того, что остекление, установленное в конструкцию, выдерживает динамическое ударное воздействие, например, столкновение с птицей в случае остекления, установленного в летательном аппарате, при этом остекление содержит по меньшей мере один стеклянный лист, и способ отличается тем, что он включает этапы, на которых:
- по численной конечно-элементной модели остекления, установленного в конструкции и подвергшегося ударному воздействию, с использованием закона поведения материала каждого стеклянного листа рассчитывают огибающую максимальных напряжений для по меньшей мере одного критического стеклянного листа остекления (предпочтительно рассчитывают огибающую максимальных напряжений для каждого стеклянного листа остекления);
- для по меньшей мере критического стеклянного листа остекления (предпочтительно для каждого стеклянного листа остекления) сравнивают огибающую максимальных напряжений с разрушающим напряжением стеклянного листа, полученным экспериментальным методом определения разрушающего напряжения стеклянного листа, выбранным в зависимости от типа удара, в частности, проверяется, является ли огибающая максимальных напряжений строго ниже разрушающего напряжения.
В одном аспекте изобретения способ представляет собой неразрушающий способ оценки того, что многослойное стекло, установленное в конструкцию, выдерживает динамическое ударное воздействие, при этом многослойное стекло содержит пакет из по меньшей мере одного стеклянного листа и полимерной вставки, причем способ включает этапы, на которых:
- по численной конечно-элементной модели многослойного стекла, установленного в конструкцию и подвергшегося удару, с использованием закона поведения материала каждого стеклянного листа, закона поведения материала каждой полимерной вставки и закона поведения каждой границы раздела между стеклянным листом и полимерной вставкой рассчитывают огибающую максимальных напряжений для по меньшей мере одного критического стеклянного листа многослойного стекла (предпочтительно рассчитывают огибающую максимальных напряжений для каждого стеклянного листа многослойного стекла);
- для по меньшей мере критического стеклянного листа многослойного стекла (предпочтительно для каждого стеклянного листа многослойного стекла) сравнивают огибающую максимальных напряжений с разрушающим напряжением стеклянного листа, полученным экспериментальным методом определения разрушающего напряжения стеклянного листа, выбранным в зависимости от типа удара, в частности, проверяется, является ли огибающая максимальных напряжений строго ниже разрушающего напряжение.
Объектом изобретение является также способ изготовления остекления таким образом, чтобы оно, будучи установленным в конструкцию, было стойким к динамическому ударному воздействию, такому как столкновение с птицей в случае остекления, установленного в летательный аппарат, причем остекление содержит по меньшей мере один стеклянный лист, и способ отличается тем, что он включает этапы, на которых:
- по численной конечно-элементной модели многослойного стекла, установленного в конструкцию и подвергшегося удару, с использованием закона поведения материала каждого стеклянного листа рассчитывают огибающую максимальных напряжений для по меньшей мере одного критического стеклянного листа остекления (предпочтительно рассчитывают огибающую максимальных напряжений для каждого стеклянного листа остекления), в зависимости от размеров остекления;
- подбирают характеристики остекления, в том числе его размеры, материал каждого стеклянного листа таким образом, чтобы огибающая максимальных напряжений для по меньшей мере критического стеклянного листа остекления (предпочтительно для каждого стеклянного листа остекления) была строго меньше разрушающего напряжения стеклянного листа, полученного экспериментальным методом определения разрушающего напряжения стеклянного листа, выбранным в зависимости от типа удара, имея при этом оптимизированные размеры остекления;
- подготавливают и собирают все стеклянные листы остекления с подобранными характеристиками.
В одном аспекте изобретения способ представляет собой такой способ изготовления многослойного стекла, чтобы оно, будучи установленным в конструкции, выдерживало динамическое ударное воздействие, при этом многослойное стекло содержит пакет из по меньшей мере одного стеклянного листа и одной полимерной вставки, причем способ включает этапы, на которых:
- по численной конечно-элементной модели многослойного стекла, установленного в конструкцию и подвергшегося удару, с использованием закона поведения материала каждого стеклянного листа, закона поведения материала каждой полимерной вставки и закона поведения каждой границы раздела между стеклянным листом и полимерной вставкой рассчитывают огибающую максимальных напряжений для по меньшей мере одного критического стеклянного листа многослойного стекла (предпочтительно рассчитывают огибающую максимальных напряжений для каждого стеклянного листа многослойного стекла), в зависимости от размеров многослойного стекла;
- подбирают характеристики многослойного стекла, в том числе его размеры, материал каждого стеклянного листа, материал каждой полимерной вставки, характер каждой границы раздела между стеклянным листом и полимерной вставкой таким образом, чтобы огибающая максимальных напряжений, рассчитанная для по меньшей мере критического стеклянного листа многослойного стекла (предпочтительно для каждого стеклянного листа многослойного стекла), была строго меньше разрушающего напряжения стеклянного листа, полученного экспериментальным методом определения разрушающего напряжения стеклянного листа, выбранным в зависимости от типа удара, имея при этом оптимизированные размеры многослойного стекла;
- подготавливают и собирают все стеклянные листы и все полимерные вставки многослойного стекла с подобранными характеристиками.
В контексте изобретения под "критическим стеклянным листом" понимается стеклянный лист остекления, в отношении которого известно, что он имеет наибольшую вероятность разбиться при динамическом ударном воздействии, например, ввиду его толщины, материала, из которого он сделан, его положения относительно ударного элемента и т.д. В таком случае изобретение может быть реализовано путем расчета огибающей максимальных напряжений на этом критическом стеклянном листе. Однако в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения огибающая максимальных напряжений рассчитывается для каждого стеклянного листа остекления.
В контексте изобретения под "размерами остекления" понимаются не только периферические размеры, например, в случае прямоугольного остекления его ширина и длина, но также толщины стеклянного листа или листов и, в случае многослойного стекла, толщина его полимерной вставки или вставок. Кроме того, под "оптимизированными размерами остекления" понимается, что толщина стекла и, возможно, толщина полимерной вставки в остеклении подобраны так, чтобы минимизировать массу и/или стоимость остекления.
В контексте изобретения единственный имеющийся или каждый стеклянный лист остекления может представлять собой лист из минерального стекла, в частности, оксидного стекла, такого как силикат, борат, сульфат, фосфат или другой. Каждый стеклянный лист остекления, изготовленный из минерального стекла, предпочтительно является упрочненным, в частности, способом термической закалки или способом ионного обмена, называемым также химической закалкой.
Как известно, способы термической и химической закалки позволяют повысить ударопрочность листов из минерального стекла, образуя поверхностную зону, испытывающую напряжения сжатия, и центральную зону, находящуюся под растяжением. В случае химической закалки поверхностное замещение иона стеклянного листа (обычно иона щелочного металла, такого как натрий или литий) ионом с более крупным ионным радиусом (обычно ион щелочного металла, такого как калий или натрий) позволяет создать на поверхности стеклянного листа остаточные сжимающие напряжения до определенной глубины. Во всем тексте глубина соответствует расстоянию в поперечном сечении между рассматриваемой точкой и поверхностью стеклянного листа, измеренному по нормали к указанной поверхности. Напряжения параллельны поверхности стеклянного листа, и являются напряжениями по толщине, в том смысле, что за исключением краевых зон, среднее напряжение на всей толщине стеклянного листа является нулевым. Действительно, поверхностные сжимающие напряжения уравновешиваются наличием центральной зоны растяжения. Таким образом, существует некоторая глубина, на которой происходит переход от сжатия к растяжению, и в дальнейшем тексте эта глубина называется "глубиной сжатия P".
В контексте изобретения единственный имеющийся или каждый стеклянный лист остекления может также представлять собой лист из органического стекла, содержащий одно или несколько высокомолекулярных полимерных органических веществ, например, из поликарбоната (ПК) или полиметилметакрилата (ПММа).
Кроме того, в случае многослойного стекла единственная имеющаяся или каждая полимерная вставка многослойного стекла может представлять собой термоформуемый или чувствительный к давлению лист, в частности на основе поливинилбутираля (ПВБ), полиуретана (ПУ), этиленвинилацетата (ЭВА), полиэтилентерефталата (ПЭТ), поливинилхлорида (ПВХ).
В соответствии с изобретением рассматривается динамическое ударное воздействие между остеклением и ударным элементом, при котором относительная скорость между остеклением и ударным элементом составляет от 15 м/с до 1500 м/с.
Ударный элемент может иметь различную природу, в частности, ударный элемент может быть твердым элементом, таким как стальной шарик, метательный снаряд типа булыжника, баллистический снаряд, или же ударный элемент может быть мягким элементом, таким как птица. Это также может быть ударный элемент жидкостного типа, например сжатый газ в случае остекления, подвергшегося взрывному воздействию, или же выбрасываемый объем воды в случае остекления, подвергшегося ударному воздействию воды, в частности, для морских применений.
В качестве неограничивающих примеров ударных воздействий, предусматриваемых рамками изобретения, можно назвать следующие воздействия, соответствующие стандартным испытаниям:
- столкновение с птицей, используется для испытания остеклений летательных аппаратов (самолеты, вертолеты), при этом ударный элемент представляет собой цыпленка весом от 0,5 кг до 2 кг, а относительная скорость между остеклением и ударным элементом составляет от 50 м/с до 200 м/с;
- удар от снаряда UIC (UIC=Union Internationale des Chemins de fer или Международный союз железных дорог), использующийся для испытания остекления поезда в соответствии с европейским железнодорожным стандартом, при этом ударный элемент представляет собой снаряд UIC, и относительная скорость между остеклением и ударным элементом составляет от 20 м/с до 220 м/с;
- удар от стеклянной бутылки, использующийся для испытания остекления поездов, при этом ударный элемент представляет собой стеклянную бутылку, а относительная скорость между остеклением и ударным элементом составляет от 25 м/с до 180 м/с;
- удар гравием, использующийся для испытания остекления поездов, при этом ударный элемент представляет собой алюминиевый элемент весом 20 г, имеющий остроконечную головку, а относительная скорость между остеклением и ударным элементом составляет от 25 м/с до 150 м/с;
- удар от града, использующийся для испытания остекления летательных аппаратов (самолеты, вертолеты), при этом ударный элемент представляет собой систему из хлопка и замерзшей воды заданного диаметра (10 мм; 12,7 мм; 25,4 мм; 50,8 мм), а относительная скорость между остеклением и ударным элементом составляет от 40 м/с до 260 м/с;
- баллистический удар, использующийся для испытания остекления бронетехники, где ударный элемент представляет собой баллистический снаряд, который может иметь разные формы и разный калибр, а относительная скорость между остеклением и ударным элементом составляет от 350 м/с до 1000 м/с.
Согласно одной характеристике, численную конечно-элементную модель получают путем создания сетки геометрических моделей ударного элемента, с одной стороны, и остекления с окружающими элементами, которые удерживают его на месте в конструкции, с другой стороны.
Эти геометрические модели могут быть реализованы, в частности, с помощью пакета программ автоматизированного рисования (CAD) или автоматизированного проектирования (CAO), таких как программы AUTOCAD, CATIA, PRO-ENGINEER/CREO, SOLIDWORKS.
Предпочтительно, формирование сетки геометрических моделей ударного элемента и остекления с окружающими его элементами, а также расчет огибающей максимальных напряжений для каждого стеклянного листа остекления реализуют с использованием программ анализа методом конечных элементов, таких как программы ABAQUS, ANSYS, RADIOSS.
Согласно одному аспекту изобретения, на вход программы для расчета методом конечных элементов предоставляются свойства материалов ударного элемента, остекления и окружающих его элементов по меньшей мере в диапазоне частот и температур, характерных для удара.
Согласно другому аспекту изобретения, входными параметрами конечно-элементной модели являются характеристики динамического ударного воздействия, в частности, место и угол удара ударного элемента по остеклению, относительная скорость между остеклением и ударным элементом, масса ударного элемента, температура каждого компонента.
При любом варианте осуществления способ согласно изобретению включает:
- построение численной конечно-элементной модели ударного элемента и остекления с окружающими его элементами, которые удерживают его на месте в конструкции,
- введение в численную конечно-элементную модель свойств материалов ударного элемента, остекления и окружающих его элементов на по меньшей мере диапазоне частот и температур, характерных для удара,
- введение в численную конечно-элементную модель характеристик динамического ударного воздействия, как, в частности, место и угол удара ударного элемента по остеклению, относительная скорость между остеклением и ударным элементом, масса ударного элемента, температура каждого компонента,
- выбор экспериментального метода определения разрушающего напряжения стеклянного листа, соответствующего типу удара, и определение разрушающего напряжения каждого стеклянного листа остекления в зависимости от выбранного метола, чтобы сравнить его с огибающей максимальных напряжений этого стеклянного листа, рассчитанной по численной конечно-элементной модели.
Важной стадией изобретения является выбор экспериментального метода определения разрушающего напряжения стеклянного листа в соответствии с типом удара, то есть при котором ударный элемент приводит к нагрузке стеклянного листа, близкой к той, что имеет место при реальном ударе. В частности, выбранный метод должен отражать тип напряжения критических дефектов, присутствующих в стеклянном листе, который может зависеть, в частности, от состава стекла, типа обработки, применяемой к стеклу (термическая закалка, химическая закалка и т.д.), типа ударного элемента, скорости удара. Так, например, для остекления самолета, подвергшегося столкновению с птицей, для остекления поезда, подвергшегося удару булыжника, или же для остекления автомобиля, подвергшегося баллистическому удару, должны выбираться разные методы.
Примеры экспериментальных методов определения разрушающего напряжения стеклянного листа включают, в частности: испытание на удар с использованием стенда для бросания с высоты; испытание на изгиб методом кольца на штативе без вдавливания; испытание на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания.
В испытании на удар с использованием стенда для бросания с высоты ударное воздействие жесткого ударного элемента, представляющего собой стальной шарик, реализуют на образце стеклянного листа, предварительно снабженного тензометрическими датчиками. Стальной шарик размещают на разных высотах до достижения разрушения образца. Параллельно строится численная конечно-элементная модель опыта, моделирующая тензодатчики в численной модели. В реальном эксперименте деформации отслеживаются в динамическом режиме благодаря тензодатчикам, чтобы проверить численную модель, что позволяет определить напряжение в начале разрушения, которое соответствует разрушающему напряжению стеклянного листа. На практике для каждого опыта используется по два тензометрических датчика, что позволяет центрировать шарик относительно центра образца. На основе расчетов по численной конечно-элементной модели строят график, показывающий напряжение в начале разрушения в зависимости от высоты падения для разных диаметров шариков. Таким образом, из результатов испытаний можно определить вероятность разрушения для заданного напряжения. Предпочтительно, в испытании на удар с использованием стенда для бросания с высоты стеклянный лист нагружают в динамическом режиме, что аналогично тому, что происходит, например, при столкновении с птицей, ударе метательного снаряда UIC, баллистическом ударе.
Согласно частным вариантам осуществления изобретения:
- остекление представляет собой остекление, предназначенное для установки в летательном аппарате, ударное воздействие представляет собой столкновение с птицей, а метод, выбранный для определения разрушающего напряжения стеклянного листа, представляет собой испытание на удар с использованием стенда для бросания с высоты,
- остекление представляет собой остекление, предназначенное для установки в поезде, ударное воздействие представляет собой удар снаряда UIC, а метод, выбранный для определения разрушающего напряжения стеклянного листа, представляет собой испытание на удар с использованием стенда для бросания с высоты,
- остекление представляет собой остекление, предназначенное для установки в автомобиле, ударное воздействие представляет собой баллистический удар, а метод, выбранный для определения разрушающего напряжения стеклянного листа, представляет собой испытание на удар с использованием стенда для бросания с высоты.
В испытании на изгиб методом кольца на штативе без вдавливания к образцу стеклянного листа, находящегося между тремя шариками и кольцом, прикладывается возрастающее усилие вплоть до разрушения образца. Это испытание позволяет определить напряжение при разрушении дефектов на поверхности образцов, при этом краевые эффекты устраняются благодаря локализации максимального напряжения под кольцом. Кроме того, напряжение является постоянным и изотропным (одинаковым во всех трех измерениях) под кольцом нагрузки. На практике какую-нибудь поверхность каждого образца покрывают клейкой пленкой на стороне, которая позднее будет испытывать сжимающее напряжение. Роль этой пленки состоит в том, чтобы позволить локализовать исходную точку разрушения. Испытание на изгиб методом кольца на штативе реализуется, например, с помощью машины Instron 5567 при установке скорости опускания перекладины 2 мм/мин, машина оснащена силовым датчиком на 10 кН, кольцом диаметром 10 мм в виде тора радиусом 1 мм, закрепленным внизу машины Instron, и платформой, на которой приклеено три шарика радиусом 5 мм, расположенных под углом 120° на окружности радиусом 20 мм, центр которой совпадает с центром кольца. Образец помещают между тремя шариками и кольцом. Затем к кольцу прикладывают возрастающее усилие вплоть до разрушения образца. При подсчете учитываются только образцы, исходная точка разрушения которых находится под кольцом. Разрушающее напряжение как функция разрывного усилия и толщины образца задается следующей формулой, за результат принимается среднее по пяти экспериментам:
При испытании на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания испытание на изгиб проводят как и в предыдущем случае, с тем отличием, что образцы были предварительно подвергнуты вдавливанию, реализованному на стороне, противоположной липкой пленке, с помощью груза, уложенного сверху наконечника Виккерса. Для вдавливания каждый образец позиционируют под наконечником таким образом, чтобы вдавливание было осуществлено в центре образца с точностью до 1 мм. Наконечник опускают на образец, например, с помощью машины Instron, оснащенной датчиком силы 5 кН. В исходном положении наконечник располагается на 2-5 мм выше образца. Затем наконечник приближают к стеклу со скоростью 10 мм/мин. После контакта между наконечником и стеклом сила, приложенная машиной, становится равной нулю, и только груз, помещенный на наконечник, вызывает вдавливание стекла. Вдавливание длится 20 секунд, затем наконечник поднимается машиной. Затем стекло выдерживают в покое не менее 12 часов, чтобы стабилизировать распространение трещин. В случае разрыва после вдавливания, но до испытания на изгиб, разрушающее напряжение при изгибе принимается равным нулю. Для испытания на изгиб образец помещают затем между тремя шариками и кольцом таким образом, чтобы след от вдавливания находился на одном уровне с центром кольца, с точностью до 1 мм.
Для листа из минерального стекла изменение вероятности разрушения в зависимости от напряжения, полученное из испытания на удар с использованием стенда для бросания с высоты или испытания на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания или без вдавливания, может зависеть от объема исследуемого образца. Действительно, механическая прочность листа минерального стекла определяется наиболее крупным дефектом в зоне нагрузки. Изменяя условия нагружения или беря более крупный образец, получат более высокую вероятность встретить более крупный дефект. Для учета этого явления в таком случае используется статистический метод, основанный на модели Вейбулла.
В этой модели кумулятивную вероятность разрушения PRi выражают как функцию приложенного напряжения σR. Если выполнить один и тот же тип опыта N раз и упорядочить разрушающие напряжения в порядке возрастания: σR1 <σR2 <… <σRi <… <σRN, то можно затем определить кумулятивную вероятность разрушения PRi, связанную с i-ым разрушающим напряжением σRi соотношением 
Однако авторы изобретения установили, что для листа из минерального стекла, усиленного химической закалкой, какие применяются в остеклении самолета, испытание на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания позволяет избавиться от статистического аспекта разрушения стекла, если выбрать подходящую глубину вдавливания. Для этого глубину вдавливания выбирают больше максимального размера дефекта стекла, чтобы создать более крупный дефект, чем собственные дефекты стекла, но меньше глубины сжатия P в результате химической закалки, чтобы иметь измеренное разрушающее напряжение, которое остается репрезентативным для разрушающего напряжения упрочненного стекла, с малым разбросом. В этих условиях испытание на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания хорошо отражает нагрузки на критические дефекты стекла, возникающие при динамическом ударном воздействии, таком как столкновение с птицей, удар метательным снарядом UIC, баллистический удар и т.д. Кроме того, поскольку создается более крупный дефект, чем внутренние дефекты стекла, больше не существует проблемы масштабного перехода для вероятности разрушения.
Так, согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, остекление содержит по меньшей мере один лист минерального стекла, усиленного путем химической закалки, а метод, выбранный для определения разрушающего напряжения стеклянного листа, представляет собой испытание на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания.
Предпочтительно, глубину вдавливания выбирают больше максимального размера дефекта стекла и меньше глубины сжатия P в результате химической закалки. В частности, согласно одному примеру, глубина вдавливания составляет порядка 5-25 мкм для глубины сжатия P порядка 200-250 мкм.
На практике изменение вероятности разрушения устанавливают в зависимости от напряжения, исходя из результатов испытания на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания. Большим преимуществом является то, что в таком случае изменение вероятности разрушения в зависимости от напряжения, установленное для заданного образца, применимо для всего объема стеклянного листа.
Значение разрушающего напряжения, с которым будет сравниваться огибающая максимальных напряжений на стеклянном листе, можно выбрать, например, равным величине напряжения при 10%-ной вероятности разрушения на графике эволюции вероятность разрушения в зависимости от напряжения. Можно также добавить коэффициент X (X>1), учитывая, что испытание на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания является слишком консервативным, поскольку добавляется дефект. Значение коэффициента X выбирается на основе опыта и наблюдений, осуществленных во время разрушающих испытаний.
В одном варианте осуществления остекление представляет собой многослойное стекло для самолета, состоящее из пакета из трех стеклянных листов и двух полимерных вставок, введенных между стеклянными листами. Такая структура с тремя слоями стекла является традиционной структурой лобового, переднего бокового или заднего бокового окна самолета.
В частности, одним примером классической структуры многослойного стекла для самолета является следующий пакет: минеральное стекло (3 мм) / ПУ (5,3 мм) / минеральное стекло (8 мм) / ПВБ (2 мм) / минеральное стекло (8 мм).
В другом варианте осуществления остекление представляет собой многослойное стекло вертолета, состоящее из пакета, содержащего по меньшей мере один стеклянный лист и одну полимерную вставку.
В частности, одним примером классической структуры многослойного стекла для вертолета является следующий пакет: минеральное стекло (0,7 мм) / ПУ (2,5 мм) / ПММА (7 мм), или же пакет из единственного стеклянного листа и единственной композитной полимерной вставки: минеральное стекло (3 мм) / ПУ (3,56 мм) + ПЭТ (0,18 мм).
Согласно одному аспекту изобретения, в случае многослойного стекла закон поведения материала каждой полимерной вставки многослойного стекла представляет собой вязкоупругую модель, определенную динамомеханическим анализом (DMA, от Dynamic Mechanical Analysis). Метод DMA используется для характеризации отклика материала на температуру и частоту при применении небольших циклических деформаций. На практике, исходя из результатов DMA на образце полимерной вставки, исследуют сдвиговые характеристики материала вставки, устанавливая:
- кривую изменения динамического модуля упругости G’ материала в зависимости от частоты для разных температур, в частности, частота составляет от 5 до 285 Гц, а температура составляет от -60°C до +60°C,
- кривую изменения модуля потерь G" материала в зависимости от частоты для разных температур, в частности, частота составляет от 5 до 285 Гц, а температура составляет от -60°C до +60°C.
Исходя из этих данных по G’(f) и G"(f), строят опорную кривую для динамического модуля упругости G’ и модуля потерь G" на по меньшей мере диапазонах частот и температур, характерных для удара, используя, например, закон эквивалентности частота/температура, установленный по методу ВЛФ (Вильямса-Ландела-Ферри).
Затем можно использовать обобщенную модель Максвелла, позволяющую описать параметры материалов через распределение времени релаксации в виде ряда Прони. Установленная ранее опорная кривая позволяет идентифицировать параметры вязкоупругой модели материала полимерной вставки путем идентификации (или подгонки) рядом Прони опорной кривой, в виде:
где G0 означает мгновенный модуль (высокая частота или низкая температура), gk означают относительные модули, и τk означает время релаксации.
Другим объектом изобретения является остекление, полученное описанным выше способом изготовления, такое, чтобы оно, будучи установленным в заданную конструкцию, выдерживало заданное динамическое ударное воздействие.
В одном варианте осуществления по меньшей мере часть этапов неразрушающего способа проверки, что остекление, установленное в конструкцию, выдерживает динамическое ударное воздействие, описанное выше, или способ изготовления остекления, которое выдерживает динамическое ударное воздействие, будучи установленным в описанную выше конструкцию, определяются инструкциями компьютерных программ.
Следовательно, объектом изобретения является также компьютерная программа на носителе записи, причем эта программа может быть реализована в терминале или, в более общем случае, в компьютере, причем эта программа содержит инструкции, адаптированные для выполнения всех или части этапов вышеописанного способа.
Указанная программа может использовать любой язык программирования и находиться в форме исходного кода, объектного кода или промежуточного кода между исходным кодом и объектным кодом, например, находиться в частично компилированной форме.
Объектом изобретения является также носитель записи, считываемый компьютером и содержащий инструкции компьютерной программы, указанной выше.
Носитель записи может представлять собой любой объект или устройство, способное хранить программу. Например, носитель может включать в себя средство хранения, такое как постоянное запоминающее устройство, перезаписываемое энергонезависимое запоминающее устройство, например, флеш-карта USB, карта памяти, электронно-перепрограммируемая постоянная память (EEPROM) или даже средство магнитной записи, например, жесткий диск.
Носитель записи также может представлять собой интегральную схему, в которую включена программа, причем схема адаптирована для осуществления или для использования при осуществлении способа.
Носитель записи может представлять собой передаваемый носитель, такой как электрический или оптический сигнал, который может доставляться через электрический или оптический кабель, по радио или другими средствами. В частности, программа согласно изобретению может быть загружена из сети типа Интернет.
Объектом изобретения является также терминал, содержащий блок обработки, предназначенный для:
- расчета методом конечных элементов огибающей максимальных напряжений на каждом стеклянном листе остекления, установленного в конструкцию и подвергшегося динамическую ударному воздействию, причем остекление содержит по меньшей мере один стеклянный лист, с использованием численной конечно-элементной модели остекления, введенного в конструкцию и подвергшегося удару, с использованием закона поведения материала, из которого образован каждый стеклянный лист, а также, в случае многослойного стекла, содержащего пакет из по меньшей мере одного стеклянного листа и полимерной вставки, закона поведения материала каждой полимерной вставки и закона поведения каждой границы раздела между стеклянным листом и полимерной вставкой, и
- сравнения огибающей максимальных напряжений, рассчитанной для каждого стеклянного листа остекления, со значением разрушающего напряжения стеклянного листа, полученным экспериментальным методом определения разрушающего напряжения стекла, выбранным в зависимости от типа удара.
В одном варианте осуществления блок обработки терминала предназначен также для:
- расчета методом конечных элементов огибающей максимальных напряжений для каждого стеклянного листа остекления в зависимости от размеров остекления, и
- подбора размеров остекления таким образом, чтобы огибающая максимальных напряжений, рассчитанная для каждого стеклянного листа остекления, была строго меньше разрушающего напряжения стеклянного листа, полученного экспериментальным методом определения разрушающего напряжения стекла, выбранным в зависимости от типа удара, имея при этом оптимизированные размеры остекления.
В одном аспекте блок обработки терминала согласно изобретению содержит компьютерную программу, какая упоминалась выше, причем эта программа записана на носителе записи согласно изобретению и состоит из перезаписываемой энергонезависимой памяти терминала, и причем инструкции программы интерпретируются процессором терминала.
Терминал, компьютерная программа и носитель записи имеют, согласно изобретению, те же характеристик, что и способ по изобретению. Изобретение может применяться с любым типом терминала, например, с ноутбуком или стационарным компьютером.
Наконец, объектом изобретения является система установления, путем анализа методом конечных элементов, что остекление, установленное в конструкции, выдерживает динамическое ударное воздействие, причем остекление содержит по меньшей мере один стеклянный лист, причем система включает в себя:
- графический интерфейс, предназначенный для отображения модели ударного элемента и модели остекления с окружающими его элементами, выдачи входных данных для анализа методом конечных элементов и отображения результатов анализа методом конечных элементов;
- блок моделирования материалов ударного элемента, каждого стеклянного листа остекления и, возможно, каждой полимерной ставки в случае многослойного стекла, а также окружающих элементов для определения свойств этих материалов на по меньшей мере диапазонах частот и температур, характерных для удара;
- блок моделирования удара, чтобы определить, в частности, место и угол ударного воздействия на остекление ударным элементом, относительную скорость между остеклением и ударным элементом, температуру каждого компонента;
- блок обработки для построения численной конечно-элементной модели остекления, введенного в конструкцию и подвергшегося ударному воздействию, чтобы провести анализ методом конечных элементов и рассчитать огибающую максимальных напряжений для каждого стеклянного листа остекления.
В такой системе блок обработки использует данные, определенные в блоке моделирования материалов и в блоке моделирования удара.
Характеристики и преимущества изобретения выявятся из нижеследующего описания примера осуществления способа по изобретению для получения многослойного стекла самолета, которое выдерживает столкновение с птицей, указанный пример приводится исключительно в качестве иллюстрации с обращением к приложенным чертежам, на которых:
- фигура 1 схематически показывает вид спереди кабины пилота самолета, содержащей несколько многослойных стекол или окон, соответственно в переднем 1(F), боковом переднем 1(FL) и боковом заднем 1(BL) положении;
- фигура 2 схематически показывает частичный вид в разрезе заднего бокового многослойного стекла 1(BL) самолета и окружающих его элементов, когда оно установлено в конструкцию кабины пилота самолета, причем многослойное стекло состоит из пакета из трех стеклянных листов и двух полимерных вставок, введенных между стеклянными листами;
- фигура 3 является схемой, показывающей последовательные этапы способа согласно изобретению, применяемого для оценки того, выдерживает ли многослойное стекло с фигуры 2, установленное в конструкцию самолета, столкновение с птицей;
- фигура 4 показывает сетчатую схему, предназначенную для использования в численной конечно-элементной модели, реализованную, исходя из DAO-моделей птицы и многослойного стекла с фигуры 2 с окружающими его элементами, во время попадания птицы в центр многослойного стекла;
- фигура 5 является графиком, показывающим идентификацию (или подгонку) рядом Прони опорной кривой динамического модуля упругости G’(f), полученной согласно изобретению на полимерной вставке из ПУ в многослойном стекле с фигуры 2;
- фигура 6 является графиком, показывающим огибающую максимальных напряжений в зависимости от времени для стеклянного листа толщиной 3 мм в многослойном стекле с фигуры 2, график рассчитан по численной конечно-элементной модели в первой конфигурации столкновения птицы с многослойным стеклом;
- фигура 7 является графиком, показывающим огибающую максимальных напряжений в зависимости от времени для стеклянного листа толщиной 3 мм в многослойном стекле с фигуры 2, график рассчитан по численной конечно-элементной модели во второй конфигурации столкновения птицы с многослойным стеклом;
- фигура 8 является графиком, показывающим вероятность разрушения стеклянного листа с таким же составом стекла и таким же усилением путем химической закалки, что и у стеклянных листов многослойного стекла с фигуры 2, в зависимости от напряжения, полученного в испытании на удар с использованием стенда для бросания с высоты, причем вероятность разрушения зависит от объема стеклянного листа и указана на графике для стеклянного листа с таким же размерами, что и стеклянный лист многослойного стекла, имеющий толщину 3 мм;
- фигура 9 является графиком, показывающим вероятность разрушения стеклянного листа с таким же составом стекла и таким же усилением путем химической закалки, что и у стеклянных листов многослойного стекла с фигуры 2, в зависимости от напряжения, определенного при испытании на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания, причем вероятность разрушения не зависит от объема стеклянного листа;
- фигура 10 представляет собой блок-схему, показывающую последовательные этапы предлагаемого изобретением способа, применяющегося для изготовления многослойного стекла с фигуры 2 с оптимизированными размерами, что позволяет ему, будучи установленным в конструкцию, выдерживать столкновение с птицей при одновременно минимизированной массе и/или стоимости; и
- фигура 11 показывает схему системы, позволяющей осуществить способ согласно изобретению.
Способ согласно изобретению реализуют для проверки того, что многослойное стекло 1(BL), предназначенное для установки в кабине пилота самолета в качестве заднего бокового окна, выдерживает столкновение с птицей в двух разных конфигурациях (примеры 1 и 2).
Как хорошо видно на фигуре 2, многослойное стекло 1 состоит из пакета трех стеклянных листов 11, 13, 15 и двух полимерных вставок 12, 14, введенных между стеклянными листами. Такая трехслойная структура стекла является классической структурой многослойного стекла в кабине пилота самолета.
Каждый стеклянный лист 11, 13, 15 является листом алюмосиликатного стекла, упрочненного путем химической закалки. Для каждого стеклянного листа 11, 13, 15 глубина сжатия P вследствие химической закалки составляет порядка 200-250 мкм.
Полимерная вставка 12 представляет собой промежуточный лист на основе полиуретана (ПУ).
Полимерная вставка 14 представляет собой промежуточный лист на основе поливинилбутираля (ПВБ).
Толщины h_i стеклянных листов (i=11, 13, 15) и h_j полимерных вставок (j=12, 14) следующие: стекло (h11=3 мм) / ПУ (h12=5,3 мм) / стекло (h13=8 мм) / ПВБ (h14=2 мм) / стекло (h15=8 мм).
Фигура 2 показывает многослойное стекло 1 с окружающими его элементами 3, 5, 7, которые удерживают многослойное стекло 1 на месте в конструкции самолета. Многослойное стекло 1 соединено со структурой 7 (или фюзеляжем) самолета посредством периферийного уплотнения 3 из силикона, которое с точки зрения механики ведет себя как шаровой шарнир между структурой 7 и многослойным стеклом 1. На внутреннем периметре многослойного стекла 1 предусмотрена также прокладка 5 из эпоксидно-стеклянного композита, чтобы не нарушать воздушный зазор, определяемый структурой 7.
Многослойное стекло 1 и окружающие его элементы 3, 5, 7 являются идентичными для обоих примеров 1 и 2, которые отличаются друг от друга только характеристиками столкновения с птицей. Осуществление предлагаемого изобретением способа для проверки того, что многослойное стекло 1, установленное в кабине пилота самолета, выдерживает столкновение с птицей, одинаково для обоих примеров 1 и 2. Способ включает этапы, показанные на схеме на фигуре 3 и описываемые ниже. Следует отметить, что порядок этапов на фигуре 3 не является обязательным и может быть объектом любой технически возможной модификации.
На этапах 110 и 120 предоставляются соответственно геометрическая модель CAD_GLZ многослойного стекла 1 с окружающими его элементами 3, 5, 7 и геометрическая модель CAD_BRD птицы 9. Для примеров 1 и 2 геометрические модели CAD_BRD и CAD_GLZ были построены с использованием программы CATIA.
На этапе 130 реализуют построение сетки геометрических моделей CAD_BRD и CAD_GLZ и получают численную конечно-элементная модель FE_IMP для многослойного стекла 1, установленного в конструкцию 7 самолета и подвергшегося столкновению с птицей 9. Для примеров 1 и 2 построение сетки геометрических моделей CAD_BRD и CAD_GLZ было реализовано с использованием инструмента построения сеток HYPERMESH, а кодирование было осуществлено с помощью программного модуля конечных элементов ABAQUS EXPLICIT. На фигуре 4 показан пример модели, полученной на этапе 130, содержащей сетчатое изображение птицы 9 и многослойного стекла 1 с окружающими его элементами 3, 7.
На этапе 140 на вход численной конечно-элементной модели FE_IMP предоставляются свойства материалов сетчатых компонентов:
- закон поведения MAT_BRD материала птицы, а именно в данном примере закон гидродинамического поведения в виде уравнения состояния, которое можно найти в научной литературе;
- закон поведения MAT_i материала каждого стеклянного листа (i=11, 13, 15), одинакового для всех трех стеклянных листов, а именно, в данном примере плотность ρ=2450 кг/м3, модуль Юнга E=72 ГПа, коэффициент Пуассона ν=0,23;
- закон поведения VISCMOD_j материала каждой полимерной вставки (j=12, 14), а именно, в данном примере вязкоупругая модель, которая была определена для каждой полимерной вставки;
- закон поведения (INT_ij) каждой границы раздела между стеклянным листом i=11, 13, 15 и полимерной вставкой j=12, 14, в частности, в данном примере всегда считается, что адгезия и контакт между поверхностями являются идеальными, чтобы сетка совпадала;
- закон поведения LAW_SEAL стыка 3 и прокладки 5, а именно, в данном примере для стыка 3 принят закон гиперэластичного поведения типа нео-Гука или Ван-дер-Ваальса, а для прокладки 7 закон упругого поведения.
В примерах 1 и 2 для каждой полимерной вставки j=12, 14 вязкоупругая модель VISCMOD_j материала вставки была определена в результате выполнения следующих этапов:
- из результатов DMA на образце вставки j устанавливали кривую изменения динамического модуля упругости G’(f) и кривую изменения модуля потерь G"(f) материала вставки j для частоты в интервале от 5 Гц до 285 Гц и различных изотерм в интервале температур от -60°C до +60°C;
- исходя из данных по G’(f) и G"(f), строили опорную кривую для динамического модуля упругости G’ и модуля потерь G" для частот и температур на диапазоне от стекловидного плато до каучукового плато материала, с использованием закона эквивалентности частота/температура, установленный методом ВЛФ (Вильямса-Ландела-Ферри);
- определяли параметры вязкоупругой модели материала полимерной вставки путем подгонки рядом Прони опорной кривой, в виде:
где G0 означает мгновенный модуль, gk означают относительные модули, и τk означает время релаксации.
Фигура 5 показывает пример подгонки рядом Прони опорной кривой динамического модуля упругости G’(f) материала полиуретановой полимерной вставки 12 многослойного стекла 1.
На практике данные о материалах были определены в формате программы ABAQUS, например, для полимерной вставки 12 из ПУ (значения приведены в системе СИ):
*материал, название=PU_Visco
*Плотность
1070e-09,
*упругий, модули=LONG TERM
7e6, 0.49
На этапе 150 входными данными численной конечно-элементной модели FE_IMP являются характеристики удара, в частности:
- место и угол столкновения с птицей: в центре многослойного стекла, с птицей, которая движется параллельно траектории самолета;
- относительная скорость между многослойным стеклом и птицей: 152,8 м/с для примера 1 и 187,6 м/с для примера 2;
- масса птицы: 1,807 кг для примера 1 и 1,812 кг для примера 2;
- температура каждого компонента:
> для примера 1, T°C окружающей среды: 25°C, T°C внутренней стороны остекления 1: 20,4°C, T°C внешней стороны остекления 1: 23,9°C,
> для примера 2, T°C окружающей среды: 23°C, T°C внутренней стороны остекления 1: 23°C, T°C внешней стороны остекления 1: 24,3°C.
На этапе 160 методом конечных элементов по численной модели FE_IMP рассчитывают огибающую максимальных напряжений σm_i для каждого стеклянного листа i=11, 13, 15 многослойного стекла 1. На практике для примеров 1 и 2 для расчета поля напряжений и деформаций, вызванных столкновением с птицей, используют решающую программу ABAQUS для каждого стеклянного листа i=11, 13, 15 и каждой полимерной вставки j=12, 14 многослойного стекла 1.
Фигуры 6 и 7 показывают, соответственно для примера 1 и примера 2, огибающую максимальных напряжений σm_11 в зависимости от времени, рассчитанную по численной модели FE_IMP для стеклянного листа 11 толщиной 3 мм многослойного стекла 1.
На этапе 170 сравнивают огибающую максимальных напряжений σm_i для каждого стеклянного листа i=11, 13, 15 многослойного стекла 1 с разрушающим напряжением σr_i стеклянного листа, полученным по методу, выбранному в соответствии с типом нагрузок, характерных при столкновении с птицей, и делают вывод о том, выдерживает ли многослойное стекло 1 удар в рассматриваемой конфигурации столкновения с птицей.
Как пояснялось выше, авторы изобретения установили, что в испытании на удар с использованием стенда для бросания с высоты стеклянный лист испытывает нагрузки, близкие к имеющим место при столкновении с птицей. Следовательно, для примеров 1 и 2 для каждого стеклянного листа i многослойного стекла 1 огибающую максимальных напряжений σm_i можно сравнивать с результатами по вероятности разрушения листа из минерального стекла, имеющего такой же состав стекла, такое же усиление путем химической закалки и такой же объем, что и стеклянный лист i, в зависимости от напряжения, полученными в испытании на удар с использованием стенда для бросания с высоты.
Таким образом, для стеклянного листа 11 толщиной 3 мм многослойного стекла 1 можно использовать график с фигуры 8, показывающий вероятность разрушения листа из минерального стекла с такими же размерами, таким же составом стекла и таким же усилением, что и лист 11, в зависимости от напряжения, полученный в испытании на удар с использованием стенда для бросания с высоты. В качестве значения разрушающего напряжения σr_11, которое будет сравниваться с огибающей максимальных напряжений σm_11, выбирают значение напряжения при 10%-ной вероятности разрушения на графике с фигуры 8, то есть σr_11=590 МПа.
Для примера 1 из сравнения фигуры 6 с фигурой 8 можно сделать вывод, что огибающая максимальных напряжений σm_11, рассчитанная по численной модели FE_IMP для стеклянного листа 11, остается со временем строго меньше 450 МПа, что строго ниже разрушающего напряжения σr_11 стеклянного листа толщиной 3 мм, полученного в испытании на удар с использованием стенда для бросания с высоты. Это позволяет утверждать, что стеклянный лист 11 многослойного стекла 1 не имеет риска разбиться при столкновении с птицей в условиях примера 1. Кроме того, аналогичный анализ (на фигурах не показан), проведенный для стеклянных листов 13 и 15 многослойного стекла 1, имеющих толщину 8 мм, позволяет утверждать, что стеклянные листы 13 и 15 многослойного стекла 1 также не имеют риска разбиться при столкновении с птицей в условиях примера 1. Таким образом, многослойное стекло 1 считается стойким к столкновению с птицей согласно примеру 1 (результат: OK).
Напротив, для примера 2 из сравнения фигуры 7 с фигурой 8 можно установить, что огибающая максимальных напряжений σm_11, рассчитанная по численной модели FE_IMP для стеклянного листа 11, достигает со временем значения 600 МПа, что для стеклянного листа толщиной 3 мм выше разрушающего напряжения σr_11, полученного в испытании на удар с использованием стенда для бросания с высоты. Отсюда следует, что стеклянный лист 11 многослойного стекла 1 рискует разбиться при столкновении с птицей в условиях примера 2, поэтому считается, что многослойное стекло 1 не является стойким к столкновению с птицей согласно примеру 2 (результат: NOK).
Как вариант, для примеров 1 и 2 для каждого стеклянного листа i многослойного стекла 1 можно также сравнить огибающую максимальных напряжений σm_i с результатами по вероятности разрушения листа минерального стекла произвольного объема, имеющего такой же состав стекла и такое же усиление путем химической закалки, что и стеклянный лист i, в зависимости от напряжения, полученного в испытании на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания, при выборе глубины вдавливания больше размера максимального дефекта стекла и меньше глубины сжатия P, обусловленной химической закалкой.
В частности, для каждого стеклянного листа 11, 13, 15 многослойного стекла 1 можно использовать график с фигуры 9, показывающий вероятность разрушения листа минерального стекла с одинаковым составом стекла и одинаковым усилением, в зависимости от напряжения, полученный в испытании на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания при глубине вдавливания от 5 до 25 мкм. Весьма выгодно, что график на фигуре 9 можно напрямую использовать для каждого из трех стеклянных листов 11, 13, 15 многослойного стекла 1, так как в этом случае вероятность разрушения не зависит от объема стеклянного листа. В качестве значения разрушающего напряжения σr_i, с которым сравнивается огибающая максимальных напряжений σm_i, выбирают значение напряжения, соответствующее 10%-ной вероятности разрушения на графике с фигуры 9, то есть σr_i=450 МПа.
Здесь снова, как в примере 1, из сравнения фигуры 6 с фигурой 9 можно сделать вывод, что огибающая максимальных напряжений σm_11, рассчитанная по численной модели FE_IMP для стеклянного листа 11, остается со временем строго ниже значения 450 МПа, представляющего собой разрушающее напряжение σr_11, полученное в испытании на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания. Это позволяет утверждать, что стеклянный лист 11 многослойного стекла 1 не имеет риска разбиться при столкновении с птицей в условиях примера 1. Аналогичный анализ можно провести для стеклянных листов 13 и 15. Таким образом, многослойное стекло 1 считается стойким к столкновению с птицей согласно примеру 1 (результат: OK).
Напротив, для примера 2 из сравнения фигуры 7 с фигурой 9 можно установить, что огибающая максимальных напряжений σm_11, рассчитанная по численной модели FE_IMP для стеклянного листа 11, со временем достигает значения 600 МПа, что выше разрушающего напряжения σr_11, полученного в испытании на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания. Отсюда следует, что стеклянный лист 11 многослойного стекла 1 рискует разбиться при столкновении с птицей в условиях примера 2, поэтому считается, что многослойное стекло 1 не является стойким к столкновению с птицей согласно примеру 2 (результат: NOK).
Эти результаты хорошо согласуются с реальными экспериментами с разрушающими испытаниями на столкновение с птицами, проведенными на многослойном стекле 1.
Из рассмотренных выше примеров следует, что значение разрушающего напряжения, определенное в испытании на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания, дает более строгий критерий, чем определенный в испытании на удар с использованием стенда для бросания с высоты. Действительно, испытание на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания добавляет дефект в стекло, что приводит к завышению вероятности разрушения стекла. В таком случае можно добавить коэффициент X (X>1) к величине напряжения при 10%-ной вероятности разрушения, этот коэффициент X выбирают эмпирически, сравнивая с наблюдениями, осуществленными при испытаниях с разрушением.
Фигура 10 показывает этапы такого способа изготовления многослойного стекла 1, чтобы оно, будучи установленным в кабине пилота самолета, выдерживало столкновение с птицей. Здесь также порядок этапов на фигуре 10 не является обязательным и может быть объектом любой технически возможной модификации.
Этапы 220, 230, 240, 250 способа с фигуры 10 идентичны соответственно этапам 120, 130, 140, 150 способа с фигуры 3. Способ с фигуры 10 отличается от способа с фигуры 3 тем, что:
- на этапе 210 предоставляется геометрическая модель CAD_GLZ_p многослойного стекла 1 с окружающими его элементами 3, 5, 7, эта модель является параметризованной моделью, задающей в качестве параметров модели толщину h_i стеклянных листов (i=11, 13, 15) и толщину h_j полимерных вставок (j=12, 14) многослойного стекла 1;
- на этапе 260, методом конечных элементов по численной модели FE_IMP рассчитывают огибающую максимальных напряжений σm_i_p для каждого стеклянного листа i=11, 13, 15 многослойного стекла 1 в зависимости от толщины h_i стеклянных листов и толщины h_j полимерных вставок;
- на этапе 270 подбирают толщину h_i стеклянных листов и толщину h_j полимерных вставок таким образом, чтобы огибающая максимальных напряжений σm_i_p для каждого стеклянного листа многослойного стекла была строго ниже разрушающего напряжения σr_i стеклянного листа, полученного методом, выбранным так, чтобы он соответствовал типу нагрузок при столкновении с птицей;
- на этапе 280 после расчета подобранных значений толщин h_i и h_j готовят стеклянные листы i=11, 13, 15 и полимерные вставки j=12, 14 с этими подобранными толщинами h_i, h_j и проводят их сборку с образованием многослойного стекла 1.
Такой способ изготовления многослойного стекла гарантирует получение многослойного стекла 1, оптимизированного как в отношении массы и стоимости, так и в отношении ударной прочности в конфигурации столкновения с птицей, определенной на этапе 250.
На фигуре 11 показана система 30 согласно изобретению, которую можно использовать для осуществления способа, описанного выше в связи с фигурой 3, для проверки того, что многослойное стекло 1, установленное в кабине пилота самолета в качестве заднего бокового окна, выдерживает столкновение с птицей, и/или способа, описанного выше в связи с фигурой 10, изготовления многослойного стекла 1, которое, будучи установленным в кабине пилота самолета, выдерживает удар при столкновении с птицей.
Система 30 содержит графический пользовательский интерфейс 31, блок моделирования материалов 32, блок моделирования удара 33 и блок обработки 34.
Согласно фигурам 3 и 10, графический интерфейс 31 способен отображать модели ударного элемента и многослойного стекла с окружающими его элементами, полученные на этапах 110/210, 120/220, 130/230; выдавать входные данные для этапов 140/240, 150/250; отображать результаты анализа методом конечных элементов на этапе 170/270. Блок моделирования материалов 32 способен хранить и управлять данными по материалам, предоставленными для этапа 140/240. Блок моделирования удара 33 предназначен для хранении и управления характеристическими данными относительно удара, предоставленными для этапа 150/250. Блок обработки 34 предназначен для построения численной конечно-элементной модели FE_IMP на этапе 130/230, проведения анализа методом конечных элементов и расчета огибающей максимальных напряжений σm_i, σm_i_p на этапе 160/260, а в случае способа с фигуры 10 значения толщин h_i и h_j, подобранных на этапе 270. Для анализа методом конечных элементов блок обработки 34 использует данные, определенные в блоке моделирования материалов 32 и блоке моделирования удара 33.
Изобретение не ограничено описанными и проиллюстрированными примерами. В частности, изобретение было проиллюстрировано на примерах ударов птиц по многослойному стеклу самолета, но понятно, что оно применимо для любого типа динамического ударного воздействия и любого типа остекления, содержащего по меньшей мере один стеклянный лист, будь то многослойное остекление или нет. Важным условием для правильной реализации изобретения является выбор для определения разрушающего напряжения стеклянного листа метода, репрезентативного для нагрузок, связанных с типом рассматриваемого ударного воздействия, и надлежащего определения разрушающего напряжения.
Группа изобретений относится к терминалу, остеклению, применению терминала в неразрушающем способе подтверждения того, что остекление, установленное в конструкцию, выдерживает динамическое ударное воздействие, и системе оценки по методу конечных элементов, что остекление, установленное в конструкцию, выдерживает динамическое ударное воздействие. Терминал предназначен для расчета максимальных напряжений на каждом стеклянном листе остекления и применяется в неразрушающем способе подтверждения того, что остекление 1, установленное в конструкцию 7, выдерживает динамическое ударное воздействие и/или в способе изготовления остекления 1. Остекление 1, установленное в конструкцию 7, должно выдерживать динамическое ударное воздействие, такое как удар птицы в случае установки его в летательный аппарат. Остекление 1 содержит по меньшей мере один стеклянный лист, а способ определения включает этапы, на которых по численной конечно-элементной модели остекления, установленного в конструкции и подвергшегося ударному воздействию, с использованием закона поведения материала каждого стеклянного листа рассчитывают огибающую максимальных напряжений для каждого стеклянного листа остекления; для каждого стеклянного листа остекления сравнивают огибающую максимальных напряжений с разрушающим напряжением стеклянного листа, полученным экспериментальным методом определения разрушающего напряжения стеклянного листа, выбранным в зависимости от типа удара. Обеспечивается возможность определения жесткости материала остекления и крепежной системы. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.
1. Терминал, содержащий блок обработки (33), предназначенный для:
- расчета, путем анализа методом конечных элементов, огибающей максимальных напряжений (σm_i, σm_i_p) на каждом стеклянном листе остекления, вставленном в конструкцию и подвергающемся динамическую ударному воздействию, причем остекление содержит по меньшей мере один стеклянный лист, с использованием численной конечно-элементной модели (FE_IMP) остекления, вставленного в конструкцию и подвергшегося удару, с использованием закона поведения (MAT_i) материала каждого стеклянного листа (11, 13, 15), и
- сравнения огибающей максимальных напряжений (σm_i, σm_i_p), рассчитанной для каждого стеклянного листа остекления, со значением разрушающего напряжения (σr_i) стеклянного листа, полученным экспериментальным методом определения разрушающего напряжения стекла, выбранным в зависимости от типа удара.
2. Терминал по п. 1, при этом многослойное остекление (1) содержит пакет из по меньшей мере одного стеклянного листа (11, 13, 15) и одной полимерной вставки (12, 14), и блок обработки (33) дополнительно выполнен с возможностью
- расчета, путем анализа методом конечных элементов, огибающей максимальных напряжений (σm_i, σm_i_p) на по меньшей мере одном критическом стеклянном листе (11, 13, 15) многослойного остекления, установленного в конструкцию (7) и подвергшегося удару, с использованием закона поведения (MAT_i) материала каждого из стеклянных листов (11, 13, 15), закона поведения (VISCMOD_j) материала каждой полимерной вставки (12, 14) и закона поведения (INT_ij) каждой границы раздела между стеклянным листом и полимерной вставкой;
- сравнения огибающей максимальных напряжений (σm_i), рассчитанной для по меньшей мере критического стеклянного листа (11, 13, 15) многослойного остекления с разрушающим напряжением (σr_i) стеклянного листа, полученным экспериментальным методом определения разрушающего напряжения стеклянного листа, выбранным в зависимости от типа удара.
3. Терминал по п. 1 или 2, в котором блок обработки (33) предназначен также для:
- расчета по методу конечных элементов огибающей максимальных напряжений (σm_i_p) для каждого стеклянного листа остекления в зависимости от размеров (h_i, h_j) остекления, и
- подгонки размеров (h_i, h_j) остекления таким образом, чтобы огибающая максимальных напряжений (σm_i_p), рассчитанная для каждого стеклянного листа остекления, была строго меньше разрушающего напряжения стеклянного листа (σr_i), полученного экспериментальным методом определения разрушающего напряжения стекла, выбранным в зависимости от типа удара, имея при этом оптимизированные размеры остекления.
4. Терминал по любому из пп. 1-3, в котором численная конечно-элементная модель (FE_IMP) получена путем генерации сетки геометрических моделей ударного элемента (CAD_BRD) и остекления с окружающими его элементами (CAD_GLZ).
5. Терминал по п. 4, в котором генерирование сетки геометрических моделей ударного элемента (CAD_BRD) и остекления (CAD_GLZ) и расчет огибающей максимальных напряжений (σm_i) для каждого стеклянного листа (11, 13, 15) остекления реализованы с помощью программы анализа методом конечных элементов.
6. Терминал по любому из пп. 1-5, в котором на вход для расчета методом конечных элементов предоставляются свойства материалов ударного элемента, остекления и окружающих элементов (MAT_BRD, MAT_i, VISCMOD_j, LAW_SEAL) для по меньшей мере диапазонов частот и температур, характерных для удара.
7. Терминал по любому из пп. 1-6, в котором на вход для расчета методом конечных элементов предоставляются характеристики ударного воздействия, в частности место и угол воздействия на остекление ударным элементом, относительная скорость между остеклением и ударным элементом, масса ударного элемента, температура каждого компонента.
8. Терминал по любому из пп. 1-7, в котором метод, выбранный для определения разрушающего напряжения стеклянного листа, представляет собой испытание на удар с использованием стенда для бросания с высоты, испытание на изгиб методом кольца на штативе без вдавливания или испытание на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания.
9. Терминал по любому из пп. 1-8, в котором остекление (1) содержит по меньшей мере один лист (11, 13, 15) из минерального стекла, усиленный химической закалкой, и метод, выбранный для определения разрушающего напряжения стеклянного листа, представляет собой испытание на изгиб методом кольца на штативе после вдавливания.
10. Терминал по любому из пп. 1-9, в котором глубина вдавливания выбрана больше максимального размера дефекта стекла и меньше глубины сжатия, создаваемого в результате химической закалки.
11. Терминал по любому из пп. 1-10, в котором остекление (1) представляет собой многослойное стекло самолета, состоящее из пакета из трех стеклянных листов (11, 13, 15) и двух полимерных вставок (12, 14), введенных между стеклянными листами.
12. Терминал по любому из пп. 1-11, в котором остекление представляет собой многослойное стекло вертолета, состоящее из пакета, содержащего по меньшей мере один стеклянный лист и полимерную вставку.
13. Терминал по любому из пп. 1-12, в котором остекление (1) представляет собой многослойное стекло, содержащее пакет из по меньшей мере одного стеклянного листа (11, 13, 15) и полимерной вставки (12, 14), и закон поведения материала каждой полимерной вставки (12, 14) остекления (1) соответствует вязкоупругой модели (VISCMOD_j), при этом блок обработки дополнительно выполнен с возможностью определения вязкоупругой модели (VISCMOD_j) путем выполнения следующих шагов:
- установления, исходя из результатов динамометрического анализа образца полимерной вставки (12, 14), кривой изменения динамического модуля упругости G’(f) материала в зависимости от частоты для разных температур и кривой изменения модуля потерь G"(f) материала в зависимости от частоты для разных температур;
- построения, исходя из данных по G’(f) и G"(f), опорной кривой для динамического модуля упругости G’ и модуля потерь G" на по меньшей мере диапазонах частот и температур, характерных для удара, используя, например, закон эквивалентности частота/температура, установленный по методу ВЛФ (Вильямса-Ландела-Ферри);
- определения параметров вязкоупругой модели материала, из которого состоит полимерная вставка (12, 14), путем идентификации ряда Прони на опорной кривой в виде:
где G0 означает мгновенный модуль, gk означают относительные модули и τk означает время релаксации.
14. Остекление (1), способное выдерживать заданное динамическое ударное воздействие, когда оно установлено в заданную конструкцию, при этом оно получено с использованием терминала по любому из пп. 1-13.
15. Применение терминала по любому из пп. 1–13 в качестве терминала в неразрушающем способе подтверждения того, что остекление (1), установленное в конструкцию (7), выдерживает динамическое ударное воздействие, и/или в способе изготовления остекления (1) так, что оно выдерживает динамическое ударное воздействие.
16. Система (30) оценки по методу конечных элементов, что остекление (1), установленное в конструкцию (7), выдерживает динамическое ударное воздействие, причем остекление (1) содержит по меньшей мере один стеклянный лист (11, 13, 15), причем система включает в себя:
- графический интерфейс (31), предназначенный для отображения моделей ударного элемента (9) и остекления (1) с окружающими его элементами (3, 5, 7), выдачи входных данных для анализа методом конечных элементов и отображения результатов анализа методом конечных элементов;
- блок моделирования материалов (32) ударного элемента (9), каждого стеклянного листа (11, 13, 15) остекления (1) и окружающих элементов (3, 5, 7) для определения свойств этих материалов на по меньшей мере диапазонах частот и температур, характерных для удара;
- блок моделирования удара (33) для определения, в частности, места и угла ударного воздействия на остекление (1) ударным элементом (9), относительной скорости между остеклением и ударным элементом, температуры каждого компонента;
- блок обработки (34) для построения численной конечно-элементной модели (FE_IMP) остекления (1), установленного в конструкцию (7) и подвергшегося ударному воздействию, для реализации анализа методом конечных элементов, расчета огибающей максимальных напряжений (σm_i, σm_i_p) каждого стеклянного листа (11, 13, 15) остекления.
17. Система по п. 16, в которой блок обработки (34) использует данные, определенные в блоке моделирования материалов (32) и блоке моделирования удара (33).
| МНОГОСЛОЙНОЕ СТЕКЛО И ПРОСЛАИВАЮЩАЯ ПЛЕНКА ДЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СТЕКОЛ | 2004 |
|
RU2351481C2 |
| DE 102012014372 A1, 14.03.2013 | |||
| СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАКРЫВАНИЯ ОКОН ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА | 2014 |
|
RU2574495C2 |
| WO 2016052673 A1, 07.04.2016 | |||
| US 6094943 A, 01.08.2000 | |||
| JP 2005306326 A, 04.11.2005. | |||
