夾層和珍珠母結(jié)構(gòu)玻璃抗沖擊性能的數(shù)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(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了材料本構(gòu)模型和參數(shù)的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)等厚度的夾層結(jié)構(gòu)和珍珠母結(jié)構(gòu)的玻璃進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)該配置下的夾層結(jié)構(gòu)背板單元?jiǎng)h除時(shí)間約為0.08μs，而珍珠母結(jié)構(gòu)為0.12μs，說明珍珠母結(jié)構(gòu)具有更好的抗沖擊性能。為了克服FEM無(wú)法直觀展現(xiàn)玻璃（脆性材料）受沖擊載荷作用發(fā)生破碎的近似形態(tài)，建立了FEM-SPH耦合數(shù)值模型，針對(duì)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(jié)構(gòu)的破碎形態(tài)。文中還總結(jié)了一些重要關(guān)鍵字的使用要點(diǎn)，具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：玻璃 耦合模型 抗沖擊性能 破碎形態(tài)

1 緒論

玻璃具有硬度高、透視透光性好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于交通、建筑和安保行業(yè)。但是，玻璃是典型的高脆性材料，其抗拉能力遠(yuǎn)低于抗壓縮能力，這使得單層玻璃在上述行業(yè)中無(wú)法直接使用。20世紀(jì)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(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。針對(duì)夾層玻璃抗沖擊性能的研究也得到了研究者的關(guān)注，他們得到了與夾層玻璃抗沖擊性能有關(guān)的因素，并總結(jié)了有關(guān)規(guī)律，以期更好地設(shè)計(jì)和開發(fā)用于不同場(chǎng)合的夾層結(jié)構(gòu)玻璃，如探討了玻璃強(qiáng)度的合理取值以及中間夾層的類型對(duì)玻璃梁開裂后力學(xué)性能的影響[2]。盡管夾層玻璃廣泛使用在多領(lǐng)域中，但也面臨各種沖擊載荷的作用。研究人員針對(duì)各種場(chǎng)景下玻璃的破壞進(jìn)行了較為全面的研究，為設(shè)計(jì)夾層玻璃的結(jié)構(gòu)并預(yù)測(cè)其在沖擊載荷作用下的破壞提供了有力的理論依據(jù)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(fù)雜的使用場(chǎng)景，其裂紋的大量擴(kuò)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(shè)計(jì)和開發(fā)新型的玻璃結(jié)構(gòu)，改變其在沖擊載荷作用下的耗能機(jī)制和破壞模式是新的有益研究。

自然界中的珍珠母兼具優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，其由體積分?jǐn)?shù)為95%的硬質(zhì)相和5%的軟質(zhì)相組成，但是珍珠母的斷裂能比純硬質(zhì)相高出三個(gè)數(shù)量級(jí)，這得益于其內(nèi)部的“磚-泥”式多級(jí)分層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)極大地增強(qiáng)了綜合力學(xué)性能[3]。筆者也對(duì)珍珠母結(jié)構(gòu)能量耗散的機(jī)理開展過相關(guān)的研究[4]。因而，設(shè)計(jì)開發(fā)珍珠母結(jié)構(gòu)的玻璃成為克服現(xiàn)有夾層玻璃力學(xué)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(duì)等厚度的夾層結(jié)構(gòu)和珍珠母結(jié)構(gòu)玻璃進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)相關(guān)重要關(guān)鍵字的使用進(jìn)行了總結(jié)。同時(shí)，為了更加直觀地展示玻璃受木塊撞擊發(fā)生破碎的真實(shí)圖像，建立了有限元和光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)耦合數(shù)值模型（FEM-SPH）。

2 計(jì)算模型

2.1 有限元模型

為了驗(yàn)證計(jì)算模型參數(shù)設(shè)置和模擬方法的準(zhǔn)確性，基于LS-DYNA建立了與試驗(yàn)相同配置的數(shù)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(nèi)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(cuò)結(jié)構(gòu)。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(nèi)尺寸為25mm，厚度為1.2mm，該尺寸設(shè)置符合珍珠母中真實(shí)的尺寸比例（珍珠母中硬質(zhì)相的邊長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的FEM-SPH耦合模型中，粒子尺寸也之保持一致，圖3給出了計(jì)算模型。

在FEM模型中，采用關(guān)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(guān)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(nèi)部接觸采關(guān)鍵字*ERODING_SINGLE_SURFACE定義。

2.2 材料模型及參數(shù)

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(shù)分別見表1[5]、2[5]、3[5]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖4給出了夾層結(jié)構(gòu)玻璃受木塊撞擊的數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。可見，兩者均被穿透，其變形形態(tài)也較為吻合，表明了計(jì)算方法和參數(shù)的設(shè)置基本正確。

圖5給出了等厚度的夾層結(jié)構(gòu)玻璃和珍珠母結(jié)構(gòu)玻璃背面單元?jiǎng)h除的發(fā)生時(shí)間?？梢?，夾層結(jié)構(gòu)玻璃背面單元達(dá)到侵蝕條件首次刪除的時(shí)間是0.08μs，而珍珠母結(jié)構(gòu)玻璃則是0.5μs。由此說明應(yīng)力傳至珍珠母結(jié)構(gòu)的背面時(shí)間更長(zhǎng)，意味著珍珠母結(jié)構(gòu)比夾層結(jié)構(gòu)具有更好的耗能能力，即其抗沖擊能力更佳。此外，觀察發(fā)現(xiàn)夾層結(jié)構(gòu)玻璃背面首次發(fā)生單元?jiǎng)h除的數(shù)量少于珍珠母結(jié)構(gòu)玻璃，這說明沖擊能在夾層結(jié)構(gòu)中的傳播較為集中，而在珍珠母結(jié)構(gòu)中的傳播范圍更廣，能量耗散區(qū)域更大。這是因?yàn)檎渲槟傅亩鄬咏诲e(cuò)結(jié)構(gòu)使得玻璃片之間具有互鎖作用，應(yīng)力的方向在傳播過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此其能量耗散更快、區(qū)域也更廣。

圖6給出了采用FEM和FEM-SPH耦合計(jì)算方法的夾層結(jié)構(gòu)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(huì)被侵蝕刪除，而粒子不會(huì)被刪除。因此，耦合數(shù)值模型能更加清楚地模擬玻璃發(fā)生破碎的真實(shí)情景。

4 結(jié)論

基于LS-DYNA開展了夾層結(jié)構(gòu)和珍珠母結(jié)構(gòu)玻璃受木塊撞擊的數(shù)值模擬，對(duì)比了兩種結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力和建模技術(shù)對(duì)結(jié)果的影響，總結(jié)了數(shù)值模擬中一些重要關(guān)鍵字的使用要點(diǎn)，得出以下結(jié)論。

（1）珍珠母“磚-泥”多層交錯(cuò)結(jié)構(gòu)在受沖擊載荷作用發(fā)生變形時(shí)具有互鎖作用，會(huì)耗散更多的能量，因此比夾層結(jié)構(gòu)具有更好的抗沖擊能力。

（2）本文的研究對(duì)象—玻璃，是典型的脆性材料，采用FEM模擬時(shí)需添加侵蝕準(zhǔn)則，當(dāng)達(dá)到侵蝕條件單元消失后，無(wú)法直觀再現(xiàn)破碎的形態(tài)，因此在脆性材料的模擬研究中，可采用SPH進(jìn)行離散。

（3）數(shù)值模擬對(duì)金屬材料、陶瓷材料等的模擬較好，相關(guān)本構(gòu)模型和材料參數(shù)也較為完整，但在有彈性材料的數(shù)值模型中應(yīng)考慮閥剛度因子的調(diào)整，同時(shí)，在定義曲線的時(shí)侯要注意坐標(biāo)原點(diǎn)通常不需輸入，還應(yīng)特別注意定義點(diǎn)面接觸時(shí)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(shí)，還需合理設(shè)置輸出文件的時(shí)間。

基金項(xiàng)目：江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目2022KJ02。

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