文摘

聚乙烯醇缩丁醛(PVB)夹层玻璃已经被广泛地应用于机械和建筑材料的一个重要组成部分。裂缝在聚乙烯醇缩丁醛层压玻璃富含信息的影响,导致其抗冲击设计。在这篇文章中,一个三维(3 d)数值模拟模型描述聚乙烯醇缩丁醛夹层玻璃冲击荷载下首先建立和验证定性、定量与相应的实验结果相比高速摄影系统记录。同时,介绍了扩展有限元方法(XFEM)分析夹层玻璃的裂纹扩展机理,基于动态应力强度因子(DSIFs)和压力波的传播。然后进行参数研究调查五个关键参数的影响,也就是说,板尺寸、裂纹长度、冲击能量,玻璃的属性,和聚乙烯醇缩丁醛属性,在夹层玻璃的裂纹扩展特征。结果表明,裂纹尖端和压力波之间的相互作用以及应力波的传播与DSIFs在裂纹尖端的波动。结构和材料变量被证明能起到非常重要的作用在玻璃开裂DSIFs从而控制裂纹扩展行为。结果可能会提供基本的解释基本的裂纹扩展机制对径向裂缝聚乙烯醇缩丁醛夹层玻璃在冲击加载条件下,从而指导设计改进的影响。

1。介绍

由于其优良的透明性、可成形性和抗冲击性,聚乙烯醇缩丁醛(PVB)夹层玻璃成为潜力巨大透明的防护材料,已广泛应用于汽车和建筑业。异物的影响在夹层玻璃能产生微裂隙,将逐渐扩展,最终导致失败的夹层玻璃。无论发生断裂故障,玻璃层的脆弱性和聚乙烯醇缩丁醛层间的附着力好确保夹结构,使结构的完整性和韧性有一定的能量吸收特性,有效改善叠层结构的安全。为了更有效地利用层压玻璃透明的防护材料,其裂纹传播行为影响的条件下需要全面的研究。然而,夹层玻璃是非常复杂的动态故障特征;因此研究其动态裂纹传播特性变得越来越必要。

近年来,机械性能的调查聚乙烯醇缩丁醛夹层玻璃已经彻底进行,从准静态力学性能(1- - - - - -4)动态冲击响应(4- - - - - -10]。一般来说,按照其影响冲击试验速度可分为三类,即低速落锤试验(11- - - - - -13与气枪[],高速冲击试验3,14,15),爆炸冲击波冲击试验(6,9,10,16],低速落锤试验是一种最广泛使用的测试方法来评估材料严重故障条件及其断裂机理。李等人。17和公园和陈14),分别研究了静态和动态裂纹扩展行为分层交叉胶夹层玻璃。失败的波被介绍给占他们的观察。Zhang et al。18和胡锦涛et al。19]实验和数值研究了故障条件和裂纹形态在脆性板薄聚合物支持在不同冲击速度和得出结论的决定因素来预测其动态断裂模式,即弹性、断裂能量,和准确的应力波跟踪模型。与此同时,Vandenberghe et al。20.]研究了脆性裂纹模式板在横向控制影响使用全局比例法则来预测径向裂缝的数量。同时,径向和周向裂纹的共存。至于更进一步,徐et al。21和陈等。22聚乙烯醇缩丁醛)进行平面外动态加载测试层压玻璃基于落锤与高速摄影系统相结合。速度和加速度随时间的变化对径向和圆周裂缝计算了解裂纹萌生和传播机制。发现径向裂缝出现和高传播速度比圆形的早些时候。此外,Chen等人。23,24]研究了聚乙烯醇缩丁醛的平面裂纹扩展行为夹层玻璃板通过捕获的平面和interplane开裂过程,发现玻璃层总是启动加载前层支持相同的最终的径向裂纹形态。量径向裂缝对其传播行为的影响也被彻底调查。

数值模拟吸引了越来越多的关注调查PVB夹层玻璃的断裂机制为其简单性和效率5,8,25- - - - - -32]。Bennison et al。33]研究了应力分布和断裂序列与PVB夹层玻璃在双轴弯曲加载使用有限元方法(FEM),发现裂纹萌生和最大应力位置之间的关系。与此同时,徐和李34)数值研究裂缝的演进对聚乙烯醇缩丁醛的夹层挡风玻璃板块受到行人头部。发现塑性变形、径向裂缝,和圆形裂缝主要是由剪切应力引起的,压应力和拉应力。此外,一系列的新开发数值模拟方法越来越多地应用于研究断裂特征的聚乙烯醇缩丁醛在开裂模拟夹层玻璃的独特优势。徐和藏35),藏et al。36高,和藏37]研究了聚乙烯醇缩丁醛断裂机理的影响夹层玻璃的基础上离散单元法(DEM)。陈等人。38)数值研究了聚乙烯醇缩丁醛的开裂行为夹层玻璃框架梁在低速冲击下的内聚区建模与外在凝聚力的玻璃厚度裂纹建模模型。在开裂过程中应力波的传播也主要是分析。基于扩展有限元法(XFEM),徐et al。39和徐et al。40)建立了聚乙烯醇缩丁醛夹层玻璃板模型受到冲击荷载验证速度径向裂纹和裂纹形态和深入调查其径向和圆形裂纹扩展机制。

然而,作为一个关键参数来表示裂纹驱动力和解释开裂的裂纹扩展行为机理分析,动态应力强度因子(DSIF)无法轻易获得通过实验方法。应力波的传播过程中开裂对裂化反应也可以有重要影响的聚乙烯醇缩丁醛夹层玻璃冲击荷载下。除此之外,很少可用数值研究探索的开裂行为聚乙烯醇缩丁醛在out-plane夹层玻璃冲击荷载从DSIFs的角度和压力波。因此有必要探讨动态裂纹扩展行为的聚乙烯醇缩丁醛夹层玻璃的基础上DSIFs和压力波。因此,聚乙烯醇缩丁醛层压玻璃板块的数值模型建立一个分层结构。数值模型的模拟与传播然后通过模拟和实验结果的比较验证径向裂纹扩展过程中,由高速摄影系统记录。进一步,时间的历史DSIFs与固定裂缝模拟,计算和应力波和裂纹尖端之间的交互也介绍了裂纹扩展之间的关系来解释行为及其驱动力。最后,参数研究五个关键参数,即板尺寸、裂纹长度、冲击能量,玻璃的属性,和聚乙烯醇缩丁醛的性质,进行了基于XFEM,揭示了裂纹扩展行为的法律聚乙烯醇缩丁醛夹层玻璃盘子。

2。实验和数值的细节

2.1。实验设置

落锤装置结合高速摄影实验系统(21- - - - - -23画在图1。150毫米×200毫米矩形试样的夹层玻璃是用于实验,它包含一个0.76毫米聚乙烯醇缩丁醛层间夹由两个2毫米碱石灰玻璃表和是用相同的工业加工技术制作的汽车挡风玻璃。落锤装置用于应用垂直荷载通过与不同的高度自由落体。同时,影响方向转换器与半球形端转移水平载荷的垂直负载样品中心,即加载方向垂直于试样平面。采用高速摄影系统记录实时玻璃层试样裂纹扩展过程。径向裂纹形态记录在电影和裂纹扩展速度计算(22]。

2.2。计算模型

在这项研究中,三维(3 d)有限元(FE)模型组成的撞击器,预制裂纹和聚乙烯醇缩丁醛夹层玻璃板如图2。四分之一的积层板和撞击器建模利用对称结构。气缸撞击器的质量是2公斤通过实验撞击器等效密度相同的质量。2毫米厚裂纹的长度一个(如图2)被放置在玻璃层的叠层板的中心支持,裂缝和结构对称线之间的角度是45度。为了消除结构不对称的影响,广场叠层板模型尺寸200毫米×200毫米的平面方向介绍了研究其裂纹扩展特征。积层板模型符合2毫米×2毫米(在平面方向)3 d eight-node减少集成固体(C3D8R)元素。由于存在应力集中和裂纹尖端的应力梯度很大,需要网状裂纹尖端区域有足够细的元素来实现应力应变准确。对于这个目的,四种网格大小在平面方向的裂纹尖端区域,也就是说,0.35毫米×0.35毫米,0.7毫米×0.7毫米,1毫米×1毫米,和2毫米×2毫米,应用于达到一个稳定的收敛的计算模型。结果如图所示3,我DSIFs的模式节点1(节点1到节点9在裂纹尖端在图中定义2)与固定的裂纹长度在5米/秒速度的影响。可以看到,所有的模拟显示相同的振荡频率和网格细化只有对振荡振幅的影响。因此,0.35毫米×0.35毫米的配置可用于进一步充分模拟。在纵向方向,标本的叠层结构建模与20个元素层,其中外8元素层代表玻璃层和内4层的聚乙烯醇缩丁醛夹层(如图2)。因此,叠层结构的每一层都有超过三个集成点,保证计算的准确性和分析在纵向方向。

加强积层板模型的边界条件和无摩擦地对地接触撞击器和标本采用模拟真实的实验条件。作为典型的粘弹性材料,聚乙烯醇缩丁醛夹层与线性弹性模型模拟剪切模量和体积弹性模量,再加上一个粘弹性模型。的弹性模量和泊松比被描述为(42] 在哪里和是聚乙烯醇缩丁醛的体积弹性模量和剪切模量的短暂时间,分别。广义麦克斯韦模型使用普龙尼系列介绍了一项模拟粘弹性的聚乙烯醇缩丁醛(42]: 在哪里的松弛模量是时间的函数,长时间的剪切模量,然后呢衰减系数。

作为典型的脆性材料,玻璃层是由线性弹性模型。引用参数的玻璃层、聚乙烯醇缩丁醛夹层和撞击器表中列出1。

相同的维数的计算模型建立了实验系统使用汽缸撞击器和叠层板模式39)来验证了上述模型的有效性。然后验证实验系统模型在模拟传播通过定性方法(径向裂纹形态)和定量方法(裂纹扩展速度)如图4和5,分别。从图可以看出4,共有22个径向裂缝存在的实验图像和他们中的大多数已经传播到边界的样本图所示4(一)。相比之下,20径向裂缝在边境附近都有传播模拟图像如图4 (b)。因此,裂纹扩展过程和裂缝形态的模拟与实验结果吻合较好。图5显示了裂纹速度随时间的变化曲线之间的比较实验和仿真结果。可以观察到,在模拟裂缝传播时间历史记录原始裂纹的增量,preembedded初始缺陷的模型。实验和仿真结果的另一个区别是,梯度递减阶段的速度曲线的模拟小于实验。负责任的原因应该是橡胶垫精神夹和玻璃板之间使用,以避免可能的伤害在旋入实验。反弹速度模拟仿真中没有提供缓冲垫高。所以峰值以及仿真结果的历史是在良好的协议与实验结果。计算结果与相应的实验结果吻合较好,从定性和定量角度。因此,一个可靠的有限元模型建立质量相当高,可以采用聚乙烯醇缩丁醛为进一步研究裂纹行为的夹层玻璃。

2.3。XFEM基础

XFEM扩展有限元方法,基于广义有限元法数值计算方法和统一的分区方法,扩展了传统的分段多项式函数空间有限元方法和额外的浓缩功能。XFEM不需要更新跟踪裂纹路径和粗网格可以获得准确的解决方案(43,44]。

的位移插值XFEM描述如下(43]: 在哪里在元素的节点数量减少裂纹;是节点的数量与裂纹尖端元素;是传统的形状函数;是传统的节点自由度模形状函数;和与亥维赛函数相关联的节点自由度模吗,下面的价值高于裂纹和−1裂纹。裂纹尖端浓缩功能表示为(43] 在哪里是一个集成点和(r,)表示的坐标值极坐标系统位于裂纹尖端。

可以找到的细节XFEM (43- - - - - -45]。

2.4。动态应力强度因子的计算

例如,在线性断裂力学,钠钙玻璃,动态应力强度因子()被广泛用于描述裂纹尖端附近的应力和位移场,在那里,,是模式I, II, III DSIFs。DSIFs相关能量释放率(J可以被描述为积分) 在哪里SIF向量,prelogarithmic能量因子矩阵,对角均匀和各向同性材料。因此,方程可以简化 在哪里平面应力和平面应变。

的相互作用积分法(46]介绍了计算裂缝DSIFs复杂载荷作用下,而不是根据一个已知的J积分。的J积分可以形容 关于一个辅助纯I型裂纹尖端场,DSIF可以被定义为 然后叠加辅助字段的实际收益率 自 积分的交互模式我场可以表示为 模式二世和模式III,可以获得相似的结果:

2.5。裂纹扩展的标准

在静态情况下,通常表示为开放式裂纹扩展标准,在那里和(玻璃:)静态应力强度因子和静态断裂韧性,分别。同样,被定义为开放式动态裂纹扩展标准(47),与时间相关DSIF和与应变率相关的动态断裂韧性。是由实验决定的,而通过动态结构分析决定。由于裂缝生成在线性弹性层玻璃,加载速率的影响可以忽视我们的讨论范围内的冲击速度(48,49]。因此,利率的敏感性玻璃层可以忽略在层压玻璃断裂机理的分析,也就是说,。

2.6。裂纹传播方向

采用最大切向应力判据计算裂纹传播方向,不考虑这些标准。在的情况下(或,在那里和法向应力和切向应力,分别地。,r和θ在裂纹尖端在极坐标平面垂直于裂缝平面),裂纹扩展角相对于裂纹面可以获得46]: 在哪里表示连续的裂纹扩展方向。对应于,而代表。

2.7。模拟与固定裂缝

根据我们先前的实验研究[23),有三种类型的裂缝聚乙烯醇缩丁醛叠层板在冲击荷载下,也就是说,径向裂缝的支持方面,径向加载,裂缝和环形裂缝在支持,支持边加载边在图中定义2。此外,径向裂缝出现在周向裂纹,而径向裂缝生成支持方面比径向加载端和径向裂缝裂缝两边完全重合。因此,研究径向裂纹传播行为支持方面是相当重要的调查PVB夹层玻璃的断裂特性。

然后,一系列的动态响应数值模拟夹层玻璃固定裂缝进行不同影响条件下利用商业有限元软件有限元分析。在我们的模拟中,裂缝是静止和指定材料在裂纹尖端应该在原始条件预测裂纹扩展。五个变量的结构和材料,板尺寸、裂纹长度、冲击能量,玻璃的属性,和聚乙烯醇缩丁醛的性质,介绍了进行参数研究部分4,列出了详细的参数研究中变量设置表2与其他参数保持在他们的引用值表所示1。

3所示。分析时间DSIFs的历史

在动态断裂的条件,DSIFs函数的时间和时间的深入分析历史DSIFs有助于充分理解裂纹扩展特征。图6(一)显示的速度和加速度时间历史撞击器的初始速度5 m / s,和相应的模式I, II, III DSIFs节点在裂纹尖端如图16 (b)。可以看出,加速度曲线和DSIF曲线表现出正常的波动之前相同的法律,而加速度曲线几乎没有波动,DSIF曲线后仍有轻微的正常波动。由于撞击器已经离开后的板,压力波的存在导致DSIF曲线的波动在整个时间进程和波峰出现在裂纹尖端与压力波,表明裂纹尖端之间的交互和压力波占DSIFs的变化。因此,裂纹尖端之间的交互的时间和压力波对应DSIFs的波动波峰。

自远远大于和(图6),裂纹尖端场复杂裂纹尖端领域的模式我是主导地位21,22),也就是说,混合模式DSIF,我DSIF模式可以引入代表DSIF的代码。图7显示了模式我DSIF时间节点1的历史节点8在裂纹尖端的冲击速度下5米/秒(图7 (b)显示了数据前5×10⁻⁵年代)。可以看到,模式我DSIFs节点1 8节点在裂纹尖端开始迅速上升后被定义为滞后时间的时间差,然后在相同的规律性波动冲击应力波,最后略有波动的峰值减少残余应力波,所以整个过程可以分为三个阶段:滞后阶段,交互阶段,剩余阶段。介绍了应力波的传播过程来解释这一现象(如图8):产生压应力波的影响,传播从加载到支持在厚度方向。然后压应力波反射从支持(自由表面)拉应力波,由横波,纵波和瑞利波。拉应力波进一步传播到边界和反映裂纹尖端(通过玻璃层横波和纵波,而瑞利波在自由表面支持的一面),导致DSIFs的波峰。此外,模式我DSIFs节点1 8节点减少一个接一个的削弱反射拉应力波在传播过程中,在高峰时期几乎没有区别这些节点的极高压力波的传播速度。因此,双向拉应力波的传播导致DSIFs的波动。

涉及压力波的速度表示如下(50]: 在哪里,,站的纵波速度,剪切波和瑞利波,分别;,,代表杨氏模量、泊松比和密度,分别。层接口会导致大量的应力波反射和进一步大幅推迟应力波传播。类似的延误也被发现在其他实验研究[14]。因此,DSIF的滞后时间,压应力波的传播时间最短边支持加载,可以表示为 在哪里,,通过玻璃层代表纵波的传播时间,聚乙烯醇缩丁醛层间,分别和层接口。类似地,节点1和节点之间的传播时间的间隔8 此外,当DSIF增加的时间动态断裂韧性与应力波积累,也就是说,,被认为是模拟的传播时间。模拟裂纹扩展的节点1到8节点和相应的线性拟合结果见图9;然后模拟传播节点1和节点之间的时间间隔8可以计算为4.55×10⁻⁷在良好的协议与理论计算。

根据应力波传播理论,裂纹扩展首先发生在节点1,所以裂纹扩展特征参数研究关注模式我DSIF在节点1节4。

4所示。讨论

4.1。影响板的尺寸

三种不同板尺寸(0.05米×0.05米,0.1米×0.1米,0.2米×0.2米)在平面方向被认为是研究维度影响裂纹传播特性的玻璃层。图10给出了板尺寸对模式的影响我DSIF节点1。可以看到,交互阶段是越来越长和峰值DSIF将小增加板的大小在相同冲击能量由于降低结构的刚度。时,裂纹尖端的应力波传播所需的板块边界和返回到裂纹尖端变得更长时间由于增加板的边缘长度;因此DSIF峰值的时间间隔,即波动周期,增加而增加板的大小完全一致的仿真结果如图10。

4.2。裂纹长度的影响

图11显示我在节点1 DSIF曲线模式与不同的固定裂缝长度(0.01米、0.02米和0.04米)的冲击速度下5 m / s。可以看到,与固定的裂纹长度的增加,延迟时间会按比例增加(图11 (b))和峰值时间推迟与波动频率(波动周期的倒数)改变(图(11日))。自从pre-crack长度增加时,应力波传播路径从撞击点到裂纹尖端的增加,导致延迟时间的增加,从裂纹尖端的传播路径和近端边界减少,而增加远端边界,从而导致波动频率的变化。此外,DSIF随pre-crack长度的增加,由于增加传播路径的影响指出裂纹尖端导致增加的应力波减弱。

4.3。冲击能量的影响

两个方面,介绍了冲击速度和影响质量,探讨冲击能量对开裂的影响传播特性的玻璃层。节点1的模式我DSIFs不同冲击速度和冲击质量给出了数据12(一个)和12 (b),分别。如图12冲击速度的增加和影响质量的增加导致峰值模式我DSIF阶段,几乎没有影响DSIF曲线的波动频率。此外,撞击器和板之间的互动时间增加而影响质量的增加,但速度不受影响。因为撞击器的加速度速度主要受影响,撞击器的反弹时间增加而影响质量和冲击速度几乎没有变化。总之,冲击能量的增加导致应力波积累的增加,也就是说,高峰DSIF,虽然它对应力波传播速度几乎没有影响,也就是说,波动频率。

4.4。玻璃性能的影响

在静态情况下,应力强度因子与材料的杨氏模量和密度。然而,在冲击加载条件下,裂纹尖端的应力波积累导致裂纹扩展;因此,应力波传播速度起着至关重要的作用在裂纹扩展特征。我们可以看到从(14)、纵波、横波、表面波速度都是杨氏模量和密度的函数。除此之外,应力波速度与杨氏模量成正比,密度成反比。

数据(13日)和13 (b)显示玻璃杨氏模量的影响和密度我在节点1 DSIF模式。可以观察到,大杨氏模量对应的短交互阶段,大峰DSIF由于结构刚度的增加,而密度变化小的长度影响交互阶段和高峰DSIF与结构刚度不变。此外,滞后时间增加,高峰时间推迟,杨氏模量的减少或密度的增加导致应力波速度的降低。此外,应力波传播时间变得长了杨氏模量的减少或密度的增加;因此,波动频率随杨氏模量的增加或减少的密度,这同意与仿真结果如图13。

4.5。聚乙烯醇缩丁醛的性质的影响

作为玻璃层纵向裂纹的边界,聚乙烯醇缩丁醛夹层对DSIFs玻璃层具有重要的影响。数据(14日)和14 (b)显示聚乙烯醇缩丁醛杨氏模量的影响和密度在节点1模式我DSIF曲线。可以看到,交互阶段和峰值DSIF与聚乙烯醇缩丁醛杨氏模量的增加减少由于结构刚度的增加,而密度变化小的长度影响交互阶段和高峰DSIF与结构刚度不变。此外,波动频率增加而提高聚乙烯醇缩丁醛杨氏模量或聚乙烯醇缩丁醛密度的降低。根据(14),玻璃层的应力波传播速度远高于聚乙烯醇缩丁醛夹层;因此聚乙烯醇缩丁醛的存在层间有一个抑制玻璃层对应力波传播的影响,从而导致应力波传播时间的增加在玻璃层。

粘度届的广义麦克斯韦模型可以表示为 看到,剪切模量比和延迟的因素粘度是两个主要因素,即粘度成反比。数据14 (c)和14 (d)给剪切模量比和延迟的影响因素模式我在节点1 DSIF曲线。可以得出结论:交互阶段,DSIF峰值,波动周期与聚乙烯醇缩丁醛的增加粘度降低。此外,剪切模量比率比延迟因素有更大的影响力。放松期间发生在聚乙烯醇缩丁醛夹层的影响,导致了聚乙烯醇缩丁醛模量的减少。聚乙烯醇缩丁醛模量随着粘度的增加下降得快,这解释了粘度的效果。然而,应力波传播时间远小于聚乙烯醇缩丁醛弛豫时间,只有少量的放松期间发生的影响。因此,延迟的影响因素DSIF明显不如剪切模量比。

5。结束语

聚乙烯醇缩丁醛的裂纹扩展特性,夹层玻璃在低速下调查XFEM框架的影响。聚乙烯醇缩丁醛层压玻璃的3 d模型,提出了定性和定量验证通过与实验结果比较了高速摄影系统。固定裂缝的验证数值模型是用于系统地研究裂纹扩展行为。脆弱的时间历史DSIFs以及应力波的传播是派生解释裂纹扩展机制。

此外,五个关键变量、结构和材料,板尺寸、裂纹长度、冲击能量,玻璃属性,和聚乙烯醇缩丁醛的性质,介绍了进行参数研究。发现裂纹尖端之间的交互和压力波和双向拉应力波的传播导致DSIFs的波动,这对应于板尺寸和裂纹长度的影响。能源和玻璃性能的影响导致DSIF高峰值的变化和波动频率,分别。作为玻璃层纵向裂纹的边界,聚乙烯醇缩丁醛夹层对DSIFs玻璃层具有重要的影响。

这项研究可能提供基本的裂纹扩展规律研究开裂机制的聚乙烯醇缩丁醛夹层玻璃冲击荷载条件下的未来。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

支持的工作是由中国国家自然科学基金(11372164和11372164)和清华大学拨款20121080050和20121080050号。