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 oflaminated glassZANG 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 analuminum ball, a FEM model of laminated glass and correlative parts is built. Thewhole impact process is simulated by using nonlinear FEM commercial softwareLS-DYNA. By evaluating way of *CONSTRAINED_TIED_NODES_FAILURE,splash phenomenon of glass fragment is numerically simulated successfully. It isobvious that the simulation result is almost the same as the experimental results,according to the fracture process of laminated glass and the deformation of PETmaterial.[ Keyword ] laminated glass Impact experiment Dynamic response Numerical simulation1 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2008年用户年会论文新的研究热点。

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2008年用户年会论文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。

2008年用户年会论文3.3 仿真过程整个分析分为两个阶段：施加预应力阶段和铝弹冲击阶段。

3.3.1 施加预应力为模拟夹层玻璃在螺栓固定作用下产生的预应力，假定试验台架为刚性，固定下层橡胶垫底面节点位移，同时在上层四角橡胶块表面作用一刚性板。

在分别定义下层橡胶垫与夹层玻璃PET、上层四角橡胶垫与夹层玻璃的接触之后，将四角橡胶垫表面的刚性板压向夹层玻璃。

其位移与实验中固定用螺栓轴向位移一致。

待系统稳定后导出包含有橡胶垫及夹层玻璃单元的预应力，节点位置等信息。

图8 预应力仿真模型图3.3.2 仿真冲击结果在冲击模型中，首先导入前一阶段的预应力，及节点位置文件。

对四角橡胶块上表面六方向自由度全部约束以代替固定螺栓的影响，铝弹沿45度角以586Km/h 的速度冲击玻璃中心。

撞击开始到铝球完全回弹全过程的仿真计算结果如图9所示。

撞击发生后7ms ，铝球已完全回弹，尽管玻璃碎片仍在飞溅，但PVB 和PET 膜没有贯穿，玻璃的破坏状况也与实验基本一致（参见图4）。

通过局部放大图10可观察到夹层玻璃裂纹产生和扩展的过程；在冲击过程的开始阶段，铝弹与夹层玻璃中心接触，可认为受冲击点主要发生剪切破坏，随着冲击的进行，由压缩波反射形成的拉伸波，使着弹点附近的失效区域不断扩大，破坏范围向周围延伸，明显地产生以冲击点为中心的周向破坏和径向裂纹，同时玻璃碎片向上飞溅。

图9 铝弹冲击过程图由于铝弹的冲击，PVB 膜，PET 膜片发生弯曲变形，向下形成隆起。

在铝弹完全回弹后，PVB 跟着回弹，而PET 发生塑性变形（如图11）。

这一现象也与图5所示的实验结果相吻合。

2008年用户年会论文图10 局部放大图 图11 PVB ，PET 材料塑性应变云图 图12为铝弹速度变化图。

A 曲线为垂直于玻璃构件平面的速度曲线，B 曲线为平行于玻璃平面的速度曲线。

可以看到A 曲线的速度衰减较快，在1.2ms 时刻铝弹垂直于玻璃平面方向的速度减小为0，在这一时刻铝弹达到沿玻璃构件法线方向的最大撞深。

此后铝弹开始回弹。

图13为垂直于玻璃平面方向的铝弹加速度随时间变化曲线。

随着铝弹弹头与夹层玻璃开始接触，接触面积增大，铝弹所受阻力剧增，加速度值迅速增大，在0.59ms 时刻达到峰值，即玻璃构件受到的冲击力达到最大值。

随着接触面附近更多的玻璃材料发生破坏，裂纹不断扩展，及弹性材料发生变形导致夹层玻璃构件对弹体的阻力减小，加速度值逐渐减小，在2.0ms 时刻铝弹已与玻璃实现分离。

但4.0ms 后夹层玻璃与铝弹又有一次接触过程，使得铝弹法向回弹速度增加，这是由于夹层玻璃回弹撞上铝弹所致。

图12 铝弹速度变化图 图13 铝弹垂直方向加速度变化图 4 结论本文使用显式瞬态非线性有限元商用分析软件LS-dyna,仿真研究了特种夹层玻璃的冲击破坏现象，得到与实验基本一致的结果。

以此为基础，研究人员既可以通过仿真方法确定该种夹层玻璃不发生贯穿的最大铝弹速度，也可以确定在额定铝弹冲击速度下，最佳夹层玻璃结构，为夹层玻璃的开发设计工作提供有益的参考。

[参考文献][1] Shuangmei Zhao, Lokeswarappa R. Dharani, Li Chai, et al. Analysis of damage in laminated automotiveglazing subjected to simulated head impact[J]. Engineering Failure Analysis, 2006, 13: 582-597.[2] M. Timmel, S. Kolling, P. Osterrieder. A finite element model for impact simulation with laminated glass.International Journal of Impact Engineering[J]. 2007, 34(8): 1465-1478.2008年用户年会论文[3] M. Y. Zang, Z. Lei, S. F. Wang. Investigation of impact fracture behavior of automobile laminated glass by 3Ddiscrete element method[J]. Computational Mechanics, 2007, 41: 73-83.[4] 方维凤,余晓青.冲击载荷作用下平板玻璃穿孔机理[J].振动与冲击,2007, 26(1): 42-44.[5] J. Buchar, S. Role, J. Voldrich, M. Lazar and M. Starek. The development of the glass laminates resistant to thesmall arms fire[A]. 19th InternationalSymposium of Ballistics[C], Switzerland. 2001, 1439-1445.[6] Oda J, Zang MY. Analysis of impact fracture behavior of laminated glass of bi-layer type using discrete elementmethod[J]. Key Engineering Materials, 1998, 145-149: 349-354.。