曲面夹胶钢化玻璃抗冲击性能数值分析

万 重 重

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

夹胶钢化玻璃是通过特定的工艺将多层钢化玻璃板与夹黏胶片材料紧密粘合而成，与普通钢化玻璃相比，夹胶钢化玻璃碎裂时，碎片不会飞溅伤人，比较安全。夹胶钢化玻璃的夹层能吸收声波，起到隔音作用。夹胶钢化玻璃的胶片还能吸收紫外线，削减辐射，夹胶钢化玻璃在安全、隔音及防辐射方面的性能都十分优异。夹胶钢化玻璃广泛应用于建筑装饰材料中，有必要对夹胶钢化玻璃性能进行研究。

国内外学者对夹胶玻璃的抗冲击性能进行研究，得到了大量的试验或数值模拟结果。杨锦文等[1]运用有限元分析软件ANSYS对水洞的底部和侧边的夹胶玻璃进行强度校核，结果显示实测值和理论计算值十分接近。季清等[2]针对不同参数对夹胶玻璃的破坏强度进行研究，得出夹胶玻璃板破坏强度随着玻璃的胶材厚度增大而增大的结论。濮勇等[3]采用冲击试验的方法，并结合摄影及图像处理等相关技术，对夹胶玻璃抗冲击性能进行研究，得出碎片飞溅速度主导因素为正面玻璃的抗侵彻强度的结论。臧孟炎等[4]通过将夹胶玻璃冲击实验与有限元软件LS-DYNA分析相结合，对子弹撞击玻璃过程进行数值模拟，提出一种能更好体现夹胶玻璃抗冲击性能的等效模型。张杨梅等[5]对夹层玻璃开展撞击试验，借助高速摄像技术对多层SGP夹层玻璃抗冲击性能进行研究，得出边缘夹固式夹胶玻璃的破损需要高于平均速度冲击的结论。王勋等[6]运用有限元分析软件ANSYS对四边简支夹胶玻璃进行受力分析，给出夹层玻璃挠度公式的修正系数。Daniele Baraldi等[7]建立了离散单元的夹胶玻璃模型，对破损后夹胶玻璃性能的响应进行研究，结果表明中间夹层类型是影响破损后夹胶玻璃性能的主要因素。

曲面夹胶钢化玻璃在建筑工程中应用广泛，然而对于曲面夹胶钢化玻璃的抗冲击性能研究少见报道。本文利用ABAQUS软件对曲面夹胶钢化玻璃受冲击过程进行数值模拟，对其抗冲击性能进行研究，为建筑材料的选择提供参考。

1 落球高速冲击曲面夹胶钢化玻璃的物理模型

1.1 物理模型的建立

将曲面玻璃板设置为双层夹胶钢化玻璃，冲击物为球体，曲面夹胶钢化玻璃为弹性体，球体为刚体，如图1(a)所示。小球的速度设定为27.8 m/s。模拟试验中，考虑到飞石冲击钢化玻璃的位置是不确定的，分别选取A、B、C、D4个冲击位置作为研究对象，研究不同位置下玻璃板的力学性能，为了更直观表示冲击位置，选用投影方式，如图1(b)所示。

取A、B、C、D4个冲击位置分别就x和y轴方向研究冲击点附近应力变化，如图1(b)所示。模型的参数如表1所示。

图1 模型示意图

表1 模型的材料参数

1.2 基本理论

(1)受损材料的应力应变关系为

(1)

式中：ε为应变；σ为应力，GPa；E0、E分别为初始弹性模量和损伤后的弹性模量，GPa；σe为有效应力，MPa；D为损伤变量，取值在[0，1]之间。

(2)曲率半径的求导为

(2)

式中：ρ为曲率；z′为对曲线方程求一阶导数；z″为对曲线方程求二阶导数。

2 冲击过程模拟结果及分析

2.1 不同时刻下冲击曲面夹胶钢化玻璃不同位置应力分析

在不同时刻冲击位置A、B、C、D处的应力云图，如图2-图5所示。

图2 冲击位置为A时各个时刻的应力云图

图3 冲击位置为B时各个时刻的应力云图

图5 冲击位置为D时各个时刻的应力云图

从图2可以看出，冲击位置A时，不同时刻的应力云图各不相同，这是因为当小球冲击到玻璃板上的瞬间，小球动能的一部分传递给与板接触的一点，然后板上的能量由接触的这一点，以波形式迅速传播，向四周扩散，而波的传播速度极快，玻璃板上的应力云图变化很快。因为波撞击玻璃板边缘会发生反射现象。从图3-图5可以看出，越是靠近冲击位置的边缘越早发生应力波的反射，其他不同冲击位置的应力云图相似。

2.2 不同冲击位置下曲面夹胶钢化玻璃最大应力值随时间变化规律

不同冲击位置最大应力值随时间变化曲线图，如图6-图7所示。

图6 A、B冲击位置应力-时刻变化 图7 C、D冲击位置应力-时刻变化

从图6-图7可以看出，曲面夹胶钢化玻璃在小球冲击到玻璃板的极短时间内应力就快速达到极大值，然后又快速减小。但是A和D位置的冲击应力曲线与B和C位置的应力曲线又有所不同。A和D在最大应力附近变化比较快，而B和C在最大应力附近变化相对平缓，但应力变化趋势总体上还是一致的，都是上下波动，且总体上不断减小。原因是球撞击到玻璃板时，能量以波的形式向四周扩散。在小球完全撞击到玻璃板且应力达到最大值以前，应力在快速变大，直至达到极值，然后快速减小，在减小过程的后半部分，冲击到玻璃板边缘的应力波开始反射到冲击点，并与冲击点的应力进行叠加，然而每次反射过来的应力波有强有弱，而且冲击点的原始应力也在不断变化，所以应力是波动变化的。

2.3 不同冲击位置下曲面夹胶钢化玻璃沿不同路径的应力变化规律

在不同冲击位置下，曲面夹胶钢化玻璃在t=100 μs、420 μs、800 μs和1 000 μs时刻下沿x-x、y-y轴的应力变化如图8所示。由于在x-x路径上，A位置与D位置，B位置与C位置，变化规律一致，在y-y路径上，A位置与B位置，D位置与C位置，变化规律一致。

图8 不同时刻下曲面夹胶钢化玻璃的应力-路径变化

从图8可以看出，A位置4个时刻的应力-路径图像几乎都是对称的，100 μs时A点x方向路径和A点y方向路径，应力变化大致相同，这是因为在球碰撞初期，应力波没有抵达边缘，还未发生应力波反射。100 μs时A点x方向和B点x方向路径，应力变化趋势大致相同，而由于B位置未在玻璃板的几何中心处，所以应力大小与路径的对应关系与A位置有所不同，B位置在四个时刻的应力-路径图像沿B点x方向路径是不对称的，这是因为B位置靠近板的左半部分，而靠近边缘的部分应力反射较早，且路径较短，在传播过程中能量损失也较少，所以B在应力-路径图上左半部分的应力比右半部分波动大。对比冲击位置为A和D时四个时刻的应力-路径图可以看出，由于D位置未在玻璃板的几何中心处，所以应力大小与路径的对应关系与A位置有所不同，D冲击位置在四个时刻的应力-路径图像沿D点y方向路径是不对称的，这是因为D位置靠近板的下半部分，所以在应力-路径图上下半部分的应力比上半部分波动大，但到后期，应力-路径曲线变得就比较平缓了，波动也不大。

3 结 语

利用ABAQUS软件对曲面夹胶钢化玻璃落球冲击试验进行数值模拟，得出以下结论：

(1)越是靠近冲击位置的边缘越早发生应力波的反射。

(2)小球以相同速度冲击夹胶玻璃板，当冲击位置为中线处时，曲面夹胶玻璃更容易破碎。

(3)若冲击位置靠近曲面夹胶钢化玻璃的左侧，则在该冲击位置处左半部分应力波动大于右半部分，若冲击位置靠近曲面夹胶钢化玻璃的下侧，则在该冲击位置处下半部分应力波动大于上半部分。