夾層玻璃破壞過(guò)程的探討與分析

摘 要：為了研究夾層玻璃在聚能裝藥作用下的破壞效應(yīng)，借助ANSYS LS-DYNA仿真模擬軟件，采用Lagrange和ALE流固耦合方法進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。玻璃材料采用JH-2模型，并施加最大主應(yīng)力失效準(zhǔn)則。結(jié)果表明，不同沖擊能量作用下夾層玻璃失效破壞存在著一定的規(guī)律：玻璃失效破壞的長(zhǎng)度、速度等參數(shù)隨著沖擊能量增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：聚能裝藥；沖擊能量；失效破壞

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，公交等各類汽車的劫持事件頻繁發(fā)生。一旦恐怖分子進(jìn)入車內(nèi)劫持人質(zhì)，公交就成了最好的掩體，給解救工作帶來(lái)極大的困難。采用聚能裝藥技術(shù)研制玻璃爆炸切割裝置已成必然。隨著人們對(duì)安全的重視和科技的快速發(fā)展，夾層玻璃在多數(shù)車型上得到越來(lái)越多的應(yīng)用[ 1 ]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同種類的夾層玻璃進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和仿真模擬研究。陳晶晶等采用傳統(tǒng)的有限元法對(duì)低速?zèng)_擊下夾層玻璃的損傷裂變和失效行為進(jìn)行了初步的研究[ 2，3 ]。高偉等模擬了材料的破壞、裂紋的產(chǎn)生及傳播，真實(shí)反映脆性材料的破壞及能量釋放[ 4 ]。文章借助ANSYS/LS-DYNA程序探討和分析了夾層玻璃在聚能裝藥作用下的破壞規(guī)律，對(duì)爆炸切割裝置的設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的指導(dǎo)。

1 材料方程和參數(shù)的選取

夾層玻璃由外層玻璃、PVB薄膜和內(nèi)層玻璃三部分組成。對(duì)兩層玻璃材料施加主應(yīng)力失效準(zhǔn)則，應(yīng)力大小為84MPa。其主要的力學(xué)參數(shù)為：彈性模量Eg=72GPa，泊松比νg=0.22，密度ρg=2530 kg·m-3。

PVB薄膜是一種線性粘彈性材料體，其主要的力學(xué)參數(shù)為：彈性模量Eg=0.1GPa，泊松比νg=0.49，密度ρg=1100kg·m3，瞬態(tài)剪切模量G0=0.33GPa，永久剪切模量G∞=0.69MPa。

外層玻璃和內(nèi)層玻璃的材料參數(shù)如表1所示，PVB薄膜的材料參數(shù)如表2所示。

2 數(shù)值模擬過(guò)程及分析

2.1 玻璃失效過(guò)程展示

在LSPP后處理中，通過(guò)將失效單元重新顯示可以清晰地觀察到玻璃的失效破壞區(qū)域變化。失效破壞的整個(gè)過(guò)程如圖1所示。分別定義玻璃表面失效的兩個(gè)參數(shù)：長(zhǎng)L和寬W，玻璃失效破壞的長(zhǎng)度H=（L+W）/2。以4μs為基準(zhǔn)單位，記錄100μs失效破壞過(guò)程中的25組數(shù)據(jù)，并采用B樣條插值法對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。

2.2 數(shù)據(jù)記錄及分析

由圖2玻璃材料的失效破壞長(zhǎng)度-時(shí)間曲線所示，破壞過(guò)程有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）沖擊能量越大，玻璃最后失效破壞長(zhǎng)度相對(duì)越長(zhǎng)；

2）整個(gè)過(guò)程基本可以分為玻璃失效破壞長(zhǎng)度加速增加，平穩(wěn)增加和趨近于0三個(gè)階段；

3）玻璃中間區(qū)域失效破壞過(guò)程基本在70～100μs之間結(jié)束，并隨著沖擊能量增加結(jié)束時(shí)間隨之延后。

由圖3的速度曲線可知：

1）整個(gè)沖擊過(guò)程速度時(shí)間曲線可分為三個(gè)階段：速度上升階段（0～24μs之間），速度下降階段（24～70μs之間），沖擊過(guò)程結(jié)束階段（70～100μs之間）；

2）沖擊能量越大，速度上升階段持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，且所能達(dá)到的速度峰值越大；

3）速度下降階段存在著第二峰值，當(dāng)沖擊能量越大，速度第二峰值越大。

3 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法對(duì)比分析了不同沖擊能量作用下夾層玻璃中心區(qū)域失效破壞的長(zhǎng)度、速度等參數(shù)。研究表明，玻璃中心區(qū)域的破壞過(guò)程與沖擊能量有著顯著的關(guān)系，隨著沖擊能量的增加，夾層玻璃中心失效區(qū)域顯著增大，玻璃失效破壞的長(zhǎng)度、速度等參數(shù)隨著沖擊能量增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。研究結(jié)果為爆炸切割裝置的設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟欣，王娜，白云峰.淺談汽車玻璃發(fā)展趨勢(shì)[J].玻璃，2015，（1）：39-43.

[2] 陳晶晶，許俊，劉博涵等.PVB夾層玻璃裂紋擴(kuò)展的參數(shù)化實(shí)驗(yàn)研究[J].汽車工程，2015，37（2）：235-240.

[3] 陶志雄，張其林，陳俊等.夾層玻璃PVB膠片抗剪性能試驗(yàn)研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2011，27（1）：134-138.

[4] 高偉.汽車玻璃沖擊破壞現(xiàn)象的離散元/有限元耦合仿真方法研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013：99-103.

作者簡(jiǎn)介：張少華（1990-），男，碩士研究生，從事聚能裝藥應(yīng)用技術(shù)研究。