夹层玻璃破坏过程的探讨与分析

打开文本图片集

摘 要：为了研究夹层玻璃在聚能装药作用下的破坏效应，借助ANSYS LS-DYNA仿真模拟软件，采用Lagrange和ALE流固耦合方法进行了数值仿真研究。玻璃材料采用JH-2模型，并施加最大主应力失效准则。结果表明，不同冲击能量作用下夹层玻璃失效破坏存在着一定的规律：玻璃失效破坏的长度、速度等参数随着冲击能量增加呈现增长趋势。

关键词：聚能装药；冲击能量；失效破坏

进入21世纪以来，公交等各类汽车的劫持事件频繁发生。一旦恐怖分子进入车内劫持人质，公交就成了最好的掩体，给解救工作带来极大的困难。采用聚能装药技术研制玻璃爆炸切割装置已成必然。随着人们对安全的重视和科技的快速发展，夹层玻璃在多数车型上得到越来越多的应用[ 1 ]。国内外学者对不同种类的夹层玻璃进行了大量的实验和仿真模拟研究。陈晶晶等采用传统的有限元法对低速冲击下夹层玻璃的损伤裂变和失效行为进行了初步的研究[ 2，3 ]。高伟等模拟了材料的破坏、裂纹的产生及传播，真实反映脆性材料的破坏及能量释放[ 4 ]。文章借助ANSYS/LS-DYNA程序探讨和分析了夹层玻璃在聚能装药作用下的破坏规律，对爆炸切割装置的设计提供了相应的指导。

1 材料方程和参数的选取

夹层玻璃由外层玻璃、PVB薄膜和内层玻璃三部分组成。对两层玻璃材料施加主应力失效准则，应力大小为84MPa。其主要的力学参数为：弹性模量Eg=72GPa，泊松比νg=0.22，密度ρg=2530 kg·m-3。

PVB薄膜是一种线性粘弹性材料体，其主要的力学参数为：弹性模量Eg=0.1GPa，泊松比νg=0.49，密度ρg=1100kg·m3，瞬态剪切模量G0=0.33GPa，永久剪切模量G∞=0.69MPa。

外层玻璃和内层玻璃的材料参数如表1所示，PVB薄膜的材料参数如表2所示。

2 数值模拟过程及分析

2.1 玻璃失效过程展示

在LSPP后处理中，通过将失效单元重新显示可以清晰地观察到玻璃的失效破坏区域变化。失效破坏的整个过程如图1所示。分别定义玻璃表面失效的两个参数：长L和宽W，玻璃失效破坏的长度H=（L+W）/2。以4μs为基准单位，记录100μs失效破坏过程中的25组数据，并采用B样条插值法对记录的数据进行平滑处理。

2.2 数据记录及分析

由图2玻璃材料的失效破坏长度-时间曲线所示，破坏过程有如下几个特点：

1）冲击能量越大，玻璃最后失效破坏长度相对越长；

2）整个过程基本可以分为玻璃失效破坏长度加速增加，平稳增加和趋近于0三个阶段；

3）玻璃中间区域失效破坏过程基本在70～100μs之间结束，并随着冲击能量增加结束时间随之延后。

由图3的速度曲线可知：

1）整个冲击过程速度时间曲线可分为三个阶段：速度上升阶段（0～24μs之间），速度下降阶段（24～70μs之间），冲击过程结束阶段（70～100μs之间）；

2）冲击能量越大，速度上升阶段持续时间越长，且所能达到的速度峰值越大；

3）速度下降阶段存在着第二峰值，当冲击能量越大，速度第二峰值越大。

3 结论

采用数值模拟方法对比分析了不同冲击能量作用下夹层玻璃中心区域失效破坏的长度、速度等参数。研究表明，玻璃中心区域的破坏过程与冲击能量有着显著的关系，随着冲击能量的增加，夹层玻璃中心失效区域显著增大，玻璃失效破坏的长度、速度等参数随着冲击能量增加呈现增长趋势。研究结果为爆炸切割装置的设计提供了一定的理论基础。

参考文献：

[1] 孟欣，王娜，白云峰.浅谈汽车玻璃发展趋势[J].玻璃，2015，（1）：39-43.

[2] 陈晶晶，许俊，刘博涵等.PVB夹层玻璃裂纹扩展的参数化实验研究[J].汽车工程，2015，37（2）：235-240.

[3] 陶志雄，张其林，陈俊等.夹层玻璃PVB胶片抗剪性能试验研究[J].结构工程师，2011，27（1）：134-138.

[4] 高伟.汽车玻璃冲击破坏现象的离散元/有限元耦合仿真方法研究[D].广州：华南理工大学，2013：99-103.

作者简介：张少华（1990-），男，硕士研究生，从事聚能装药应用技术研究。