【摘 要】
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玻璃材料具有耐高温、耐腐蚀和透光性好等优异的性能,在国民生产生活中扮演着重要的角色,被广泛应用于建筑幕墙、门窗、汽车风挡和航空航天等领域中。但是,玻璃结构作为一种典型的低强度脆性材料,在使用的过程中难免会受到爆炸冲击等强载荷的作用而发生损伤破坏,因此其抗冲击性能具有重要的研究价值。然而,目前对于强载荷下玻璃材料的裂纹扩展和破坏形态的数值模拟大多是基于传统的连续介质力学,需要引入额外的损伤准则和网格
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玻璃材料具有耐高温、耐腐蚀和透光性好等优异的性能,在国民生产生活中扮演着重要的角色,被广泛应用于建筑幕墙、门窗、汽车风挡和航空航天等领域中。但是,玻璃结构作为一种典型的低强度脆性材料,在使用的过程中难免会受到爆炸冲击等强载荷的作用而发生损伤破坏,因此其抗冲击性能具有重要的研究价值。然而,目前对于强载荷下玻璃材料的裂纹扩展和破坏形态的数值模拟大多是基于传统的连续介质力学,需要引入额外的损伤准则和网格的特殊处理,无法精确模拟出裂纹的自发萌生和扩展等动态响应行为。本文以数值模拟分析为主,试验和理论为辅,基于近场动力学(Peridynamics,PD)方法研究了三种类型玻璃结构在爆炸冲击载荷下的裂纹扩展和损伤破坏行为,突显近场动力学方法在脆性材料数值模拟分析中的优势。具体研究内容和结果如下:(1)讨论了经典连续介质力学和近场动力学理论之间的区别和联系,推导了PD理论中的三种本构关系,为后文的数值模拟提供了必要的理论支撑,并简要介绍了关于PD数值模拟有限元软件和开源软件的实现方式。(2)利用单元删除法、不连续伽辽金PD(DG-PD)法和无网格粒子PD(M-PD)法分别模拟了冲击载荷下单层平板玻璃的动态响应,并分别以最大主应变、等效塑性应变和损伤因子来分别表示其损伤程度和裂纹扩展路径。发现单元删除法可大致模拟出玻璃在冲击载荷下的损伤形貌,但在捕捉裂纹分叉和贯通等方面略显不足,未见玻璃碎片的飞溅,无法通过对碎片飞溅速度评估其安全性能;DG-PD法中环状裂纹和径向裂纹明显,裂纹具有很高的对称性,冲击点和边框处有大量玻璃碎片的飞溅;M-PD法中能捕捉到径向裂纹和环向裂纹,且裂纹的对称性较好,近场域和冲击速度对平板玻璃的动态响应有着重要的影响,但就损伤形态而言,M-PD法和DG-PD法具有很高的一致性。(3)提出了一种新型的透明夹层结构,利用轻气炮试验装置探究了其在高速冲击载荷下的抗冲击性能,重点分析了陶瓷玻璃层和无机玻璃层的裂纹扩展行为,并采用DG-PD法对模型进行了相应的数值模拟。发现冲击试验和数值模拟均能很好地重现透明夹层结构的裂纹扩展过程,陶瓷玻璃层和无机玻璃层径向裂纹和环向裂纹明显;相比于试验而言,数值模拟可方便地观察到各层的损伤破坏和具体碎片的飞溅情况;陶瓷玻璃层和无机玻璃层吸收了冲击过程中的大部分能量,是此透明夹层结构抗冲击性能的重要体现。(4)针对爆炸载荷下夹层玻璃结构的裂纹扩展和损伤破坏行为进行了研究,通过部分试验和数值模拟的相对比来验证不连续伽辽金PD法的有效性和精确度,并采用大量工况说明爆炸距离、炸药当量、胶层厚度和玻璃厚度配比对夹层玻璃结构动态响应的影响。发现DG-PD可以很好地模拟夹层玻璃自发断裂失效和裂纹扩展行为;爆炸距离、炸药当量和PVB胶层厚度对夹层玻璃结构的动态响应有着显著的影响;通过对不同药量炸药下外层玻璃向内凹陷的最大挠度的比较,发现DG-PD方法与实验、单元删除法结果有很好的契合度,且DG-PD方法的误差范围低于单元删除法;DG-PD方法中外层玻璃的能量吸收率远远高于内层玻璃和PVB胶层,同时内外层玻璃厚度的分布对能量吸收率也存在很大的影响,DG-PD方法与单元删除法结果有很高的一致性。
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