夹层玻璃的冲击破坏仿真分析研究

2008年用户年会论文

夹层玻璃的冲击破坏仿真分析研究

臧孟炎1 陈超1 辛崇飞2

（1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东广州 510641）

（2.信义玻璃控股有限公司，广东东莞 523935）

[ 摘 要 ] 本文在一特种夹层玻璃铝弹撞击实验的基础上，建立了夹层玻璃及其相关部件的有限元模型,

应用非线性有限元软件LS-DYNA ，对整个铝球撞击过程进行了数值模拟。使用相邻单元节点

固结和破坏评价方法，再现了冲击破坏过程中玻璃碎片的飞散现象；从夹层玻璃破坏过程和

PET 材料的变形状况来看，获得了与实验基本一致的仿真结果。

[ 关键词 ] 夹层玻璃 冲击试验 动态响应 数值模拟

Simulation analysis of impact fracture behavior of

laminated glass

ZANG Meng-yan 1 CHEN chao 1 XIN Chong-fei 2

(1.South China University of Technology, Guangdong Guangzhou, 510641，China)

(2.XINYI Glass Holdings Limited, Guangdong Dongguan, 523935， China)

[ Abstract ] Based on impact fracture experiment of a special laminated glass impacted by an

aluminum ball, a FEM model of laminated glass and correlative parts is built. The

whole impact process is simulated by using nonlinear FEM commercial software

LS-DYNA. By evaluating way of *CONSTRAINED_TIED_NODES_FAILURE,

splash phenomenon of glass fragment is numerically simulated successfully. It is

obvious that the simulation result is almost the same as the experimental results,

according to the fracture process of laminated glass and the deformation of PET

material.

[ Keyword ] laminated glass Impact experiment Dynamic response Numerical simulation

1 前言

夹层玻璃具良好的抗冲击性，抗穿透性，同时保持了良好的透光性。在军工，安保等

领域对特种夹层玻璃需求的不断增加，使夹层玻璃的冲击破坏问题成为近年来国内外一个

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新的研究热点。当前，对夹层玻璃冲击破坏问题研究既有实验方法，也有计算机仿真。如

密苏里大学的Shuangmei Zhao ，Lokeswarappa R 等[1]，分析讨论了人体头部对夹层玻璃的

冲击破坏问题、戴姆勒-克莱斯勒公司的M.Timmer ，S.Kolling 等[2]提出了一种简化的夹层

玻璃有限元模型，并通过实验对仿真模型进行了验证，但这些方法没能有效描述玻璃碎片

的飞散现象；在国内，臧孟炎，雷周等[3]采用三维离散元法模拟了夹层玻璃受冲击破坏的

过程，考察了裂纹的扩展和玻璃飞散状况，但离散元方法过低的计算效率和材料模型的不

完善，使得它在应用方面还有进一步研究的必要。方维凤, 余晓青【4】利用弹击实验在附有

PVB 复合材料背板的玻璃面板成孔,记录了在冲击载荷作用下玻璃面板的穿孔情况，给出了在同等实验条件下，不同厚度玻璃/PVB 板构成的层合靶板,玻璃面板厚度与破碎锥角的关系。

本文对一特种夹层玻璃的抗弹性能进行了实验研究。以时速586千米的铝弹撞击夹层

玻璃，确认夹层玻璃的贯穿强度。在此基础上建立了有限元模型，使用非线性有限元软件LS-DYNA 对这一冲击过程进行模拟仿真，使用该软件相邻单元节点固结和破坏评价方法，再现了玻璃碎片飞散现象，获得了与实验基本一致的评价结果。

2 试验研究

2.1 试验样品结构及实验过程

特种夹层玻璃实验样片是长850mm ，宽650mm 的四层

结构，自上而下各层材料及厚度如图1所示，铝球冲击侧

为玻璃。夹层玻璃构件以45度安装在如图2所示试验台上，

上表面四角处用橡胶块压紧，下表面实验框架间有与一圈 图1 夹层玻璃示意图 橡垫。胶击试验用铝弹外形如图3所示，质量1kg ，外径94mm ，总高80mm ，由空气炮沿

水平方向发射。

图2 冲击试验台 图3 铝弹

图4 586千米/小时冲击试验结果 图5 试验样品背面 实测得到铝弹最高速度586Km/h ，对应的夹层玻璃破坏情况如图4所示。在受冲击点

周围玻璃被完全破坏，部分碎片附着在PVB 上。PVB 膜片没有被贯穿，最下层PET

膜片

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在受冲击过程中发生了塑性变形，在冲击点正下方形成了一个隆起变形区域，但玻璃碎片没有穿透PET 材料（如图5）。

3 有限元仿真分析

3.1 网格划分

考虑到夹层玻璃及支承装置的对称性，建立了1/2对称模型进行计算，如图6所示。

夹层玻璃各层材料及上下橡胶垫材料均采用solid 单元划分网格，厚度方向上均为2个单元。铝弹采用shell 单元划分网格。为模拟玻璃受冲击后产生的裂纹扩展与飞溅现象，相邻玻璃单元分别定义不同节点，通过LS-DYNA 的*CONSTRAINED_TIED_NODES_FAILURE 功能将初始状态处于同一位置的不同节点约束起来，当玻璃处于失效状态时，被约束的不同单元节点相互分离。

3.2 材料模型

玻璃材料本构关系采用与应变率相关的各向同性的弹塑性模型（MAT.3）。应变率用

Cowper-Symonds 模型来考虑：

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎟⎟⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎜⎜⎝⎛+

=p s D dt d 11)(εεσσ （1） D 和P 为应变率参数，它们表征了材料的应变率敏感特性。其大小分别为 D =1000s -1 ，

P =100，在高速冲击下玻璃单元发生失效的塑性应变量为0.007[5]

。

图6 1/2对称冲击模型图 图7 PVB弹性模量与应变率关系曲线 PVB材料：与玻璃材料不同，应变率对PVB的物性有更大的影响。本文使用考虑应变率

变化的材料模型（MAT.19）。为了找出PVB应变率与物性参数间的相互关系，采用Oda ，

Zang [6]的实验值进行弹性模量和拉伸破坏强度的曲线拟合，如图7所示。 70))4367.1exp((4600))7056.2exp((4684−×−−×−×−×=••εεe e E （2）

230))515.17exp((2004))7571.2exp((2253−×−−×−×−×=•

•εεσe e （3）

PET 膜：采用与应变率相关的各向同性的弹塑性模型（MAT.3），屈服应力y σ=27Mpa，

D =846s -1 ,P =87[5]。

橡胶垫同样采用与应变率相关的各向同性的塑性模型（MAT.3），铝弹按刚体对待。