張少華，茍瑞君

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聚能裝藥作用下夾層玻璃的破壞研究

張少華，茍瑞君

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原，030051）

ANSYS LS-DYNA仿真模擬軟件，采用Lagrange和ALE流固耦合方法對(duì)夾層玻璃進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。玻璃材料采用JH-2模型，并施加最大主應(yīng)力失效準(zhǔn)則。結(jié)果表明：不同沖擊能量作用下夾層玻璃失效破壞和四周裂紋擴(kuò)展存在著一定的規(guī)律，玻璃失效破壞的長(zhǎng)度、速度、加速度等參數(shù)隨著沖擊能量增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)；在裂紋擴(kuò)展方面，沖擊能量不同時(shí)玻璃的裂紋起裂時(shí)刻與內(nèi)能減少時(shí)刻基本相同，裂紋產(chǎn)生條數(shù)和裂紋密度都隨著沖擊能量的增加而增大。

聚能裝藥；沖擊能量；失效破壞；裂紋擴(kuò)展

近年來(lái)隨著人們對(duì)安全的重視和科技的快速發(fā)展，夾層玻璃在多數(shù)車型上得到越來(lái)越多的應(yīng)用[1]。然而進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，公交車、大巴等各類汽車的劫持事件頻繁發(fā)生。一旦恐怖分子進(jìn)入車內(nèi)劫持人質(zhì)，公交和大巴車就成了最好的掩體，給解救工作帶來(lái)極大的困難，因此，采用聚能裝藥技術(shù)研制玻璃爆炸切割裝置或警用破窗器已成必然。

目前首要工作是對(duì)聚能裝藥作用下夾層玻璃的破壞過(guò)程進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同種類的夾層玻璃進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和仿真模擬研究。在試驗(yàn)方面，陳晶晶等[2]利用落錘實(shí)驗(yàn)結(jié)合高速攝影裝置對(duì)PVB夾層玻璃板進(jìn)行面外沖擊試驗(yàn)，并進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)據(jù)分析研究，得出了玻璃裂紋擴(kuò)展與PVB薄膜厚度和沖擊能量的關(guān)系。劉博涵等[3]開(kāi)展了一系列的頭模塊與夾層風(fēng)擋玻璃在不同沖擊速度、沖擊角度下的參數(shù)化沖擊試驗(yàn)，結(jié)果為風(fēng)擋玻璃的吸能特性研究提供了必要的試驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。陶志雄等[4]通過(guò)PVB薄膜剪切試驗(yàn)，得出了PVB的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式并給出了常溫和高溫下的剪切模量值，研究結(jié)果為建立夾層玻璃的力學(xué)模型提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)。在仿真模擬方面，Xujun等[5]采用傳統(tǒng)的有限元法對(duì)低速?zèng)_擊下夾層玻璃的損傷裂變和失效行為進(jìn)行了初步的研究。李勝杰等[6]利用裂紋擴(kuò)展的方法對(duì)結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，定性地分析了不同爆炸距離和不同TNT當(dāng)量作用下夾層玻璃的裂紋擴(kuò)展情況。江祺等[7]借助ANSYS/LS-DYNA程序較好地反映了玻璃的沖切破壞現(xiàn)象。高偉、雷周、臧孟炎等[8]采用離散元/有限元耦合方法，針對(duì)汽車夾層玻璃的沖擊破壞問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究，較好地模擬了材料的破壞、裂紋的產(chǎn)生及傳播，真實(shí)地反映了脆性材料的破壞及能量釋放。

總結(jié)來(lái)看，現(xiàn)階段關(guān)于夾層玻璃的分析研究主要集中于低速和頭部模塊沖擊，而關(guān)于聚能裝藥作用下的相關(guān)研究較少。因此，本研究借助ANSYS/LS- DYNA程序，在線型切割器產(chǎn)生的聚能射流基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)玻璃材料施加主應(yīng)力失效準(zhǔn)則，初步探討和分析了夾層玻璃在聚能裝藥作用下的破壞和裂紋擴(kuò)展規(guī)律，為警用破窗器的設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的指導(dǎo)。

1 材料方程和參數(shù)的選取

1.1 線型切割器的材料選擇

本研究中線型切割器是產(chǎn)生聚能射流的構(gòu)件，其中外殼和藥型罩采用T2紫銅材料，它具有加工性能良好、物理化學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)；炸藥采用裝藥密度小的黑索今，容易起爆且綜合性較好[9]。

1.2 夾層玻璃的材料選擇

夾層玻璃由外層玻璃、PVB薄膜和內(nèi)層玻璃3部分組成。外層玻璃和內(nèi)層玻璃選用專門針對(duì)脆性材料開(kāi)發(fā)出來(lái)的LS-DYNA中的110號(hào)材料*MAT_ JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS模型（簡(jiǎn)稱JH-2)，為模擬出玻璃在破壞后的破碎現(xiàn)象，對(duì)兩層玻璃材料施加主應(yīng)力失效準(zhǔn)則，應(yīng)力大小為84MPa。其主要的力學(xué)參數(shù)為：彈性模量E=72GPa，泊松比ν=0.22，密度ρ=2 530 kg?m-3。

作為中間夾層的PVB薄膜是一種半透明的薄膜，它是由聚乙烯醇縮丁醛樹(shù)脂經(jīng)增塑劑塑化擠壓成型的一種高分子材料。PVB薄膜是一種線性粘彈性材料體，在模擬中采用*MAT_VISCOELASTIC模型（LS- DYNA中6號(hào)材料）。其主要的力學(xué)參數(shù)為：彈性模量E=0.1GPa，泊松比ν=0.49，密度ρ=1 100kg?m3，瞬態(tài)剪切模量0=0.33GPa，永久剪切模量∞= 0.69MPa。

1.3 參數(shù)選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外層玻璃和內(nèi)層玻璃的材料參數(shù)如表1所示，PVB薄膜的材料參數(shù)如表2所示。整體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

表1 玻璃的材料參數(shù)(cm、g、μs）

Tab.1 Material parameters of glass

PgEgμgGABC 2.530.720.220.450.930.20.003 MNε/s-1Tσ*f maxHELPHEL 1.00.6410.001 50.50.050.03 βD1D2K1K2K3 10.050.850.454-1.382.90

表2 PVB的材料參數(shù)(cm、g、μs)

Tab.2 Material parameters of PVB

PkG0G∞B 1.10.23.3E-36.9E-70.0

圖1 玻璃模型整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 算法及有限元模型

線型切割器和空氣部分算法參照文獻(xiàn)[10]。其中先在線型切割器和空氣的一面進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，然后對(duì)體進(jìn)行掃略網(wǎng)格劃分。根據(jù)線型切割器的實(shí)際大小劃定每個(gè)網(wǎng)格的尺寸最小為0.1mm。對(duì)夾層玻璃整體采用六面體映射網(wǎng)格劃分，每個(gè)網(wǎng)格的尺寸0.3mm；兩層玻璃和PVB薄膜之間的接觸算法采用帶有失效模式的*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SUR FACE _ FAILURE算法，以描述玻璃與PVB薄膜之間的粘結(jié)性。模型整體構(gòu)件具有對(duì)稱性，因此為提高運(yùn)算效率減少計(jì)算，采用1/2三維結(jié)構(gòu)建模，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，在夾層玻璃的其他3個(gè)面上施加全約束以進(jìn)行玻璃簡(jiǎn)支方式模擬，并在此基礎(chǔ)上施加透射邊界以消除應(yīng)力波傳播過(guò)程中在邊界的反射影響。整個(gè)結(jié)構(gòu)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(guò)流固耦合算法將兩者連接起來(lái)。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

3 數(shù)值模擬過(guò)程及分析

3.1 數(shù)值模擬模型選擇

參照文獻(xiàn)[10]中的研究成果選擇4種不同結(jié)構(gòu)的線型切割器，其射流頭部最大速度分別可以達(dá)到2 520.15m/s、2 628.19 m/s、2 809.53 m/s、3 021.78m/s，產(chǎn)生的射流部分所能達(dá)到的最大動(dòng)能分別為3.80 kJ、4.45 kJ、4.80 kJ、5.25kJ，分別記錄對(duì)應(yīng)型號(hào)為A、B、C、D。對(duì)夾層玻璃試件，選擇汽車夾層玻璃中比較常見(jiàn)的厚度搭配，即2mm+0.76mm+2mm（外層玻璃+PVB薄膜+內(nèi)層玻璃）作為模擬研究的對(duì)象。同時(shí)在模擬過(guò)程中考慮模型的簡(jiǎn)化原則，在進(jìn)行建模時(shí)進(jìn)行兩點(diǎn)簡(jiǎn)化處理：（1）夾層玻璃邊界固定方式進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，對(duì)邊界實(shí)行全約束，進(jìn)行簡(jiǎn)支方式模擬；（2）以平板夾層玻璃為研究對(duì)象，暫不考慮具有一定弧度的汽車前風(fēng)擋玻璃等夾層玻璃。

3.2 不同沖擊能量下玻璃失效破壞過(guò)程分析

3.2.1 玻璃失效過(guò)程展示

玻璃材料是典型的脆性材料，其抗拉強(qiáng)度/抗壓強(qiáng)度比值極低，破壞模式一般為拉伸破壞。線型切割器產(chǎn)生的聚能射流先作用到外層玻璃（受沖擊面玻璃），其高速?zèng)_擊作用使得外層玻璃在1.5μs之內(nèi)被貫穿失效，隨后沖擊波通過(guò)PVB薄膜到達(dá)內(nèi)層玻璃表面反射形成拉伸波，拉伸波導(dǎo)致內(nèi)層玻璃大面積失效破壞。因此本研究工作首先以內(nèi)層玻璃為研究對(duì)象，對(duì)沖擊作用下玻璃表面的破壞過(guò)程進(jìn)行分析。在LSPP后處理中，通過(guò)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(qū)域變化。

失效破壞的整個(gè)過(guò)程如圖3所示（線型切割器為B型）。參照文獻(xiàn)[2]中的裂紋捕捉方法，分別定義玻璃表面失效的兩個(gè)參數(shù)：長(zhǎng)（）和寬（），玻璃失效破壞的長(zhǎng)度=（+)/2。以4μs為基準(zhǔn)單位，記錄100μs失效破壞過(guò)程中的25組數(shù)據(jù)，并采用B樣條插值法對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。

3.2.2 數(shù)據(jù)記錄及分析

將不同沖擊能量作用下玻璃材料的失效破壞長(zhǎng)度——時(shí)間曲線進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。

圖4 不同沖擊能量作用下玻璃失效破壞長(zhǎng)度——時(shí)間曲線

由圖4可知不同型號(hào)的線型切割器（即不同沖擊能量）下，玻璃材料的破壞過(guò)程有如下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）沖擊能量越大，玻璃最后失效破壞長(zhǎng)度相對(duì)越長(zhǎng)；（2）整個(gè)過(guò)程基本可以分為玻璃失效破壞長(zhǎng)度加速增加、平穩(wěn)增加和趨近于零3個(gè)階段；（3）玻璃中間區(qū)域失效破壞過(guò)程基本在70~100μs之間結(jié)束，并隨著沖擊能量增加結(jié)束時(shí)間隨之延后。對(duì)長(zhǎng)度——時(shí)間曲線進(jìn)行求導(dǎo)可得到玻璃失效破壞的速度——時(shí)間曲線，如圖5~6所示。

由圖5~6速度曲線可知：（1）整個(gè)沖擊過(guò)程速度——時(shí)間曲線可分為3個(gè)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(guò)程結(jié)束階段（70~100μs之間）；（2）沖擊能量越大，速度上升階段持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，且所能達(dá)到的速度峰值越大；（3）速度下降階段存在著第2峰值，當(dāng)沖擊能量越大，速度第2峰值越大；（4）由沖擊過(guò)程結(jié)束階段（70~100μs之間）放大圖可知，沖擊能量越大，玻璃失效破壞速度減小到0的時(shí)刻越晚，整個(gè)破壞過(guò)程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)?？偟膩?lái)說(shuō)，隨著沖擊能量的增加，整個(gè)曲線越陡峭，所能達(dá)到的速度峰值越高，且玻璃破壞過(guò)程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

將不同沖擊能量作用下玻璃失效破壞的加速度——時(shí)間曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。分析可知：（1）玻璃失效破壞的加速度在起始時(shí)刻為最大值，整個(gè)過(guò)程中加速度先由最大值迅速減小到負(fù)值，而后在0值左右進(jìn)行震蕩過(guò)程，最后趨近于0。（2）隨著沖擊能量的增加，玻璃破壞起始時(shí)刻加速度值最大；（3）隨著沖擊能量的增加，加速度變化曲線越陡峭，所達(dá)到的峰值越小。即整個(gè)過(guò)程中隨著沖擊能量的增大，加速度變化趨勢(shì)越明顯，玻璃失效破壞過(guò)程越劇烈。

3.3 不同沖擊能量下玻璃裂紋的產(chǎn)生及分析

仍以內(nèi)層玻璃為研究對(duì)象，記錄不同沖擊能量作用下100μs時(shí)玻璃表面的破壞及裂紋擴(kuò)展情況，如圖8所示。從圖8中分析可以得出以下結(jié)論：（1）隨著沖擊能量的增大，玻璃中心失效破壞區(qū)域和周圍裂紋條數(shù)都隨之增加。（2）裂紋先于玻璃試件四周區(qū)域產(chǎn)生，而后與玻璃中心失效破壞區(qū)域迅速連接，并隨著沖擊能量的增大玻璃裂紋產(chǎn)生密度也隨之增大。

(a) D型 (b) C型

(c) B型 (d) A型

Fig.8 Crack characteristics of glass under the action of different impact energy

記錄不同沖擊能量下玻璃四周裂紋起裂時(shí)刻1，裂紋持續(xù)時(shí)間2、裂紋密度大小、內(nèi)層玻璃總體內(nèi)能最大值1、內(nèi)能開(kāi)始減小時(shí)間3、最終結(jié)束時(shí)內(nèi)能大小2、1與2之差3。具體數(shù)值及對(duì)比見(jiàn)表3。從能量角度進(jìn)行分析，首先引入能量釋放率。從定義來(lái)看，能量釋放率是裂紋擴(kuò)展單位面積時(shí)裂紋體所釋放出來(lái)的彈性能；從量綱來(lái)看，能量釋放率是裂紋擴(kuò)展一個(gè)單位長(zhǎng)度時(shí)所需要的力，也就是企圖驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的原動(dòng)力，所以又稱裂紋擴(kuò)展力。由于能量釋放率是從能量分析出發(fā)得到的概念，因而具有普遍適用的優(yōu)點(diǎn)[11]。

由文獻(xiàn)[10]可知，文中所用線型切割器所產(chǎn)生的射流在10~15μs之間某時(shí)刻動(dòng)能可忽略不計(jì)，所以整個(gè)沖擊過(guò)程大致可分為15μs之前的外載荷施加和15μs之后夾層玻璃自身的能量驅(qū)動(dòng)。在外載荷施加階段，外力所做功一部分用于增加結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能，另一部分用于推動(dòng)玻璃中心區(qū)域的失效破壞，因此在20μs之前玻璃中心區(qū)域的失效破壞速度呈上升趨勢(shì)，之前所做的模擬也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。在夾層玻璃自身能量驅(qū)動(dòng)階段，起始時(shí)刻玻璃結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能儲(chǔ)存較多，可以推動(dòng)玻璃中心區(qū)域進(jìn)一步失效破壞，同時(shí)速度也大大降低。

表3 不同沖擊能量下玻璃裂紋的相關(guān)參數(shù)

Tab.3 Relevant parameters of glass crack under the different impact energy

型號(hào)t1/μst2/μst3/μsQ1/JQ2/JQ3/J裂紋密度 A型76.024.076.03.240.6462.594最小 B型73.027.069.54.480.8533.627小 C型64.535.566.04.880.9453.935中 D型61.039.063.55.191.1894.001最大

分析表3中的數(shù)據(jù)可知，玻璃試件內(nèi)能開(kāi)始減小時(shí)刻3與裂紋起裂時(shí)刻1基本相等，這表明玻璃自身所得到的應(yīng)變能開(kāi)始推動(dòng)裂紋擴(kuò)展。當(dāng)沖擊能量越大時(shí)，玻璃本身得到的應(yīng)變能越多，推動(dòng)裂紋擴(kuò)展耗散的能量也越多，最終產(chǎn)生的裂紋密度也隨之增大。

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法對(duì)聚能裝藥作用下夾層玻璃的破壞過(guò)程進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了不同沖擊能量作用下夾層玻璃中心區(qū)域失效破壞的長(zhǎng)度、速度、加速度等參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)夾層玻璃周圍的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了初步的探討分析。研究表明，玻璃中心區(qū)域的破壞和周圍的裂紋擴(kuò)展過(guò)程都與沖擊能量有著顯著的關(guān)系，隨著沖擊能量的增加，夾層玻璃中心失效區(qū)域顯著增大，其本身的應(yīng)變能提高并隨后推動(dòng)玻璃周圍區(qū)域的裂紋擴(kuò)展速度加快，最終裂紋條數(shù)和密度都隨著沖擊能量的增加而增大。研究結(jié)果得到了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分析，為爆炸切割裝置及警用破窗器的設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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Study on Destruction of Laminated Glass under the Impact of Shaped Charge

ZHANG Shao-hua，GOU Rui-jun

( School of Chemical Engineering and Environment, North University of China，Taiyuan，030051)

To explore the destruction effect of laminated glass under shaped charge, the fluid-structure interaction methods of Lagrange and ALE were introduced to numerical simulation on laminated glass, through ANSYS/LS-DYNA software. JH-2 model was adopted, and maximum principal stress failure criterion was exerted for the glass material. Results showed that a certain rule was existed between laminated glass failure destruction and crack growth under the action of different impact energy. That is, with the increase of impact energy, the length, velocity and acceleration of glass failure destruction presented a growth trend. Additionally, in terms of crack growth, the moment when the crack of glass initiated and its internal energy decreased was synchronous under various impact energy. And the article number and density were also increased with the increase of impact energy.

Shaped charge；Impact energy；Failure destruction；Crack growth

TJ410.3+4

A

[12]2016-03-30

張少華（1990 -），男，碩士研究生，從事聚能裝藥應(yīng)用技術(shù)研究。