Modelling of laminated glass

Abstract

Frontruter på biler er optimalisert for å beskytte myke trafikanter mot hodeskader ved påkjørsler. Frontrutene skal i tillegg beskytte fører og passasjerer mot ytre omgivelser og flyvende objekter. Industrien etterspør nøyaktige og effektive numeriske verktøy for å simulere oppførselen til laminert glass under ulike typer belastninger. Denne avhandlingen vil undersøke hvordan eksisterende og kommersielt tilgjengelige verktøy i elementmetodeprogrammet Abaqus er i stand til å simulere den strukturelle oppførselen til laminert glass. Simuleringene vil sammenlignes med fallverksforsøk og kvasistatiske trykktester.

Eksperimentelle tester har blitt utført for å undersøke typisk respons og bruddmekanismer i monolittisk og laminert glass som er påført dynamiske og kvasistatiske laster. Dynamiske tester ble utført på monolittiske og laminerte glassplater i et fallverk. En halvsfæriskformet dor med radius på 50 mm og masse på 6.551 kg ble benyttet i alle forsøkene. Hastigheter på 2 m/s og 4 m/s ble benyttet på monolittiske glassplater, og 1 m/s, 2 m/s, 6 m/s og 10 m/s ble benyttet på laminerte glassplater. Kvasistatiske tester ble utført på laminerte glassplater med en hastighet på 3 mm/min. Digitale kameraer og 3D DIC ble benyttet for å oppdage hvor bruddet startet og for å måle deformasjonen til utvalgte punkter på glassplaten underveis i forsøket. Alle eksperimentene viste den samme bruddoppførselen med radielle brudd i starten etterfulgt av sirkulære brudd.

Det ble utført Ikke-lineære eksplisitte elementmetodesimuleringer av forsøkene i Abaqus. Den innbygde bruddmodellen Brittle Cracking i Abaqus ble brukt sammen med elementerosjon for å modellere sprekkdannelsen i glasset. Fullstendige parameterstudier ble utført der både virkningen av en parameter og vekselvirkningen mellom ulike parametere ble undersøkt. Simuleringene var i stand til å gjenskape de samme trendene som ble observert i forsøkene. Simuleringen som presterte best hadde et avvik på 16.2% i HIC15 fra eksperimentelle forsøk. Denne simuleringen ble utført med en støthastighet på 5.8 m/s. Simuleringer av hodestøt mot frontrute ble utført som en eksempel-studie. Treg bruddvekst og et begrenset antall brudd var en gjennomgående utfordring i simuleringene med Brittle Cracking og elementerosjon. Det ble observert veldig rask bruddvekst i eksperimentene, noe som medførte en rask reduksjon i stivheten etter initiering av første brudd. Denne mekanismen viste seg å være vanskelig å simulere.

Automobile windshields are optimized for protecting vulnerable road users from head injury in case of a head impact. The windshields should additionally protect the occupants from the outer environment and free-flying objects. Accurate and efficient numerical tools for simulating the behaviour of laminated glass exposed to different loading are therefore demanded by the industry. This thesis will review how existing and commercially available tools in the finite element (FE) code Abaqus are able to simulate the structural behaviour of laminated glass. The simulations will be compared with low-velocity impact tests and quasi-static punch tests.

Experimental tests have been performed in order to investigate typical responses and failure modes of monolithic and laminated glass exposed to dynamic and quasi-static loading. Dynamic tests were performed in a drop tower on both monolithic and laminated glass. All tests were run with a 6.551 kg half-spherical shaped impactor with a radius of 50 mm. Tests with impact velocities of 2 m/s and 4 m/s were performed on monolithic glass, and 1 m/s, 2 m/s, 6 m/s and 10 m/s on laminated glass. Quasi-static punch tests were performed on laminated glass with a loading rate of 3 mm/min. Digital cameras and 3D DIC were used to detect the position of fracture initiation and to measure the displacement of selected points on the glass panes during the experiments. All experiments showed similar fracture behaviour with initial radial fractures followed by circumferential fractures.

Explicit non-linear FE simulations of the experiments were performed in Abaqus. The built-in Brittle Cracking model in Abaqus was used together with element erosion to model glass failure. A series of factorial design studies were performed in order to investigate how changes in different parameters influenced the numerical results and how changes in different parameters interacted with each other. The simulations were able to reproduce the general trends in the failure modes of glass. The best performing simulation of laminated glass with an impact velocity of 5.8 m/s deviated 16.2% from the experiment in HIC15 value. Head impact simulations on a laminated windshield were performed as a case study. A major numerical challenge with Brittle Cracking and element erosion was the slow fracture growth and a limited amount of fractures. The experiments showed extremely fast fracture growth, which reduced the stiffness of the glass immediately after fracture initiation. This effect proved to be a numerical challenge.