窗玻璃作為建筑防火的薄弱構(gòu)件在設(shè)計(jì)中經(jīng)常被忽視。在火災(zāi)環(huán)境中,玻璃因受熱產(chǎn)生熱應(yīng)力,當(dāng)熱應(yīng)力大于其自身的臨界破裂應(yīng)力時(shí),會(huì)導(dǎo)致玻璃破裂甚至脫落。玻璃在火災(zāi)環(huán)境下的破裂,會(huì)進(jìn)一步引起火災(zāi)向隔壁區(qū)域蔓延,加大火災(zāi)的危險(xiǎn)性。為預(yù)測(cè)玻璃在火災(zāi)場(chǎng)景下的脫落行為,在前人研究的基礎(chǔ)上,本文研究了玻璃裂紋演化過程、玻璃首次破裂時(shí)間以及影響因素、玻璃的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)、準(zhǔn)靜態(tài)裂紋和動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)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(jié)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(kuò)展;主破裂過程次數(shù)的增加會(huì)增加裂紋孤島的數(shù)目：孤島面積比在12%以下時(shí),孤島數(shù)目與特定范圍內(nèi)的孤島面積服從指數(shù)函數(shù)分布。研究開發(fā)了火災(zāi)場(chǎng)景下玻璃的熱傳導(dǎo)程序,分析了玻璃幾何尺寸、力學(xué)、熱學(xué)和表面入射熱流密度參數(shù)對(duì)玻璃首次破裂時(shí)間的影響。數(shù)值結(jié)果表明：隨著玻璃厚度、破裂應(yīng)力或吸收長(zhǎng)度的增加,玻璃首次破裂時(shí)間增加；減小線膨脹系數(shù)、彈性模量或者表面入射的熱流密度都可以延長(zhǎng)首次破裂時(shí)間。研究了玻璃厚度、遮蔽寬度和熱流密度對(duì)溫度場(chǎng)的影響,數(shù)值結(jié)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��；隨著遮蔽寬度增加,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(zhǔn)靜態(tài)裂紋擴(kuò)展程序。數(shù)值結(jié)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(jī)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(jī)械荷載下得到的裂紋路徑之間,且偏向荷載增大的一方。構(gòu)造了五節(jié)點(diǎn)裂紋尖端單元的集中質(zhì)量矩陣和一致質(zhì)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(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展程序。數(shù)值結(jié)果與理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。數(shù)值結(jié)果表明：對(duì)于靜止的裂紋,采用集中質(zhì)量矩陣和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時(shí)會(huì)發(fā)生周期性震蕩現(xiàn)象；采用相同的網(wǎng)格時(shí),用一致質(zhì)量矩陣求得的結(jié)果比用集中質(zhì)量矩陣的結(jié)果更好；對(duì)于移動(dòng)的裂紋,采用裂紋尖端加密的網(wǎng)格時(shí),這兩種質(zhì)量矩陣得到的結(jié)果并沒有明顯的差別。利用有限單元法開發(fā)的動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展程序模擬了不同遮蔽寬度下玻璃破裂情形,對(duì)于首次破裂時(shí)間,數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。通過進(jìn)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(shí)間先減小后增加這一現(xiàn)象。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O346.1

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本文編號(hào)：1966060