PVB夾層玻璃裂紋擴(kuò)展的參數(shù)化實(shí)驗(yàn)研究*

陳晶晶，許 駿，劉博涵，孫岳霆，徐曉慶，李一兵

(清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

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2015042

PVB夾層玻璃裂紋擴(kuò)展的參數(shù)化實(shí)驗(yàn)研究*

陳晶晶，許 駿，劉博涵，孫岳霆，徐曉慶，李一兵

(清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

為對風(fēng)窗玻璃安全設(shè)計(jì)提供依據(jù)，利用落錘實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)合高速攝影裝置對PVB夾層玻璃板進(jìn)行面外沖擊實(shí)驗(yàn)，記錄裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過程，并根據(jù)裂紋擴(kuò)展速度與加速度曲線來研究裂紋的擴(kuò)展行為。接著在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了參數(shù)化實(shí)驗(yàn)，研究沖擊能量和PVB薄膜厚度對裂紋擴(kuò)展特性的影響。最后，基于大量的參數(shù)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用概率統(tǒng)計(jì)方法對裂紋的宏觀形態(tài)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，玻璃裂紋擴(kuò)展的速度、加速度和環(huán)形裂紋出現(xiàn)的頻度皆與PVB薄膜厚度和沖擊能量有顯著的相關(guān)性。

PVB夾層玻璃；裂紋擴(kuò)展；參數(shù)化實(shí)驗(yàn)；沖擊能量；夾層厚度

前言

在人車碰撞事故中，汽車風(fēng)窗玻璃是行人主要致傷源之一[1-2]。沖擊產(chǎn)生的玻璃裂紋蘊(yùn)含了豐富的信息：既可以據(jù)此分析風(fēng)窗玻璃的力學(xué)特性，從而對風(fēng)窗玻璃的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，還可分析碰撞信息，將其應(yīng)用于事故重現(xiàn)[3]。因此，研究風(fēng)窗玻璃在受沖擊條件下的裂紋擴(kuò)展特點(diǎn)非常必要。關(guān)于PVB夾層玻璃動(dòng)態(tài)斷裂的傳統(tǒng)研究方法主要局限于數(shù)值模擬方面[4-8]。文獻(xiàn)[9]中利用傳統(tǒng)有限元的方法研究了風(fēng)窗玻璃受頭部沖擊后的裂紋起裂，并進(jìn)行了相應(yīng)的參數(shù)化分析。而文獻(xiàn)[6]中則利用擴(kuò)展有限元的方法成功地模擬了風(fēng)窗玻璃輻射裂紋與環(huán)形裂紋的擴(kuò)展過程，并通過改變沖擊速度和沖擊物質(zhì)量等參數(shù)來觀察裂紋擴(kuò)展的變化規(guī)律。然而，對于PVB夾層玻璃動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究卻很少。

近幾年來，對復(fù)合材料裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究已逐漸成為熱點(diǎn)[10-20]。文獻(xiàn)[11]中利用焦散線方法結(jié)合高速攝影對PMMA(有機(jī)玻璃)進(jìn)行了單條裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展研究，捕捉了裂紋的加減速狀態(tài)，同時(shí)測量出裂尖的應(yīng)力強(qiáng)度因子，并找到其與裂紋擴(kuò)展速度的關(guān)系。文獻(xiàn)[17]中利用PMMA板研究了兩條平行裂紋的動(dòng)態(tài)傳播規(guī)律。實(shí)驗(yàn)同時(shí)記錄了裂尖的傳播軌跡和動(dòng)態(tài)焦散斑，觀察到了裂紋的起裂和擴(kuò)展行為。高速攝影已經(jīng)成為動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展研究的有效手段之一。

因此，本文中利用高速攝影研究了汽車PVB夾層玻璃在不同沖擊能量和不同夾層厚度下I型裂紋的傳播規(guī)律，并利用概率統(tǒng)計(jì)方法對裂紋的宏觀形態(tài)進(jìn)行研究，為進(jìn)一步研究夾層材料平面內(nèi)裂紋傳播機(jī)理研究提供了必要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為風(fēng)窗玻璃安全設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)

1.1 試件制備

試件制備過程基本上與汽車風(fēng)窗玻璃制備過程相同，即在10個(gè)大氣壓、120℃條件下進(jìn)行夾層玻璃與薄膜的壓合[20]。試件平面尺寸為200mm×150mm。該層合板是由一層PVB中間層(彈性模量Ep=0.1GPa，瞬態(tài)剪切模量G0=0.33GPa，永久剪切模量G=0.69MPa，體積模量K=20GPa，泊松比νp=0.49，密度ρp=1 100kg/m3，衰減因子β=12.6s-1[20-21])和兩面的厚2mm的普通玻璃層(彈性模量Eg=70GPa，泊松比νg=0.22，密度ρg=2 500kg/m3[20])構(gòu)成。在參數(shù)化實(shí)驗(yàn)研究中，PVB中間層的厚度在0.38～3.04mm的范圍內(nèi)變化(對于一般的乘用車來說，PVB薄膜的厚度為0.76mm)。玻璃是一種典型的線彈性脆性材料，其斷裂應(yīng)變大約為0.1%[22]，而PVB薄膜是一種黏彈性材料，在受到拉伸的過程中會(huì)產(chǎn)生較大的變形。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)能使夾層材料受到?jīng)_擊時(shí)通過PVB中間層的大變形來耗散大部分能量而達(dá)到保護(hù)車內(nèi)乘員和行人的目的[23]。

試件固定在兩個(gè)金屬固定框中，為避免可能的劃痕和邊界應(yīng)力集中，框內(nèi)墊有橡膠襯墊。試件垂直于實(shí)驗(yàn)臺(tái)放置，由6個(gè)直徑為10mm的螺桿固定。經(jīng)前期實(shí)驗(yàn)，確定螺母的擰緊力矩設(shè)定為4N·m。同時(shí)，采用一個(gè)沖擊轉(zhuǎn)換桿來將垂直方向的沖擊力轉(zhuǎn)化為水平方向，以便為試件提供一個(gè)垂直于平面的動(dòng)態(tài)沖擊力。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1示出落錘實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，落錘的最大高度約為1 000mm。實(shí)驗(yàn)過程中，將一個(gè)2kg的落錘放置在一定的高度，然后將其釋放，由此產(chǎn)生一定的沖擊能量。落錘高度在300～900mm的范圍內(nèi)變化。沖擊轉(zhuǎn)換桿末端裝有一沖擊頭，沖擊頭可設(shè)計(jì)成不同的形狀，本研究中僅采用半球形沖擊頭。

本研究采用高速攝影系統(tǒng)來實(shí)時(shí)記錄動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展過程。整個(gè)系統(tǒng)由高壓充電控制器、多火花式放電系統(tǒng)、兩個(gè)場透鏡和4×4的相機(jī)方陣組成。多火花式放電系統(tǒng)提供了16個(gè)獨(dú)立的火花塞，它們由高壓充電控制器來觸發(fā)，并按照設(shè)定的時(shí)間間隔點(diǎn)火，充電電壓可達(dá)到30kV。同時(shí)，與16個(gè)火花塞一一對應(yīng)的4×4相機(jī)方陣接收到光信號(hào)，從而記錄下裂紋的圖像信息。為確保膠片上記錄下來的圖像按照點(diǎn)火順序排列，采用了兩個(gè)場透鏡來設(shè)計(jì)光路。此外，還引入了延遲控制器來控制每個(gè)火花塞之間的點(diǎn)火間隔。延遲器的時(shí)間間隔可在1～9 999μs的范圍內(nèi)變化，足以保證目前的實(shí)驗(yàn)要求。為記錄每個(gè)火花塞的實(shí)際點(diǎn)火時(shí)間，采用光電傳感器結(jié)合示波器的方法來接收光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)顯示在示波器中。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)過標(biāo)定，并將標(biāo)定結(jié)果與文獻(xiàn)[24]和文獻(xiàn)[25]進(jìn)行對比。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)前，落錘通過電磁鐵被懸掛在導(dǎo)桿上方的某一特定高度，當(dāng)落錘沿導(dǎo)桿滑落并與沖擊轉(zhuǎn)換桿接觸，觸發(fā)信號(hào)首先作用于延遲控制器，使16個(gè)火花塞按順序依次點(diǎn)火。之后，示波器記錄下光電傳感器傳出的16個(gè)光電信號(hào)，與此同時(shí)，照相機(jī)捕捉下了16幅裂紋圖像。

2 動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展過程捕捉

3 參數(shù)化實(shí)驗(yàn)研究

3.1 不同沖擊能量的裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)

在PVB薄膜厚度為0.76mm的實(shí)驗(yàn)條件下，通過改變落錘的下落高度，研究不同沖擊能量對玻璃裂紋擴(kuò)展特性的影響。本研究采用了5種不同的落錘高度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即500、600、700、800和900mm，對應(yīng)的沖擊能量分別為9.8、11.76、13.72、15.68和17.64J。圖3展示了典型的輻射裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展行為。玻璃輻射裂紋的動(dòng)態(tài)傳播過程大致可分為3個(gè)階段。第1階段為上升階段(即0～t1時(shí)刻)，此階段內(nèi)，曲線斜率由零時(shí)刻的最大值逐漸減至約為0.01，在短時(shí)間內(nèi)，玻璃裂紋的擴(kuò)展速度由零開始迅速上升，能量急劇釋放，直至達(dá)到頂峰；第2階段為平穩(wěn)階段(即t1～t2時(shí)刻)，曲線斜率約從0.01逐漸減小至-0.01，此時(shí)能量的釋放進(jìn)入穩(wěn)定期，裂紋擴(kuò)展速度升至最高值vmax，并在最高值附近維持較短的時(shí)間，此后裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)入下一個(gè)階段；第3階段為下降階段(即t2時(shí)刻至結(jié)束)，此時(shí)大部分能量已經(jīng)釋放完畢，裂紋擴(kuò)展速度呈現(xiàn)下降趨勢，隨之逐步趨于穩(wěn)定，直至裂紋擴(kuò)展完全。

而后，又將5種沖擊能量下分別得到的裂紋擴(kuò)展速度-時(shí)間曲線進(jìn)行比較，如圖4所示，可知不同落錘釋放高度(即不同沖擊能量)，對動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展的特性有著顯著的影響：(1)能量釋放所需的時(shí)間：落錘釋放高度越高，即沖擊能量越大，整個(gè)裂紋擴(kuò)展過程所需的時(shí)間也越短，即能量釋放的越快；(2)上升期的長短：落錘釋放高度越高，即沖擊能量越大，裂紋擴(kuò)展速度升至最高值所需的時(shí)間越短；(3)峰值的大?。郝溴N釋放高度越高，即沖擊能量越大，裂紋擴(kuò)展速度所能達(dá)到的最大值越大；(4)穩(wěn)定期的長短：落錘釋放高度越高，即沖擊能量越大，裂紋擴(kuò)展速度在最高值附近的持續(xù)時(shí)間越短。總的來說，落錘釋放高度越低，裂紋擴(kuò)展的過程越趨于平穩(wěn)，所需時(shí)間越長。

再將5種沖擊能量下分別得到的裂紋擴(kuò)展加速度-時(shí)間曲線進(jìn)行比較，如圖5所示。裂紋擴(kuò)展的加速度在裂紋起裂的時(shí)刻為最大，隨之在短時(shí)間內(nèi)迅速減小，最后加速度值經(jīng)由零點(diǎn)而變?yōu)樨?fù)值。不同的落錘釋放高度即不同的沖擊能量，對加速度變化趨勢有著顯著的影響：(1)起始加速度：落錘釋放高度越高，沖擊能量越大，裂紋擴(kuò)展的起始加速度越大；(2)加速度：落錘釋放高度越高，沖擊能量越大，曲線越“陡峭”，即裂紋擴(kuò)展起始階段的加速趨勢越明顯。總之，落錘釋放高度越低，加速度變化越不明顯。

3.2 不同PVB薄膜厚度的裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)

在落錘下落高度為700mm的實(shí)驗(yàn)條件下，通過改變PVB薄膜的厚度(分別采用0.38、0.76和1.52mm 3種薄膜厚度)，研究不同PVB薄膜厚度對玻璃裂紋擴(kuò)展特性的影響。將3種PVB薄膜厚度的試件分別得到的裂紋擴(kuò)展速度-時(shí)間曲線進(jìn)行比較，如圖6所示。由圖6可知，改變PVB薄膜厚度之后，玻璃裂紋的動(dòng)態(tài)傳播過程與常用的0.76mm試件并無明顯差別。而不同的PVB薄膜厚度，對動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展的特性有著顯著的影響：(1)能量釋放所需的時(shí)間：PVB薄膜厚度越大，整個(gè)裂紋擴(kuò)展過程所需的時(shí)間也越長；(2)上升期的長短：PVB薄膜厚度越小，裂紋擴(kuò)展速度升至最高值所需的時(shí)間越短；(3)峰值的大?。篜VB薄膜厚度越大，裂紋擴(kuò)展速度所能達(dá)到的最大值越小，即玻璃試件的吸能特性越好?？偟膩碚f，PVB薄膜厚度越大，試件的吸能特性越強(qiáng)，裂紋擴(kuò)展的過程越趨于平穩(wěn)，所需時(shí)間越長。

再將5種PVB薄膜厚度下分別得到的裂紋擴(kuò)展加速度-時(shí)間曲線進(jìn)行比較，如圖7所示。裂紋擴(kuò)展的加速度在裂紋起裂的時(shí)刻為最大，隨之在短時(shí)間內(nèi)迅速減小，最后加速度值經(jīng)由零點(diǎn)變?yōu)樨?fù)值。不同的PVB薄膜厚度，對加速度變化趨勢有著顯著的影響：(1)起始加速度：PVB薄膜厚度越小，裂紋擴(kuò)展的起始加速度越大；(2)加速度：PVB薄膜厚度越小，曲線越“陡峭”，即裂紋擴(kuò)展起始階段的加速趨勢越明顯，同時(shí)，其后期的減速度也明顯高于PVB薄膜厚度大的試件?？傊?，PVB薄膜厚度越大，加速度變化越平緩。

3.3 裂紋形態(tài)特征的概率統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)

為從宏觀形態(tài)的角度進(jìn)一步研究PVB夾層玻璃的裂紋特性，在落錘下落高度為300mm的實(shí)驗(yàn)條件下，通過改變PVB薄膜的厚度(分別為0.38、0.76、1.52和3.04mm)，研究不同PVB薄膜厚度對玻璃裂紋宏觀形態(tài)的影響。同時(shí)，又在PVB薄膜厚度為0.76mm的實(shí)驗(yàn)條件下，通過改變落錘的下落高度(分別為300、500、700和900mm)，研究不同沖擊能量對玻璃裂紋宏觀形態(tài)的影響。為獲得有效的統(tǒng)計(jì)信息，對相同條件下的實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行100組。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，共存在3種裂紋形態(tài)，即細(xì)密型輻射狀裂紋、倒刺型輻射狀裂紋和環(huán)形裂紋，如圖8所示。由圖可見：細(xì)密型輻射狀裂紋的特點(diǎn)是分布較為密集，裂紋以受沖擊點(diǎn)為中心向四周輻射；相比之下，倒刺型輻射狀裂紋則分布比較稀疏，且裂紋在擴(kuò)展路徑上存在形如倒刺的微小裂紋；而環(huán)形裂紋則是以沖擊中心為圓心的圓形。所有試件也可對應(yīng)地分為3類。

以圖8中3種類型的試件作為總體，對環(huán)形裂紋出現(xiàn)頻度進(jìn)行參數(shù)化統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1和表2。由表中數(shù)據(jù)可以看出，在落錘質(zhì)量為2kg，PVB膜厚為0.76mm的條件下，300mm落錘高度是一個(gè)臨界點(diǎn)hg，當(dāng)落錘高度h

表1 環(huán)形裂紋出現(xiàn)頻度統(tǒng)計(jì)(PVB薄膜厚度0.76mm)

表2 環(huán)形裂紋出現(xiàn)頻度統(tǒng)計(jì)(落錘高度300mm)

由統(tǒng)計(jì)分析得知，產(chǎn)生倒刺型裂紋的試件上一定會(huì)伴隨環(huán)形裂紋的出現(xiàn)，因此又以圖8(a)和圖8(c)兩種類型的試件作為總體，對倒刺裂紋的出現(xiàn)概率進(jìn)行了參數(shù)化統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3和表4。由表中數(shù)據(jù)可以看出，倒刺型輻射狀裂紋出現(xiàn)頻度隨落錘高度增大而增大，但變化趨勢越來越緩慢。由于落錘高度越高，沖擊能量越大，導(dǎo)致裂紋傳播的不穩(wěn)定性上升，從而主裂紋在傳播的過程中更容易通過長出細(xì)小的旁支來達(dá)到迅速釋放能量的目的，因此倒刺型裂紋出現(xiàn)的概率增加。然而，倒刺型裂紋的出現(xiàn)頻度并未隨著薄膜厚度的增大而增加。

表3 倒刺裂紋出現(xiàn)頻度統(tǒng)計(jì)(PVB薄膜厚度0.76mm)

表4 倒刺裂紋出現(xiàn)頻度統(tǒng)計(jì)(落錘高度300mm)

4 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)上測定在特定沖擊條件下的裂紋在PVB夾層玻璃中的擴(kuò)展速度，并參數(shù)化研究了PVB夾層玻璃在不同沖擊能量和不同薄膜厚度下動(dòng)態(tài)裂紋的傳播行為及規(guī)律。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于概率統(tǒng)計(jì)方法的參數(shù)化實(shí)驗(yàn)研究。研究表明，玻璃裂紋擴(kuò)展的速度、加速度以及環(huán)形裂紋出現(xiàn)的頻度都與PVB薄膜的厚度有著顯著的相關(guān)性，說明在風(fēng)窗玻璃的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，PVB夾層的厚度應(yīng)該作為一項(xiàng)重要的考量指標(biāo)。同時(shí)，裂紋產(chǎn)生的宏觀形狀與沖擊條件具有顯著相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為后續(xù)理論研究提供了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并為汽車風(fēng)窗玻璃安全設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

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Parametric Experimental Study on the Crack Propagation of PVB Laminated Glass

Chen Jingjing, Xu Jun, Liu Bohan, Sun Yueting, Xu Xiaoqing & Li Yibing

TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafety&Energy,Beijing100084

For providing a basis for the safety design of windscreen glass, an out-plane impact test of PVB laminated glass panel is conducted on a drop-weight tester with a high-speed photography device.The dynamic process of crack growth is recoded and crack growth behavior is studied according to the velocity and acceleration curves of crack propagation obtained.Then on these bases, parametric experiments are performed to investigate the effects of impact energy and PVB film thickness on the characteristics of crack propagation.Finally, based on a great number of parametric experiment data, the macroscopic patterns of cracks are studied with probabilistic method.The results show that the growth velocity and acceleration of glass cracks and the occurrence frequentness of ring-shaped cracks all have significant correlation with impact energy and the thickness of PVB film.

PVB laminated glass; crack propagation; parametric experiment; impact energy; laminate thickness

*國家自然科學(xué)基金(11102099)資助。

原稿收到日期為2013年4月26日，修改稿收到日期為2013年6月2日。