建筑玻璃冲击力学性能的实验研究

建筑玻璃冲击力学性能的实验研究

1玻璃的冲击试验研究玻璃是一种典型的柔性材料。由于其良好的力学性能，如优秀的光学特性、高的破坏强度和低密度，它被广泛应用于航空航天和军事用途。由于其透明性,价格低廉,浮法玻璃作为建筑材料用作门窗。随着国际反恐的发展,国内外对玻璃的爆炸冲击力学性能研究越来越多,但主要集中在军用上,如控制暴动或处理爆炸品的防护头盔和军用透明装甲系统等,而民用方面很少涉及。如Knight等用高速摄影机研究了耐热玻璃和Soda-lime玻璃表面的小钢球冲击破裂过程,但仅观测了产生的裂纹。Kurkjian等研究了小钢球对玻璃表面冲击时玻璃的弹性和非弹性的问题。Kwang-Hee等研究了冲击载荷作用下玻璃的穿透断裂特征,对比了浮法玻璃在静态载荷下的实验结果和理论解,分析了在高速冲击下产生断裂的临界值,但对中高应变率的冲击载荷没有涉及。Sun用ContinuumDamageMechanics(CDM)模型研究玻璃的抗石块冲击试验。Nie等用改进的SHPB和高速摄像机研究了硼硅酸盐玻璃在压剪载荷作用下的动态失效。Nie等用四点弯曲方法通过SHPB和MIT试验机来研究硼硅酸盐玻璃的抗张强度。玻璃作为一种常见的建筑和装饰材料,不管是在民用住宅还是公共建筑中,都有大量广泛应用。然而建筑玻璃种类繁多,分类方法也多种多样,如果都加以细致研究很不现实。本文将根据现有玻璃的应用现状,以普通浮法玻璃、钢化玻璃两个应用层次的典型代表,利用SHPB技术研究以上两种玻璃在爆炸冲击作用下的力学性能,为以后科学防控提供理论指导作用。2实验过程2.1密度和细率测定本实验玻璃试样是由北京洛波中空公司提供。试样尺寸:ϕ32(±0.5)mm×14.5mm,其化学成分见表1,形状见图1,其他力学性能参数如下:密度ρ=2400kg/m3,弹性模量E=70GPa,泊松比ν=0.22。为保证实验准确,所有试样不作抛光和打磨处理;为防止试样破碎飞散,其径向用双面胶固定。试样表面在冲击时敷以黄油(或凡士林)防止摩擦影响。2.2实验材料及运动过程分离式霍普金森压杆(SHPB),最初由Kolsky改进,现已成为测试材料高应变率(102～104/s)下动态力学性能的重要手段之一。对于玻璃材料的SHPB试验,同样也要满足三个基本假设,即一维假设(横向应力为0)、弹性假设和应力应变均匀性假设,才可以获得有效的测试结果。图2是典型的分离式霍普金森压杆,而图1为实验样品:(a)浮法玻璃,(b)钢化玻璃(钢化度σM=42MPa)。对玻璃材料的SHPB试验,根据均匀性假设,入射波信号εΙ、反射波εR和透射波εT三组应变信号存在如下关系:εΙ+εR=εT(1)利用一维弹性应力波理论,可以得到以反射脉冲和透射脉冲表示的应力应变曲线,其中试件中的应力(假设压应力为正)σ(t)、应变ε(t)和应变率(t)的计算公式如下:σ(t)=AA0Eεt(t)σ(t)=AA0Eεt(t)ε(t)=-∫t00tr(s)ds(t)=−2c0Lεr(t)(2)(t)=-2c0Lεr(t)(2)式中:A0为试样的初始横截面积,A为Hopkinson压杆的横截面积,E为Hopkinson压杆的杨氏模量,εt(t)为透射杆中的透射应变,εr(t)入射杆中的反射应变。实验所用SHPB基本力学参数:密度ρ=7740kg/m3,弹性模量E=206GPa,泊松比ν=0.29,入射杆、透射杆和卸载杆尺寸均为:ϕ50mm×800mm。3结果和讨论3.1模拟测试与实验结果对比,学生材料性能对比;如果测试在考虑SHPB试验中的各种影响因素对测试结果的干扰时,可以采用重构的方法来检验测试的有效性。重构的方法就是按照实际的测试结构,预先假设试样材料的性能,然后通过对整个测试过程的模拟得到试样的这部分材料性能。最后,将模拟测试得到的材料性能与预设的材料性能对比,就可以对测试的有效性进行评价。本文利用ANSYS/LSDYNA采用MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS模型来重构浮法玻璃的应力-应变曲线。预设重构的应力-应变曲线和实验得应力-应变曲线的对比如图3所示。两条曲线的差别小于5%,因此玻璃的SHPB试验是有效的,由此得到的应力-应变曲线可以反映材料的真实性质。3.2应力脉冲冲击韧性分析为保证实验的代表性,每种速率3个试样。图4a是浮法玻璃4b是钢化玻璃的原始波形,下面是典型的入射波,反射波和透射波的原始波形。当试样达到动态平衡时,从公式(2)可知反射信号与试样应变率成正比。图4中反射波信号上的平台显示试样在达到最大应力前,经历了一个恒定应变率。图5a是典型的线弹性脆性材料曲线,可算出其弹性模量E=70.125GPa,与其理论值相当吻合,应变小于0.01即发生破坏。对图5b,与图5a相比相差很大,先是线弹性阶段,然后进入“塑性”屈服阶段,最后进入应力下降段。由于玻璃是典型的脆性材料,几乎不存在塑性屈服阶段,我们把这一阶段称之“伪屈服”,因为其屈服机理与金属材料完全不同。钢化玻璃之所以表现出以上特殊的现象,是与其内部复杂的应力状态有关。玻璃均匀加热后,经冷气流冲击外表面变冷并拉紧,处于收缩状态。但其内部温度仍在软化范围内,需要占据比表层所允许大的空间。这样冷却后处于张应力状态,而表层则处于压应力状态,则存在弹性能设为。同时其弹性模量可算出:E=62.50GPa左右,比浮法玻璃略有下降,而冲击应变到0.17左右才开始破坏。从图6中的应变时间曲线中可知:浮法玻璃在V=7.5m/s速度冲击时的平均应变率是150s-1左右(图6a),而钢化玻璃在V=8.82m/s时的平均应变率850s-1左右(图6b),约是浮法玻璃的5.6倍;弹性段(拐点前)的平均应变率是635s-1,约为浮法玻璃的4.2倍。由公式(1)可知,图6a中应变率时间曲线围绕某一应变率上下振荡,而图6b中曲线由于出现拐点,在拐点处其应变率时间曲线是类似与开口向下的“抛物线”。玻璃(固体)的强度,相当于材料内聚健分子结构可以承受的最大应力。玻璃是典型的脆性材料,在动态载荷作用下,其Grifith能量表达式为:U=(-WL+UE)+US+UK(3)其中U为试样总能量,WL为外加载荷做功,UE弹性体应变势能,US自由表面能,UK系统动能,(-WL+UE)试样机械能。冲击载荷冲击时,一方面浮法玻璃存在的大量微裂纹扩展,其两侧的约束应力突然松弛,机械能必然减少,进入能量较低状态;另一方面,表面能却随裂纹扩展增加,因为新型裂纹的产生,要克服分子引力造成的内聚健。在存在动能项,应变率较小,应力脉冲时间较短时,断裂将是不完全断裂,随着应力脉冲的每次通过,裂纹按台阶式一步步扩展;应变率较大,应力脉冲时间较长时,不仅发生完全断裂,而且“陷”在霍普金森杆分离部分的动量会使该部分分离出来,造成“散射”或“脱痂”现象,即试样碎片向外散射。对于钢化玻璃,其Grifith能量表达式应增加Ue项,即:U=(-WL+UE)+US+UK+Ue(4)在冲击载荷冲击时,应力脉冲不仅要克服分子内聚健的引力,即自由表面能,还要克服钢化玻璃的弹性能Ue,其强度大大高于浮法玻璃。同时由于钢化玻璃表层则处于压应力,中间张应力状态,从而使弹性能Ue具有类似于弹簧的弹性,应力应变曲线对外表现为“伪屈服”现象。4玻璃的性能分析(1)通过对比研究发现在相同条件下,钢化玻璃在应力、应变率、抗冲击性能等方面表现出比浮法玻璃更好的力学性能;钢化玻璃在抗冲击