玻璃抗均布載荷特性研究進(jìn)展

楊鵬慧，王衍行，李現(xiàn)梓，韓 韜，李家滿，朱治國(guó)，祖成奎

(1.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，建材行業(yè)特種玻璃制備與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；2.青島金晶股份有限公司，技術(shù)中心，青島 266500)

0 引 言

玻璃作為一種典型的脆性材料，在拉伸或壓縮條件下達(dá)到較小應(yīng)變值時(shí)即發(fā)生破壞失效，在玻璃達(dá)到破壞應(yīng)變失效前，材料力學(xué)特性表現(xiàn)為彈性，符合彈性材料的力學(xué)特性[1]。玻璃破壞形式表現(xiàn)為脆性斷裂，破壞過程是在壓剪應(yīng)力作用下材料內(nèi)部發(fā)生滑移，誘發(fā)微裂紋的產(chǎn)生、長(zhǎng)大，導(dǎo)致裂紋成核，同時(shí)剪切應(yīng)力會(huì)對(duì)材料內(nèi)部微裂紋的成核產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用，最后形成裂紋。在外加載荷的作用下，裂紋方向與主應(yīng)力方向存在著一定的夾角。由于應(yīng)力波的透射和反射會(huì)產(chǎn)生雙向壓縮，在雙向壓縮的作用下裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)拉伸應(yīng)力，當(dāng)拉伸應(yīng)力足夠大時(shí)，裂紋就會(huì)沿著垂直于尖端最大拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展。而微裂紋迅速融合并快速擴(kuò)展，最終形成宏觀裂紋導(dǎo)致玻璃破壞[2-3]。

影響玻璃抗載荷的主要因素有玻璃強(qiáng)度、構(gòu)件形狀與尺寸、邊部連接方式和服役溫度等。玻璃抗壓強(qiáng)度約是抗拉強(qiáng)度的15～20倍，因此玻璃破壞多由受拉所引起，玻璃抗拉強(qiáng)度越高，表明其抗載荷能力越強(qiáng)[4-5]。玻璃構(gòu)件形狀越復(fù)雜，抗載荷能力就會(huì)越低，若以圓形截面玻璃瓶的抗壓強(qiáng)度為100%，橢圓形玻璃瓶(長(zhǎng)短軸之比為2∶1)的為50%，而正方形瓶的就只有10%～25%[6]；構(gòu)件尺寸越大，抗載荷能力越低。邊部采用軟連接可緩沖玻璃受力而產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)，提高玻璃抗載荷能力；同時(shí)增大邊部連接寬度，也可改善玻璃抗載荷性能。應(yīng)用環(huán)境溫度高時(shí)，玻璃強(qiáng)度呈線性衰減，玻璃抗載荷能力顯著降低。

玻璃承受的載荷主要分為兩種：均布載荷和非均布載荷，其中均布載荷是指玻璃各點(diǎn)受力大小和方向相同，典型如高壓液位計(jì)用玻璃視窗、汽車/高鐵/飛機(jī)用風(fēng)擋玻璃、高層建筑用玻璃幕墻、啤酒/汽水等碳酸飲料用玻璃瓶、整體式?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)用玻璃堵蓋、潛艇/潛航器用觀察窗玻璃等的受力狀況[6-8]；非均布載荷是指玻璃各點(diǎn)受力大小和方向不同，典型應(yīng)用場(chǎng)景有防彈玻璃、抗鳥撞風(fēng)擋玻璃等[9-11]。本文主要從表征方式和模擬仿真等方面綜述了玻璃抗均布載荷特性的研究進(jìn)展，并展望了其發(fā)展趨勢(shì)。

1 玻璃抗均布載荷特性表征

目前，報(bào)道的表征玻璃抗均布載荷特性的技術(shù)指標(biāo)主要有撓度、應(yīng)變率、拉應(yīng)力和抗靜壓強(qiáng)度等。

1.1 撓 度

撓度是指施加載荷時(shí)桿件材料的軸線在垂直方向產(chǎn)生的線位移，或板材的中面在垂直方向產(chǎn)生的線位移。普遍認(rèn)為，撓度越大，表明材料越容易產(chǎn)生變形，抗均布載荷能力越低。

抗風(fēng)壓是建筑幕墻極其重要的性能之一，風(fēng)載荷作用下幕墻玻璃的撓度是評(píng)估抗風(fēng)壓性能的關(guān)鍵量化指標(biāo)?，F(xiàn)行規(guī)范《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ 102—2003)中，對(duì)于典型的單片幕墻玻璃一般采用小撓度理論計(jì)算最大應(yīng)力和跨中撓度，且玻璃的最大應(yīng)力、跨中撓度與側(cè)向均布載荷呈非線性關(guān)系。近年來，中空玻璃幕墻逐漸興起，其抗風(fēng)壓特性研究備受關(guān)注。張士翔等[12]認(rèn)為，作為幕墻面板的大分格中空玻璃，在其他條件相同時(shí)其撓度較大，撓度與風(fēng)載荷并非呈“一次線性函數(shù)”(Y=kX)關(guān)系，而近似呈“指數(shù)大于0、小于1的冪函數(shù)”關(guān)系。

潘云艷等[13]研究了高鐵側(cè)窗玻璃抗風(fēng)壓能力，認(rèn)為在均布載荷下，撓度與壓力大小基本呈線性關(guān)系，且側(cè)窗玻璃中心點(diǎn)處具有最大撓度，隨著風(fēng)載荷增大，撓度變化率明顯趨于平緩，最后呈線性變化，直至玻璃破壞失效，如圖1所示。在準(zhǔn)靜態(tài)加載情況下，當(dāng)風(fēng)壓達(dá)到29.5 kPa時(shí)，測(cè)得撓度值為31.2 mm，此時(shí)5 mm單層車窗玻璃發(fā)生破損失效，該試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)論基本一致。

圖1 高鐵側(cè)窗玻璃中心點(diǎn)撓度與風(fēng)壓關(guān)系[13]

王立闖等[14]搭建了抗風(fēng)壓模擬測(cè)試裝置，并研究了疲勞載荷次數(shù)對(duì)CRH2型動(dòng)車組側(cè)窗玻璃撓度的影響，發(fā)現(xiàn)玻璃經(jīng)歷98萬次、風(fēng)壓±4 500 Pa、頻率4 Hz疲勞載荷沖擊后，撓度變化很小，僅增加了0.1 mm，如表1所示。這表明動(dòng)車側(cè)窗玻璃材料對(duì)循環(huán)載荷不敏感。

表1 疲勞試驗(yàn)對(duì)動(dòng)車側(cè)窗玻璃中心撓度的影響[14]

夾層玻璃(laminated glass, LG)相比于傳統(tǒng)玻璃具有更高的強(qiáng)度和更安全的服役性能，在現(xiàn)代建筑中應(yīng)用廣泛[15]。夾層玻璃中間層的存在使其結(jié)構(gòu)行為復(fù)雜，不能用經(jīng)典的理論公式進(jìn)行詮釋，需要采用特定公式或者數(shù)值模擬來評(píng)估夾層玻璃的性能。Ravimony等[16]對(duì)夾層玻璃進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了其載荷-撓度的關(guān)系以及斷裂模式，夾層玻璃樣品(特征見表2)由兩塊相同的鋼化玻璃(4 mm/5 mm/6 mm厚)和0.98 mm厚的樹脂夾層組成，結(jié)果顯示載荷-撓度行為在到達(dá)初始破壞載荷前表現(xiàn)為線性關(guān)系，如圖2所示；同時(shí)采用Ansys軟件對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行計(jì)算模擬，獲得與初始破壞載荷相對(duì)應(yīng)的最大拉伸應(yīng)力和撓度值，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬的最大拉應(yīng)力值在不同厚度的樣品中沒有呈現(xiàn)出較大的離散，而最大撓度值則與試驗(yàn)結(jié)果存在較大偏差，今后還需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 夾層玻璃樣品的載荷和撓度關(guān)系[16]

表2 夾層玻璃樣品的特征[16]

1.2 應(yīng)變率

應(yīng)變率是指加載條件下單位時(shí)間內(nèi)材料應(yīng)變的變化量，主要用于表征材料的變形速率，與加載速率、載荷大小以及材料特性有關(guān)。

李磊等[2]在分離式霍普金森桿(split Hopkinson pressure bar, SHPB)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用一維損傷彈脆性本構(gòu)模型，通過多項(xiàng)式擬合方法，獲得了浮法鈉鈣硅玻璃應(yīng)變率相關(guān)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系：

σ=Eε(1-D)

(1)

D=m(x+yε+ε2)

(2)

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；E為彈性模量；D為損傷變量；m，x，y均為參數(shù)。

基于內(nèi)應(yīng)力在鋼化玻璃動(dòng)態(tài)力學(xué)性能中的主導(dǎo)作用，李磊等[17]認(rèn)為鋼化玻璃的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與金屬材料的本構(gòu)關(guān)系較為相似，采用修正的Johnson-Cook模型，提出了鈉鈣硅鋼化玻璃應(yīng)變率相關(guān)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系，其中損傷變量表征為

D=m(C+xε+yε2+ε3)

(3)

式中：C，m，x，y均為參數(shù)；ε為應(yīng)變。

同時(shí)，李磊等[2,17]還對(duì)鈉鈣硅玻璃及其鋼化玻璃應(yīng)變率動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了其準(zhǔn)確性。

基于一維應(yīng)力波理論[18]，被測(cè)試樣的平均應(yīng)力(σs)為

(4)

平均應(yīng)變(εs)為

(5)

(6)

式中：εr為反射波信號(hào)；εt為透射波信號(hào)；E為彈性模量；t為時(shí)間；C0為加載桿縱波波速；A為加載桿橫截面積；Ls與As分別為試樣原始長(zhǎng)度和橫截面積。

王振等[19]利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)和SHPB方法研究了飛機(jī)風(fēng)擋無機(jī)玻璃在不同應(yīng)變率下的力學(xué)行為。圖3為浮法鋁硅酸鹽玻璃(高鋁玻璃)準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)變率為4×10-4s-1和4×10-3s-1時(shí)試樣平均強(qiáng)度分別為486 MPa和565 MPa?？梢钥闯觯焊咪X玻璃材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線由彈性加載段和失效段構(gòu)成，近似表現(xiàn)為線性關(guān)系；隨著應(yīng)力繼續(xù)增大，高鋁玻璃發(fā)生脆斷現(xiàn)象。

圖3 高鋁玻璃的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系[19]

王振等[19]還利用高速攝像機(jī)拍攝了高鋁玻璃的破壞過程，如圖4所示。可以看出：與載荷作用的玻璃底部首先出現(xiàn)微小裂紋；隨著施加應(yīng)力增大，玻璃邊角處和內(nèi)部出現(xiàn)較明顯的裂紋源(條狀帶)，裂紋沿著加載方向擴(kuò)展；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到玻璃承載極限時(shí)，條狀帶失穩(wěn)，玻璃瞬間發(fā)生破裂。高應(yīng)變率下，加載速率遠(yuǎn)高于裂紋的擴(kuò)展速率，在極短的時(shí)間內(nèi)玻璃產(chǎn)生多處裂紋源，形成應(yīng)變率效應(yīng)。圖4(b)為高應(yīng)力時(shí)的局部放大圖，可以看出，玻璃中每次裂紋快速擴(kuò)展都引起應(yīng)力值的小幅下降。這表明，玻璃在壓縮載荷作用下的破壞模式為橫向張應(yīng)力產(chǎn)生裂紋源，沿軸向擴(kuò)展與聯(lián)結(jié)交錯(cuò)而導(dǎo)致的失效破壞，這與藍(lán)寶石透明陶瓷玻璃材料破壞模式基本一致[20]，如圖5所示。對(duì)于脆性材料而言，達(dá)到一定的壓縮強(qiáng)度后，就會(huì)發(fā)生脆斷，不會(huì)展現(xiàn)出塑性變形。

圖4 高鋁玻璃的準(zhǔn)靜態(tài)破壞過程[19]

圖5 藍(lán)寶石材料的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系[20]

張曉晴等[21]采用改進(jìn)的SHPB方法研究了Al2O3陶瓷的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，得到了動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究表明，在較高的應(yīng)變率范圍內(nèi)，陶瓷材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系具有應(yīng)變率效應(yīng)，即隨著應(yīng)變率的提高，材料的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨之提高。Chen等[22-23]也利用類似方法對(duì)圍壓條件下的玻璃陶瓷進(jìn)行了動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)，圍壓為各向等壓的應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在高圍壓(230 MPa)條件下，材料的破壞發(fā)生了脆性到韌性的轉(zhuǎn)變。

1.3 拉應(yīng)力

對(duì)于脆性材料而言，抗靜載失效評(píng)測(cè)可采用第一強(qiáng)度理論。脆性材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，第一強(qiáng)度理論認(rèn)為，當(dāng)最大拉應(yīng)力達(dá)到極限值時(shí)材料發(fā)生斷裂[24]。

Holmquist等[25]采用激光沖擊加載在2.7～8.1 GPa的峰值壓力(P)使19 mm厚的硼硅酸鹽玻璃板產(chǎn)生損傷，發(fā)現(xiàn)在P<4.0 GPa時(shí)玻璃板未產(chǎn)生明顯損傷；當(dāng)P>5.2 GPa時(shí)沖擊表面和內(nèi)部出現(xiàn)復(fù)雜損傷，圖6為P=8.1 GPa時(shí)硼硅酸鹽玻璃板的截面，表現(xiàn)出明顯的破壞平面和錐狀裂紋，錐狀裂紋從表面延伸到內(nèi)部。

圖6 硼硅酸鹽玻璃板在8.1 GPa壓力下的損傷截面[25]

當(dāng)壓力在4.0～5.2 GPa時(shí)試驗(yàn)結(jié)果包含沒有上述損傷及沖擊表面和內(nèi)部均出現(xiàn)損傷的情況，且在P=5.1 GPa時(shí)出現(xiàn)了只發(fā)生內(nèi)部損傷的情況，激光沖擊加載試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由側(cè)視圖可以看到玻璃板的前后表面均無損傷，只在內(nèi)部出現(xiàn)一個(gè)約4 mm厚的損傷區(qū)域。同時(shí)，Holmquist等[25]采用Holmquist-Johnson(HJ)模型對(duì)P=5.1 GPa條件下的激光沖擊試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，激光沖擊加載產(chǎn)生了壓縮波和尾隨的張力波，在加載邊界處也產(chǎn)生張力，使壓縮波衰減，張力波放大。這些相互作用導(dǎo)致最大張力和壓縮波發(fā)生在玻璃板的中心，玻璃板后表面不發(fā)生剝落損傷。另外，還推導(dǎo)出硼硅酸鹽玻璃的內(nèi)部抗拉強(qiáng)度約為1.2 GPa，該計(jì)算結(jié)果顯示激光沖擊加載僅對(duì)玻璃板內(nèi)部產(chǎn)生損傷，與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖7 硼硅酸鹽玻璃板在 5.1 GPa下激光沖擊的損傷形貌[25]

目前，深海服役的潛艇、潛航器、運(yùn)載器等高端裝備為了實(shí)時(shí)觀測(cè)海洋環(huán)境，均設(shè)計(jì)安裝了藍(lán)寶石玻璃材料觀察窗。馬濤等[26]將藍(lán)寶石表玻璃及密封表殼浸入自制的潛水表測(cè)試儀中進(jìn)行抗均布載荷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在125 MPa/2 h載荷作用下，大部分藍(lán)寶石表玻璃是完好的，只有少數(shù)藍(lán)寶石表玻璃發(fā)生破裂，如圖8所示。藍(lán)寶石表玻璃破裂主要呈現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)：一是與表殼接觸的外側(cè)存在明顯的破壞裂紋，表現(xiàn)出與表殼同心的圓弧狀；二是裂紋沿圓弧裂痕向藍(lán)寶石內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋斷口為貝殼狀。發(fā)生破壞的原因主要是藍(lán)寶石材料在生產(chǎn)、光學(xué)加工等過程中，其內(nèi)部和表面產(chǎn)生微觀缺陷，如微裂紋、結(jié)石和氣泡等，當(dāng)外力作用時(shí)，微觀缺陷附近產(chǎn)生應(yīng)力集中[27-28]。

圖8 藍(lán)寶石表玻璃破裂形貌[26]

1.4 抗靜壓強(qiáng)度

抗靜壓強(qiáng)度是指材料所能承受的最大內(nèi)外壓差破壞值，由材料破壞時(shí)的壓力表示，常用以評(píng)價(jià)材料抗靜壓破壞強(qiáng)度的性能。

Liu等[29]自主搭建了深海模擬系統(tǒng)，示意圖如圖9所示，利用該模擬系統(tǒng)研究了1 atm(1 atm=101 325 Pa)和35 atm靜水壓力下，環(huán)氧樹脂清漆涂層(E-1 atm、E-35 atm)和環(huán)氧樹脂玻璃片涂層(EG-1 atm、EG-35 atm)在熱軋鋼板基板上的強(qiáng)度和延展性，如圖10所示。其中，環(huán)氧樹脂清漆涂料以E-44環(huán)氧樹脂為粘合劑，聚酰胺為固化劑，二甲苯為溶劑，環(huán)氧樹脂玻璃片涂料也由相同的粘合劑、固化劑和溶劑組成，并添加玻璃薄片著色，涂層平均厚度為(200±10)μm。當(dāng)延長(zhǎng)靜載時(shí)間時(shí)，涂層強(qiáng)度逐漸降低，延展性卻逐漸增大。相對(duì)于環(huán)氧樹脂玻璃片涂層，環(huán)氧樹脂清漆涂層的抗靜水壓性能較好，這是由玻璃的脆性決定的[30]。需要指出的是，玻璃片雖然降低了涂層靜載能力，但可以顯著提高涂層的耐水性。

1-nitrogen, 2-valve, 3-solid reference electrode, 4-thermocouple, 5-working electrode, 6-counter electrode, 7-pressure gauge, 8-temperature measuring device, 9-cooling system, 10-automatic elevator

圖10 1 atm和35 atm下涂層強(qiáng)度和涂層延展性[29]

國(guó)軍標(biāo)《飛機(jī)玻璃抗靜壓破壞強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(GJB/T 1798—1993)規(guī)定了采用抗靜壓強(qiáng)度來評(píng)價(jià)飛機(jī)玻璃的抗靜壓特性[8]，所謂抗靜壓強(qiáng)度是飛機(jī)玻璃所能承受的內(nèi)外壓差破壞值。該國(guó)軍標(biāo)提供了抗靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備原理圖，如圖11所示，在試驗(yàn)過程中，緩慢勻速地增壓到規(guī)定壓力并保持至規(guī)定的時(shí)間，然后繼續(xù)增壓直到飛機(jī)玻璃破壞，并自動(dòng)記錄試驗(yàn)全過程的時(shí)間-壓力曲線。本課題組基于該國(guó)軍標(biāo)評(píng)測(cè)要求，研究了不同組成體系玻璃及其鋼化方式對(duì)抗靜水壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)無堿鋁硅玻璃物理鋼化后抗靜水壓強(qiáng)度約為25 MPa，浮法鈉鈣硅玻璃物理鋼化后抗靜水壓強(qiáng)度為13～15 MPa，浮法鈉鈣硅玻璃化學(xué)鋼化后抗靜水壓強(qiáng)度為10～12 MPa。

圖11 抗靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備原理圖[8]

需要指出的是，玻璃的抗靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)象是全尺寸的玻璃試樣，無法使用縮比例試樣代替；同時(shí)抗靜壓強(qiáng)度試驗(yàn)是破壞性測(cè)試，不利于進(jìn)行大批次玻璃抗靜壓強(qiáng)度測(cè)試。

綜上，上述四種表征玻璃抗均布載荷特性的方法在不同玻璃材料體系或服役場(chǎng)景中獲得應(yīng)用，評(píng)測(cè)效果良好，但是，目前表征玻璃抗均布載荷特性的測(cè)試方法尚未統(tǒng)一，亟待制定相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

2 玻璃抗均布載荷模擬仿真

傳統(tǒng)的玻璃抗均布載荷測(cè)試總伴隨著破壞性，成本昂貴且耗費(fèi)時(shí)間。近年來，隨著材料模擬方法與大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，玻璃抗均布載荷模擬仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[31]。

潘云艷等[13]采用計(jì)算軟件Ansys對(duì)高鐵側(cè)窗玻璃抗靜載工況下的變形及強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，材料對(duì)象為浮法鈉鈣硅玻璃；采用全尺寸側(cè)窗玻璃模型，尺寸為1 200 mm×945 mm，厚度為5 mm；在模型周邊10 mm范圍內(nèi)施加全約束，載荷條件為均布載荷，變化梯度為5 kPa，加載范圍為5～30 kPa。圖12為均布載荷下側(cè)窗玻璃的應(yīng)力云圖，SEQV代表查看節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力，DMX為最大位移(displacement max)，SMX為節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力結(jié)果中的最大值(solution max)，可以看出，應(yīng)力最大部位位于長(zhǎng)邊約束邊界中部，當(dāng)SMX為190 kPa時(shí)，DMX為26.4 mm，同時(shí)在寬度方向約束邊界中部應(yīng)力也較為集中，這是由于玻璃在長(zhǎng)度范圍內(nèi)所受到的總載荷相比寬度范圍內(nèi)較大，邊界約束致使中部承受較大彎矩，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。這表明，當(dāng)均布載荷達(dá)到側(cè)窗玻璃破碎極限載荷時(shí)，側(cè)窗玻璃將從約束邊界的長(zhǎng)邊中心處開始失效斷裂，發(fā)生破壞。該仿真結(jié)果與王立闖[32]對(duì)側(cè)窗玻璃在均布載荷下的應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖12 高鐵側(cè)窗玻璃的靜壓應(yīng)力分布云圖[13]

馮浩[33]通過聚能射流穿靶算例，在不同軟件中驗(yàn)證了模型和計(jì)算結(jié)果的可靠性，選擇Ansys/Autodyn軟件中的流固耦合方法對(duì)三種微爆索作用下玻璃堵蓋簡(jiǎn)化模型的破壞動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，再現(xiàn)了爆炸應(yīng)力波傳播和堵蓋破壞的過程，并對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。根據(jù)有限元模型計(jì)算得到堵蓋在15 MPa和23 MPa時(shí)的受力情況，其最大主應(yīng)力云圖如圖13所示。物理鋼化浮法玻璃堵蓋受到的拉壓應(yīng)力在兩個(gè)端面呈反對(duì)稱分布；最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力都出現(xiàn)在受壓背面，可以明顯看到堵蓋被壓緊和拉伸的區(qū)域符合其實(shí)際安裝情況，且堵蓋所受拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力。因此，堵蓋的破壞準(zhǔn)則應(yīng)選用第一強(qiáng)度理論，破壞位置應(yīng)該出現(xiàn)在圖中拉應(yīng)力集中區(qū)域。堵蓋在所受壓強(qiáng)達(dá)到23 MPa時(shí)，最大拉應(yīng)力為119.4 MPa。假設(shè)此時(shí)鋼化玻璃被破壞，結(jié)合第一強(qiáng)度理論，可得安全系數(shù)n=3.3，屬于可靠安全范圍。根據(jù)堵蓋承壓能力可行性試驗(yàn)和有限元計(jì)算的結(jié)果，認(rèn)為該鋼化玻璃可以作為堵蓋材料，其破壞準(zhǔn)則符合第一強(qiáng)度理論的描述，并初步確定10 mm厚堵蓋材料能夠承受的最大拉應(yīng)力閾值為120 MPa。試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖13 堵蓋玻璃背面應(yīng)力云圖[33]

鄭凱斌等[34]采用Autodyn軟件中顯式動(dòng)力學(xué)方法仿真分析了固沖發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道出口鋼化玻璃堵蓋打開時(shí)爆炸沖擊響應(yīng)，鋼化玻璃采用JH2模型。假設(shè)火工品炸藥起爆后，在沖擊載荷加載過程中，玻璃開始表現(xiàn)為彈性，在應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，開始出現(xiàn)損傷。采用侵蝕算法對(duì)玻璃破壞裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行模擬仿真，選用最大應(yīng)力準(zhǔn)則作為評(píng)測(cè)準(zhǔn)則，得到最大應(yīng)力為150 MPa。將得到的固沖發(fā)動(dòng)機(jī)不同位置的沖擊加速度曲線(見圖14)和沖擊響應(yīng)譜曲線(見圖15)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，模擬仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，其中軸向沖擊加速度的最大值偏差為6.2%，徑向最大值偏差為4.9%。通過仿真分析，揭示了固沖發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道出口堵蓋打開時(shí)最大沖擊加速度和沖擊響應(yīng)譜的變化規(guī)律，對(duì)評(píng)估全彈飛行過程中進(jìn)氣道出口堵蓋打開時(shí)振動(dòng)沖擊環(huán)境以及對(duì)彈上儀器的影響具有重要意義。

圖14 沖擊加速度對(duì)比曲線[34]

圖15 沖擊響應(yīng)譜對(duì)比曲線[34]

Zhang等[35]采用Abaqus軟件對(duì)尺寸為2 200 mm×1 200 mm的國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)鋼化玻璃進(jìn)行了抗均布載荷的仿真分析，在計(jì)算模型中，對(duì)夾層玻璃四周進(jìn)行簡(jiǎn)支處理，研究冷成型夾層鋼化玻璃在風(fēng)載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)和性能。選擇TSG-1代表平板玻璃，TSG-3代表冷成型玻璃，得到在均布載荷作用下試樣拉伸面的應(yīng)力等值線圖，如圖16所示，可以看出，兩種玻璃的應(yīng)力均從中心區(qū)域向四周逐漸減小。冷彎玻璃的應(yīng)力呈馬鞍形分布，沿冷彎角短邊方向上相鄰角的對(duì)角線方向的應(yīng)力相對(duì)較大，這與試驗(yàn)的應(yīng)力等值線圖一致；平板玻璃的對(duì)角線方向是均勻?qū)ΨQ的拉應(yīng)力。同時(shí)，各試件四邊中點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力，與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。通過試驗(yàn)研究結(jié)合模擬仿真，探究冷彎應(yīng)力的分布規(guī)律及其變化過程，以及與均布載荷耦合的影響，這對(duì)解決冷彎玻璃的承載力問題具有重要應(yīng)用價(jià)值，也為工程設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范的制定提供重要參考。

圖16 拉伸表面的應(yīng)力等值線圖[35]

3 發(fā)展趨勢(shì)

隨著高空高速無人機(jī)、高超音速導(dǎo)彈、深海潛水器和高溫高壓容器等裝備服役環(huán)境的日趨苛刻，對(duì)玻璃材料提出更高的抗均布載荷性能要求。今后，玻璃抗均布載荷特性研究應(yīng)主要聚焦在以下4個(gè)方面：

(1)利用Ansys等軟件模擬仿真玻璃的本征力學(xué)性能、形狀、尺寸和邊緣連接條件等對(duì)抗均布載荷的影響機(jī)制，建立玻璃抗均布載荷的評(píng)測(cè)模型或預(yù)測(cè)軟件。如利用Abaqus有限元軟件模擬仿真中空玻璃的抗裂冷彎行為，并建立力學(xué)響應(yīng)模型[37]。

(2)根據(jù)不同抗均布載荷的應(yīng)用場(chǎng)景要求，自主設(shè)計(jì)不同牌號(hào)玻璃的構(gòu)件形狀、尺寸和強(qiáng)度等，實(shí)現(xiàn)玻璃高抗載和定值破碎等功能復(fù)合。如設(shè)計(jì)拱形易碎式玻璃堵蓋，實(shí)現(xiàn)正向承壓3 MPa快速準(zhǔn)確破碎，而負(fù)向承壓6 MPa不破碎功能，滿足沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)快速轉(zhuǎn)級(jí)需要[38-41]。

(3)開發(fā)玻璃新型增強(qiáng)增韌技術(shù)，克服傳統(tǒng)單一物理鋼化、化學(xué)鋼化或微晶化等增強(qiáng)增韌技術(shù)的局限性，實(shí)現(xiàn)兩步或多步增強(qiáng)增韌[42-44]；同時(shí)探索與其他高強(qiáng)高韌材料進(jìn)行復(fù)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如“玻璃+聚氨酯(poly urethane, PU)+聚碳酸酯(poly carbonate, PC)板”層合、“玻璃+PU+有機(jī)玻璃”層合、“玻璃+聚乙烯醇縮丁醛(poly vinyl butyral, PVB)/PU+藍(lán)寶石”層合等，提升無機(jī)玻璃的服役安全性[45-48]。

(4)為避免大批次進(jìn)行破壞性的玻璃抗均布載荷考核試驗(yàn)，基于玻璃抗均布載荷評(píng)測(cè)模型，亟待設(shè)計(jì)開發(fā)一種非破壞性的玻璃抗均布載荷測(cè)試方法，并建立相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語

玻璃在現(xiàn)代建筑、高鐵/客車、航空航天及沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其力學(xué)性能表現(xiàn)為典型的脆性行為，抗均布載荷性能主要基于撓度、應(yīng)變率、拉應(yīng)力和抗靜壓強(qiáng)度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行表征，但目前還未建立統(tǒng)一的測(cè)試手段和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)測(cè)試方法面臨破壞性導(dǎo)致的成本高、耗時(shí)長(zhǎng)等問題，因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一種非破壞性的玻璃抗均布載荷測(cè)試方法得到國(guó)內(nèi)外越來越多研究者的關(guān)注。模擬仿真通過建立反映工程問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值計(jì)算方法探究各參數(shù)對(duì)玻璃抗均布載荷的影響機(jī)制，可更加客觀、高效地對(duì)玻璃成分、構(gòu)件等進(jìn)行分析和改進(jìn)，既能縮短研發(fā)周期,又能節(jié)省大量研制經(jīng)費(fèi)。在嚴(yán)苛的服役環(huán)境和高安全性的要求下，開展玻璃的增強(qiáng)增韌研究，同時(shí)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景自主設(shè)計(jì)玻璃組成結(jié)構(gòu)和構(gòu)件參數(shù)，不斷提高玻璃抗均布載荷性能，更好地滿足服役要求，已成為玻璃抗均布載荷研究的重要方向。