PVB夾層玻璃的失效擴展

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(中北大學化工與環(huán)境學院，山西 太原 030051)

PVB夾層玻璃的失效擴展

茍瑞君，張少華

(中北大學化工與環(huán)境學院，山西太原030051)

本文為探討聚乙烯醇縮丁醛(PVB)夾層玻璃斷裂失效的擴展規(guī)律，運用ANSYS/LS-DYNA軟件對夾層玻璃在聚能射流沖擊作用下的變化進行了仿真研究，分析了玻璃厚度對斷裂破壞效果及PVB薄膜厚度對失效擴展特性的影響。結果表明：沖擊作用下玻璃厚度對夾層玻璃斷裂破壞的影響較平緩。隨著PVB薄膜厚度的增加，玻璃試件的失效擴展特性(速度、起始加速度、后期減速度和穩(wěn)定加速度)減小，其吸能特性增強，斷裂失效的擴展過程趨于平緩。并從理論方面判定夾層玻璃在沖擊過程中的失效擴展速度主要取決于應力分量，且PVB粘彈性層具有較強的吸能作用。

斷裂破壞； LS-DYNA； 沖擊能量； 失效擴展

1 引 言

近年來汽車使用夾層玻璃得到了快速的發(fā)展[1]，同時，隨著國內(nèi)外反恐斗爭的復雜化和交通事故的頻繁發(fā)生，利用柔性聚能切割技術來研制汽車玻璃爆炸切割裝置有一定的必要。目前，主要的研究方向是針對不同結構的夾層玻璃的破壞形態(tài)和不同厚度的PVB粘彈性層對應力波傳播的影響及其吸能作用。

國內(nèi)外學者針對材料受沖擊問題進行了大量的研究。陳晶晶、劉博涵等[2-3]對PVB夾層玻璃板進行面外沖擊試驗并進行了相關的數(shù)據(jù)分析，得出了玻璃裂紋擴展與沖擊能量之間的定量關系。Xu Jun等[4]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。胡雪垚、謝仁婷等[5-6]采用數(shù)值模擬和試驗相結合的方式探討了復合材料薄板在高速彈丸沖擊下應力波的傳播過程和規(guī)律以及在水射流沖擊作用下輪胎橡膠的動態(tài)斷裂機理。李勝杰等[7]利用裂紋擴展的方法定性地分析了不同爆炸距離和不同TNT當量作用下夾層玻璃的裂紋擴展情況。由于有PVB粘彈性層的存在，夾層玻璃在受到?jīng)_擊作用時的應力波傳播規(guī)律和失效擴展機理尚不明確?；诖?，文中借助了ANSYS/LS-DYNA程序在線型切割器產(chǎn)生的聚能射流基礎上，通過對玻璃材料施加主應力失效準則，初步探討和分析了夾層玻璃在聚能裝藥作用下的應力波傳播規(guī)律和失效擴展過程。

2 材料方程和參數(shù)的選取

2.1材料

線型切割器是產(chǎn)生聚能射流的構件，其中外殼和藥型罩采用T2紫銅材料，炸藥采用裝藥密度小的黑索金[8]。

夾層玻璃由正面玻璃、PVB薄膜、背面玻璃三部分組成。正面玻璃和背面玻璃選用*MAT_JOHNSON_ HOLMQUIST_ CERAMICS模型(簡稱JH-2，LS-DYNA中110號材料)，為模擬出玻璃在破壞后的破碎現(xiàn)象，對兩層玻璃材料施加主應力失效準則，應力大小為84MPa。中間夾層的PVB薄膜是一種半透明線型粘彈性材料體，在模擬中采用*MAT_VISCOELASTIC模型(LS-DYNA中6號材料)。

2.2參數(shù)選擇與結構設計

正面玻璃和背面玻璃的材料參數(shù)如表1所示，PVB薄膜的材料參數(shù)如表2所示，結構示意圖見圖1。

表1 玻璃的材料參數(shù)

表2 PVB的材料參數(shù)

圖1 玻璃模型結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of glass model

3 有限元算法簡介

線型切割器和空氣部分算法參照文獻[9]。根據(jù)線型切割器的實際大小劃定，每個網(wǎng)格的尺寸最小為0.1mm[9]。對夾層玻璃整體采用六面體映射網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格的尺寸為0.3mm；當對沖擊荷載作用下的夾層玻璃進行力學分析時，需考慮夾層玻璃中間聚氨酯膠片或者PVB薄膜的粘結作用[10]，因此兩層玻璃和PVB薄膜之間的接觸算法可以采用帶有失效模式的*CONTACT_TIED_SURFACE_ TO_ SURFACE_FAILURE算法來描述玻璃與PVB薄膜之間的粘結性。模型整體構件具有對稱性，為提高運算效率減少計算，采用1/2三維結構建模，在對稱面上施加對稱約束，在夾層玻璃的其他三個面上施加全約束以進行玻璃簡支方式模擬，并在此基礎上施加透射邊界以消除應力波傳播過程中在邊界的反射影響。整個結構中線型切割器和空氣采用歐拉網(wǎng)格建模和多物質(zhì)ALE算法，夾層玻璃試件采用拉格朗日網(wǎng)格建模，通過流固耦合算法將兩者連接起來。

4 數(shù)值模擬過程及分析

4.1玻璃失效參數(shù)定義

以夾層玻璃結構中背面玻璃為研究對象，分析其在聚能射流作用下的斷裂破壞過程，如圖2所示。參照文獻[2]中的裂紋捕捉方法，分別定義玻璃表面斷裂失效的兩個參數(shù)：長L和寬W，定義玻璃斷裂破壞擴展速度v=(v1+v2)/2，其中v1為ΔT時間內(nèi)失效單元長度的增長量ΔL與ΔT之商，即v1=ΔL/ΔT；v2為寬度的增長量ΔW與ΔT之商，即v2=ΔW/ΔT。以4μs為一個間隔，記錄100μs失效破壞過程中的25組數(shù)據(jù)，并采用B樣條插值法對記錄的數(shù)據(jù)進行平滑處理。

4.2玻璃厚度的影響

選擇PVB薄膜厚度為0.76mm，玻璃層厚度分別為2.0mm，3.0mm，4.0mm，5.0mm，6.0mm五組不同的厚度搭配。記錄正面玻璃的最大應力為σ1，失效擴展的最大速度為υ1，最大加速度為a1；背面玻璃的最大應力為σ2，失效擴展最大速度為υ2，最大加速度為a2(各項參數(shù)均取正值)。以玻璃厚度為4mm時的夾層玻璃為基準試件，計算其他組玻璃試件與基準試件的差值，分別用Δσ，Δv，Δa以百分數(shù)的形式表示。圖3、圖4為玻璃參數(shù)的對比曲線示意圖，表3為玻璃不同厚度時的參數(shù)對比。

分析表3和圖3、圖4可知，線型切割器形成的聚能射流所產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過正面玻璃和中間PVB薄膜層作用到達背面玻璃時，在背面玻璃表面反射形成拉伸波，其造成的破壞程度要大于正面玻璃，從而造成錄入背面玻璃的各項參數(shù)值較大。從厚度方面來說，在沖擊能量一定的情況下，五種不同厚度的夾層玻璃其各項參數(shù)值(應力σ，速度v，加速度a)對比可以得到3點規(guī)律：(1)隨著玻璃厚度的增加，其最大應力值遵循先減小后增大的趨勢，且應力值曲線基本保持為一條直線，其差值百分數(shù)在11.5%以內(nèi)；(2)隨著玻璃厚度的增加，其斷裂破壞的最大速度和最大加速度均呈現(xiàn)先增加后減小，最后又趨于穩(wěn)定的規(guī)律；(3)玻璃厚度對斷裂破壞速度影響較小，差值均小于7.5%；對加速度影響較大，不同厚度的玻璃其斷裂破壞加速度差值最大可以達到30%以上。綜合來看，玻璃厚度對

圖3 玻璃層厚度不同時的應力和加速度對比曲線Fig.3 Correlation curve of stress and acceleration versus glass thickness

圖4 玻璃層厚度不同時的速度對比曲線Fig.4 Correlation curve of velocity versus glass thickness

表3 不同厚度夾層玻璃的參數(shù)對比

聚能射流作用下夾層玻璃的斷裂破壞影響較平緩，結合汽車實際用夾層玻璃，可選用玻璃厚度為4mm的試件作為研究對象。

4.3PVB薄膜厚度的影響

選擇玻璃厚度為4mm，PVB薄膜厚度分別為0.38mm，0.76mm，1.14mm和1.52mm進行研究。同時對模擬過程中夾層玻璃模型進行了簡化處理，主要包括以下兩方面：(1)對夾層玻璃邊界固定方式進行簡化處理，對邊界實行全約束進行簡支方式模擬；(2)以平板夾層玻璃為研究對象，暫不考慮具有一定弧度的汽車前風擋玻璃。

圖5 PVB薄膜厚度不同時的失效擴展速度-時間曲線Fig.5 Failure propagation velocity vs time curve of PVB of different film thickness

圖6 PVB薄膜厚度不同時失效擴展加速度-時間曲線Fig.6 Failure propagation acceleration vs time curve of PVB of different film thickness

玻璃斷裂失效擴展的速度-時間曲線和加速度-時間曲線如圖5和圖6所示。由圖可知：(1)整個擴展過程的分布：在射流沖擊作用下，玻璃斷裂失效擴展的過程大致可分為三個階段：速度快速上升階段(0～24μs)，速度下降階段(24～60μs)，速度平穩(wěn)上升至穩(wěn)定階段(60～90μs之間)；(2)速度上升階段的長短：在射流沖擊能量一定的情況下，PVB薄膜厚度越大，斷裂失效擴展的速度上升階段持續(xù)時間越短，且所能達到的速度最大值越小，即玻璃吸能特性越好；(3)速度下降階段的長短：PVB薄膜厚度越小，斷裂失效擴展的速度下降階段時間越長；(4)平穩(wěn)階段：PVB薄膜厚度的變化并不影響玻璃試件斷裂失效擴展最終的平穩(wěn)結束，但隨著厚度的增加，平穩(wěn)階段持續(xù)時間會相應減小，最終穩(wěn)定時的擴展速度降低?？偟膩碚f，隨著PVB薄膜厚度的增加，玻璃試件的吸能特性越強，斷裂失效擴展的過程越趨于平緩。

4.4薄膜厚度影響的理論分析

失效破壞的產(chǎn)生和傳播僅出現(xiàn)在玻璃層中，而不會出現(xiàn)在PVB夾層中。在破壞過程中產(chǎn)生裂紋并推動裂紋傳播的主要驅(qū)動力是材料的等效應力強度和裂紋尖端的應力強度因子[11]，裂紋的傳播速度v用式(1)表示：

(1)

式中：v是玻璃所產(chǎn)生的裂紋傳播速度，ε11、Σ11和σ11分別為所產(chǎn)生裂紋中裂尖的接觸應力、應變分量和應力分量。由于玻璃層是線彈性材料模型，因此可以假設在線彈性條件下接觸應力和應力分量成正比關系，比例系數(shù)為一常數(shù)值D，對上式進行變形可以得到式(2)：

(2)

從式(2)兩邊可以看出，裂紋的傳播速度v主要取決于應力分量σ11，相比于文獻[11]得到了玻璃材料中影響裂紋和失效擴展傳播更為精確的影響因子。在玻璃等脆性材料中瑞麗波的傳播速度大約為3370m/s[12]。而不論是背面玻璃的內(nèi)表面或者外表面，其破壞區(qū)域的傳播速度最大僅為1500m/s左右，遠低于瑞利波的傳播速度。在夾層玻璃中，PVB薄膜是典型的粘彈性材料，瑞利波在PVB夾層中的傳播速度要低于玻璃材料[13]，這使得夾層玻璃整體裂紋傳播速度低于單獨的玻璃體。

在聚能射流侵徹夾層玻璃的過程中，當射流接觸到夾層玻璃時首先會產(chǎn)生壓縮應力波，壓縮應力波在玻璃材料中約以5300 m/s的速度沿著玻璃厚度方向向前傳播(暫不考慮水平方向或者玻璃長度方向波的影響)，稱之為縱向應力波。在經(jīng)過正面玻璃后穿過PVB薄膜夾層時，由于夾層PVB材料自身的特點屬于典型的粘彈性材料，所以在沖擊過程中會出現(xiàn)彎曲變形然后回彈。從微觀方面來說，PVB夾層的來回振動促使分子之間摩擦從而消耗了傳播過程中的部分能量，使得應力波的波長和振幅有了相應的減??；從速度方面來說，應力波在PVB層中的傳播速度大約只有300m/s，遠遠小于其在玻璃材料中的傳播速度。結合粘彈性材料的這兩個特點可以說明，在沖擊過程中夾層玻璃中的PVB薄膜層具有很強的吸能作用。因此，PVB層厚度越大(從0.38mm到1.52mm)，玻璃的失效擴展速度和加速度就越平緩：失效擴展速度最大值從1400m/s減小到900m/s，加速度最大值從120m/s減小到70m/s。

在射流沖擊玻璃過程中，作用到玻璃上的沖擊力會產(chǎn)生瑞利波(包括表面瑞利波)、應力波(縱向應力波和橫向應力波)等，其本質(zhì)是線型切割器所形成的射流對夾層玻璃做功，中間伴隨著能量的傳遞、損耗和轉化。把沖擊作用時間提高到150μs，得出正面玻璃和背面玻璃動能和內(nèi)能的對比圖，如圖7和圖8所示。從能量角度來說推動玻璃裂紋擴展破壞的主要原因是動能影響。圖7中在60～80μs之間的某一時刻背面玻璃的動能快速增加，伴隨的是玻璃破壞程度的增加，到100μs之后背面玻璃動能基本不變，從而造成背面玻璃破壞形態(tài)基本保持穩(wěn)定。正面玻璃前40μs時間段內(nèi)動能比(即動能與內(nèi)能之比)較大，正面玻璃的長條切口即在這段時間內(nèi)形成，隨后出現(xiàn)橫向裂紋和垂直裂紋分支。從圖8來看，兩側玻璃內(nèi)能變化幾乎相同，只有動能變化差別較大。這與普通玻璃損傷破壞過程中的能量變化差別較大[14]，因此PVB粘彈性夾層在其中的作用不能忽略。

圖7 正面玻璃和背面玻璃動能-時間曲線圖Fig.7 Kinetic energy-time curve of back and front glass

圖8 正面玻璃和背面玻璃內(nèi)能-時間曲線圖Fig.8 Internal energy-time curve of back and front glass

圖9 PVB薄膜變形過程Fig.9 Deformation process of PVB film

圖9是PVB薄膜變形過程圖，從圖9可知，射流沖擊產(chǎn)生的縱向應力波經(jīng)過PVB夾層，由于PVB粘彈性層具有較好的吸能作用，其自身吸收的能量較大，使得沖擊作用過程的前50μs時間內(nèi)發(fā)生彎曲變形，向下隆起形成鼓包[15]。圖10和圖11中PVB層的動能變化前50μs之內(nèi)動能較大，與之彎曲變形形態(tài)相對應，50～75μs PVB層之間鼓包區(qū)域繼續(xù)向四周擴散，75μs后在射流沖擊正中心區(qū)域有較明顯的回縮變化，并由于動能和內(nèi)能的快速減少四周產(chǎn)生鼓包區(qū)域開始向中心收縮回彈。在100μs之后PVB層的動能和內(nèi)能僅有很小的下降，變形過程可忽略不計。通過圖7、圖8和圖10、圖11的對比可知，PVB薄膜層能量值基本是正面玻璃能量值的102數(shù)量級倍，因此可以推斷在夾層玻璃受沖擊過程中，在應力波和由應力波反射形成的拉伸波的傳遞過程中PVB薄膜層吸收了較多的能量，起到了較大的吸能作用[16]。

圖10 PVB薄膜層動能-時間曲線圖Fig.10 Kinetic energy-time curve of PVB film

圖11 PVB薄膜層內(nèi)能-時間曲線圖Fig.11 Internal energy-time curve of PVB film

5 結 論

1.采用數(shù)值模擬方法對聚能射流沖擊作用下夾層玻璃的斷裂失效擴展進行了研究，對比分析了不同玻璃層厚度下夾層玻璃中心區(qū)域失效擴展的應力、速度、加速度等參數(shù)。分析結果表明，玻璃層厚度對射流沖擊作用下夾層玻璃的失效擴展影響較為平緩。

2.PVB薄膜厚度對夾層玻璃的失效擴展影響較大，隨著PVB薄膜厚度的增加，玻璃試件的失效擴展特性(速度、起始加速度、后期減速度和穩(wěn)定加速度值)減小，其吸能特性增強，斷裂失效的擴展過程趨于平緩。從理論方面初步判定夾層玻璃在沖擊過程中的失效擴展速度主要取決于應力分量，且PVB粘彈性層具有較強的吸能作用，得到了夾層玻璃在射流沖擊作用下的失效機理和必要的基礎數(shù)據(jù)，為后續(xù)相關研究提供了一定的科學依據(jù)。

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FailureExtensioninPVBLaminatedGlass

GOURuijun,ZHANGShaohua

(SchoolofChemicalEngineeringandEnvironment,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

In order to discuss the extension rule of rupture failure in PVB(POLYVINYL BUTYRAL) laminated glass, the software of ANSYS/LS-DYNA was employed to investigate the change situations of laminated glass under the impact of shaped charge jet. The effect of glass thickness on rupture damage and the effect of PVB film thickness on failure extension characteristics were analyzed. It was shown that glass thickness has little rupture damage effect on the laminated glass under the impact action. With the increase of PVB film thickness, failure extension characteristics (velocity, initial acceleration, late deceleration, and stable acceleration) of glass specimen are decreased, but energy-absorbing characteristic is enhanced, and rupture failure extension process becomes flat. Furthermore, in terms of theoretical analysis, result suggests that failure extension velocity of laminated glass in the impact process mainly depends on the stress component. Moreover, the stronger energy absorption effect can be found in PVB viscoelastic layer.

rupture failure; LS DYNA; impact energy; failure extension

TQ171.72+7

：ADOI:10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.04.010

2016-04-13；

：2016-05-24

茍瑞君(1968-)，碩士生導師，教授，主要從事武器系統(tǒng)對抗技術和現(xiàn)代爆炸技術研究。E-mail：grjzsh@163.com。

1673-2812(2017)04-0564-06