夾層玻璃破壞過程的探討與分析

摘 要：為了研究夾層玻璃在聚能裝藥作用下的破壞效應，借助ANSYS LS-DYNA仿真模擬軟件，采用Lagrange和ALE流固耦合方法進行了數值仿真研究。玻璃材料采用JH-2模型，并施加最大主應力失效準則。結果表明，不同沖擊能量作用下夾層玻璃失效破壞存在著一定的規律：玻璃失效破壞的長度、速度等參數隨著沖擊能量增加呈現增長趨勢。

關鍵詞：聚能裝藥；沖擊能量；失效破壞

進入21世紀以來，公交等各類汽車的劫持事件頻繁發生。一旦恐怖分子進入車內劫持人質，公交就成了最好的掩體，給解救工作帶來極大的困難。采用聚能裝藥技術研制玻璃爆炸切割裝置已成必然。隨著人們對安全的重視和科技的快速發展，夾層玻璃在多數車型上得到越來越多的應用[ 1 ]。國內外學者對不同種類的夾層玻璃進行了大量的實驗和仿真模擬研究。陳晶晶等采用傳統的有限元法對低速沖擊下夾層玻璃的損傷裂變和失效行為進行了初步的研究[ 2，3 ]。高偉等模擬了材料的破壞、裂紋的產生及傳播，真實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律，對爆炸切割裝置的設計提供了相應的指導。

1 材料方程和參數的選取

夾層玻璃由外層玻璃、PVB薄膜和內層玻璃三部分組成。對兩層玻璃材料施加主應力失效準則，應力大小為84MPa。其主要的力學參數為：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，其主要的力學參數為：彈性模量Eg=0.1GPa，泊松比νg=0.49，密度ρg=1100kg·m3，瞬態剪切模量G0=0.33GPa，永久剪切模量G∞=0.69MPa。

外層玻璃和內層玻璃的材料參數如表1所示，PVB薄膜的材料參數如表2所示。

2 數值模擬過程及分析

2.1 玻璃失效過程展示

在LSPP后處理中，通過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域變化。失效破壞的整個過程如圖1所示。分別定義玻璃表面失效的兩個參數：長L和寬W，玻璃失效破壞的長度H=（L+W）/2。以4μs為基準單位，記錄100μs失效破壞過程中的25組數據，并采用B樣條插值法對記錄的數據進行平滑處理。

2.2 數據記錄及分析

由圖2玻璃材料的失效破壞長度-時間曲線所示，破壞過程有如下幾個特點：

1）沖擊能量越大，玻璃最后失效破壞長度相對越長；

2）整個過程基本可以分為玻璃失效破壞長度加速增加，平穩增加和趨近于0三個階段；

3）玻璃中間區域失效破壞過程基本在70～100μs之間結束，并隨著沖擊能量增加結束時間隨之延后。

由圖3的速度曲線可知：

1）整個沖擊過程速度時間曲線可分為三個階段：速度上升階段（0～24μs之間），速度下降階段（24～70μs之間），沖擊過程結束階段（70～100μs之間）；

2）沖擊能量越大，速度上升階段持續時間越長，且所能達到的速度峰值越大；

3）速度下降階段存在著第二峰值，當沖擊能量越大，速度第二峰值越大。

3 結論

采用數值模擬方法對比分析了不同沖擊能量作用下夾層玻璃中心區域失效破壞的長度、速度等參數。研究表明，玻璃中心區域的破壞過程與沖擊能量有著顯著的關系，隨著沖擊能量的增加，夾層玻璃中心失效區域顯著增大，玻璃失效破壞的長度、速度等參數隨著沖擊能量增加呈現增長趨勢。研究結果為爆炸切割裝置的設計提供了一定的理論基礎。

參考文獻：

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

[2] 陳晶晶，許俊，劉博涵等.PVB夾層玻璃裂紋擴展的參數化實驗研究[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膠片抗剪性能試驗研究[J].結構工程師，2011，27（1）：134-138.

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

作者簡介：張少華（1990-），男，碩士研究生，從事聚能裝藥應用技術研究。