窗玻璃作為建筑防火的薄弱構件在設計中經常被忽視。在火災環(huán)境中,玻璃因受熱產生熱應力,當熱應力大于其自身的臨界破裂應力時,會導致玻璃破裂甚至脫落。玻璃在火災環(huán)境下的破裂,會進一步引起火災向隔壁區(qū)域蔓延,加大火災的危險性。為預測玻璃在火災場景下的脫落行為,在前人研究的基礎上,本文研究了玻璃裂紋演化過程、玻璃首次破裂時間以及影響因素、玻璃的溫度場和應力場、準靜態(tài)裂紋和動態(tài)裂紋擴展過程。本文研究了普通窗玻璃在熱輻射環(huán)境下的裂紋演化規(guī)律。結果表明從邊緣遮蔽區(qū)起裂的裂紋中,外面的兩條裂紋開始都沿相反方向擴展;主破裂過程次數的增加會增加裂紋孤島的數目：孤島面積比在12%以下時,孤島數目與特定范圍內的孤島面積服從指數函數分布。研究開發(fā)了火災場景下玻璃的熱傳導程序,分析了玻璃幾何尺寸、力學、熱學和表面入射熱流密度參數對玻璃首次破裂時間的影響。數值結果表明：隨著玻璃厚度、破裂應力或吸收長度的增加,玻璃首次破裂時間增加；減小線膨脹系數、彈性模量或者表面入射的熱流密度都可以延長首次破裂時間。研究了玻璃厚度、遮蔽寬度和熱流密度對溫度場的影響,數值結果表明：隨著玻璃厚度增加,受熱面和環(huán)境面的溫差逐漸增大：厚度越小,玻璃邊緣遮蔽處的溫度上升越快,邊緣處受熱面和環(huán)境面的溫差越�。浑S著遮蔽寬度增加,遮蔽區(qū)域中心處溫度上升變慢。分別開發(fā)了熱荷載作用下奇異的基于邊的光滑有限元法、基于邊的光滑有限元法和有限元法的準靜態(tài)裂紋擴展程序。數值結果表明：奇異的基于邊的光滑有限元法比有限元法和基于邊的光滑有限元法具有更高的精度和收斂率；熱-機械混合荷載下,裂紋路徑位于純熱荷載下得到的裂紋路徑和純機械荷載下得到的裂紋路徑之間,且偏向荷載增大的一方。構造了五節(jié)點裂紋尖端單元的集中質量矩陣和一致質量矩陣,分別開發(fā)了奇異的基于邊的光滑有限元法、基于邊的光滑有限元法和有限元法動態(tài)裂紋擴展程序。數值結果與理論和實驗結果吻合很好。數值結果表明：對于靜止的裂紋,采用集中質量矩陣和結構化網格時會發(fā)生周期性震蕩現(xiàn)象；采用相同的網格時,用一致質量矩陣求得的結果比用集中質量矩陣的結果更好；對于移動的裂紋,采用裂紋尖端加密的網格時,這兩種質量矩陣得到的結果并沒有明顯的差別。利用有限單元法開發(fā)的動態(tài)裂紋擴展程序模擬了不同遮蔽寬度下玻璃破裂情形,對于首次破裂時間,數值結果與實驗結果吻合較好。通過進行無表面遮蔽寬度和玻璃表面完全遮蔽這兩種極限分析,解釋了隨著遮蔽寬度增加,玻璃平均首次破裂時間先減小后增加這一現(xiàn)象。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O346.1

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本文編號：1966060