夾層和珍珠母結構玻璃抗沖擊性能的數值模擬

摘 要：基于LS-DYNA軟件建立了木塊撞擊夾層玻璃的FEM模型，將模擬結果同試驗結果對比，驗證了材料本構模型和參數的準確性。在此基礎上，對等厚度的夾層結構和珍珠母結構的玻璃進行了數值模擬，發現該配置下的夾層結構背板單元刪除時間約為0.08μs，而珍珠母結構為0.12μs，說明珍珠母結構具有更好的抗沖擊性能。為了克服FEM無法直觀展現玻璃（脆性材料）受沖擊載荷作用發生破碎的近似形態，建立了FEM-SPH耦合數值模型，針對玻璃采用SPH離散，其他材料采用FEM離散，該耦合模型能較好地展示玻璃結構的破碎形態。文中還總結了一些重要關鍵字的使用要點，具有一定的指導意義。

關鍵詞：玻璃 耦合模型 抗沖擊性能 破碎形態

1 緒論

玻璃具有硬度高、透視透光性好的特點，廣泛應用于交通、建筑和安保行業。但是，玻璃是典型的高脆性材料，其抗拉能力遠低于抗壓縮能力，這使得單層玻璃在上述行業中無法直接使用。20世紀初，夾層玻璃被研制出來，夾層玻璃是由至少兩層的單層玻璃通過中間層聚合物黏合在一起，中間層通常是聚乙烯醇縮丁醛（PVB）或SentryGlas Plus（SGP）[1]。夾層玻璃比單層玻璃具有更好的抗沖擊能力，其應用領域日益廣泛。針對夾層玻璃抗沖擊性能的研究也得到了研究者的關注，他們得到了與夾層玻璃抗沖擊性能有關的因素，并總結了有關規律，以期更好地設計和開發用于不同場合的夾層結構玻璃，如探討了玻璃強度的合理取值以及中間夾層的類型對玻璃梁開裂后力學性能的影響[2]。盡管夾層玻璃廣泛使用在多領域中，但也面臨各種沖擊載荷的作用。研究人員針對各種場景下玻璃的破壞進行了較為全面的研究，為設計夾層玻璃的結構并預測其在沖擊載荷作用下的破壞提供了有力的理論依據和參考。但是，夾層玻璃的整體抗沖擊性能仍難以滿足日益復雜的使用場景，其裂紋的大量擴展和整體破壞的損傷模式是限制其抗沖擊性能的主要原因。因此，設計和開發新型的玻璃結構，改變其在沖擊載荷作用下的耗能機制和破壞模式是新的有益研究。

自然界中的珍珠母兼具優異的強度和韌性，其由體積分數為95%的硬質相和5%的軟質相組成，但是珍珠母的斷裂能比純硬質相高出三個數量級，這得益于其內部的“磚-泥”式多級分層結構，這種結構極大地增強了綜合力學性能[3]。筆者也對珍珠母結構能量耗散的機理開展過相關的研究[4]。因而，設計開發珍珠母結構的玻璃成為克服現有夾層玻璃力學性能不足的有效途徑。

本文建立了木塊撞擊夾層玻璃的有限元模型（FEM），并對等厚度的夾層結構和珍珠母結構玻璃進行了數值模擬，對相關重要關鍵字的使用進行了總結。同時，為了更加直觀地展示玻璃受木塊撞擊發生破碎的真實圖像，建立了有限元和光滑粒子流體動力學耦合數值模型（FEM-SPH）。

2 計算模型

2.1 有限元模型

為了驗證計算模型參數設置和模擬方法的準確性，基于LS-DYNA建立了與試驗相同配置的數值模型[5]，即采用木塊撞擊夾層玻璃，其幾何模型見圖1。其中，矩形木塊的尺寸為0.1*0.05*1.6m，夾層玻璃的面內尺寸為2*1.1m，玻璃的厚度為3mm，PVB的厚度為1.52mm。

圖2給出了珍珠母在掃描電鏡下觀察的圖像，它是具有“磚-泥”式的多層交錯結構。在文中的研究中，“磚”類比為玻璃片，“泥”則是PVB夾層，立方體玻璃片的面內尺寸為25mm，厚度為1.2mm，該尺寸設置符合珍珠母中真實的尺寸比例（珍珠母中硬質相的邊長和厚度比在通常在10-20左右），PVB夾層的厚度為0.4mm。

在FEM中，單元尺寸為5*5*3mm和5*5*1.52mm，對應的FEM-SPH耦合模型中，粒子尺寸也之保持一致，圖3給出了計算模型。

在FEM模型中，采用關鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK定義玻璃與PVB夾層間的接觸，采用帶侵蝕的面面接觸定義木塊與玻璃的接觸。在FEM-SPH耦合模型中，采用關鍵字*ERODING_NODES_TO_SURFACE定義木塊與玻璃、木塊與PVB夾層間的接觸。PVB夾層侵蝕破壞后的內部接觸采關鍵字*ERODING_SINGLE_SURFACE定義。

2.2 材料模型及參數

木塊的材料特性采用*MAT_ELASTIC模型來描述，玻璃采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS來描述其材料特性，PVB采用*MAT_STRAIN_RATE_DEPENDENT_PLASTICITY描述其材料特性。它們的材料參數分別見表1[5]、2[5]、3[5]。

3 計算結果分析

圖4給出了夾層結構玻璃受木塊撞擊的數值模擬結果和試驗結果。可見，兩者均被穿透，其變形形態也較為吻合，表明了計算方法和參數的設置基本正確。

圖5給出了等厚度的夾層結構玻璃和珍珠母結構玻璃背面單元刪除的發生時間。可見，夾層結構玻璃背面單元達到侵蝕條件首次刪除的時間是0.08μs，而珍珠母結構玻璃則是0.5μs。由此說明應力傳至珍珠母結構的背面時間更長，意味著珍珠母結構比夾層結構具有更好的耗能能力，即其抗沖擊能力更佳。此外，觀察發現夾層結構玻璃背面首次發生單元刪除的數量少于珍珠母結構玻璃，這說明沖擊能在夾層結構中的傳播較為集中，而在珍珠母結構中的傳播范圍更廣，能量耗散區域更大。這是因為珍珠母的多層交錯結構使得玻璃片之間具有互鎖作用，應力的方向在傳播過程中發生偏轉，因此其能量耗散更快、區域也更廣。

圖6給出了采用FEM和FEM-SPH耦合計算方法的夾層結構玻璃穿透的圖像。在FEM-SPH耦合模型中，玻璃采用SPH粒子離散，在撞擊過程中，單元會被侵蝕刪除，而粒子不會被刪除。因此，耦合數值模型能更加清楚地模擬玻璃發生破碎的真實情景。

4 結論

基于LS-DYNA開展了夾層結構和珍珠母結構玻璃受木塊撞擊的數值模擬，對比了兩種結構的抗沖擊能力和建模技術對結果的影響，總結了數值模擬中一些重要關鍵字的使用要點，得出以下結論。

（1）珍珠母“磚-泥”多層交錯結構在受沖擊載荷作用發生變形時具有互鎖作用，會耗散更多的能量，因此比夾層結構具有更好的抗沖擊能力。

（2）本文的研究對象—玻璃，是典型的脆性材料，采用FEM模擬時需添加侵蝕準則，當達到侵蝕條件單元消失后，無法直觀再現破碎的形態，因此在脆性材料的模擬研究中，可采用SPH進行離散。

（3）數值模擬對金屬材料、陶瓷材料等的模擬較好，相關本構模型和材料參數也較為完整，但在有彈性材料的數值模型中應考慮閥剛度因子的調整，同時，在定義曲線的時侯要注意坐標原點通常不需輸入，還應特別注意定義點面接觸時主面通常是SPH粒子，從面定義為單元。此外，在模擬穿透問題時，還需合理設置輸出文件的時間。

基金項目：江西交通職業技術學院科學技術重點項目2022KJ02。

參考文獻：

[1]劉炘煒，楊健，王星爾，等.沖擊致損的夾層玻璃板開裂后的靜載強度[J].上海交通大學學報，2020，54（03）：227-238.

[2]劉強，黃小坤，韓偉濤，等.夾層玻璃梁受彎性能研究[J].建筑科學，2018，34（05）：44-49.

[3]袁權.珍珠母多級微納米結構的強韌機理[D].重慶：重慶大學，2013.

[4]吳和成，肖毅華.陶瓷和仿珍珠母陶瓷/聚脲復合結構的沖擊損傷對比[J].高壓物理學報，2020，34（02）：75-81.

[5]Zhang X H，Hao H，Ma G W. Laboratory test and numerical simulation of laminated glass window vulnerability to debris impact[J].International Journal of Impact Engineering，2013，55：49-62.