地面爆炸载荷作用下钢化夹层玻璃中空结构的动态响应与破坏机理

Insulating laminated tempered glass(ILTG) structures are widely applied to windows of high speed train, automotive as well as modern architectures due to the combination of laminated tempered glass safety and insulating glass energy efficiency, which results in that the blast resistance of ILTG has growly become hot research suffer to ultrastrong loads like terror attack and accidental burst. .In this project, the dynamics response and breakage mechanism of ILTG curtain under blast loads on ground have been investigated by means of experimental test, theoretical analysis and numerical simulation. Constitutive relationship of tempered glass from micro damage evolution to macro break, and viscoelastic plasticity model of polyvinyl butyral (PVB) interlayer, are established by material dynamic mechanics experiment under high rates. Blast loads acted on the outer glass ply are determined using the theorem of regular and irregular reflection of shock wave considering the negative phase, and the global responses of displacement and stress of glass plies are theoretically analyzed. Arbitrary Lagrange Euler(ALE) finite element models of ILTG curtain subject to ground blast are built to study the effects of boundary conditions, thickness of laminated tempered glass and PVB, glass ply sizes on the blast resistance and failure modes of ILTG. Theoretical and computational models are validated and corrected by field blast test results, then a large numbers of calculations are performed. Finally, P-I diagram and geometry parameters chart of ILTG are given for the purpose of blast resistant design.

钢化夹层玻璃中空结构兼顾钢化夹层玻璃的安全性和中空玻璃的节能优势，被应用于高速列车、汽车和现代建筑的门窗，在恐怖袭击或偶然爆炸等超强载荷作用下的抗爆性能研究，日益成为研究热点。本项目采用实验测试、理论分析和数值模拟方法研究中空钢化夹层玻璃幕墙在地面爆炸载荷作用下动力响应与破坏机理。通过高应变率条件下材料的动态力学性能实验研究建立钢化玻璃从细观层次的损伤演化到宏观破坏的本构关系和PVB胶层的粘弹塑性模型；应用地面爆炸冲击波的规则反射和非规则反射原理给出作用在玻璃上的爆炸载荷（考虑负压段），理论分析玻璃面板的位移、应力等整体动力响应；建立玻璃幕墙在地面爆炸作用下的ALE有限元模型，研究边界条件、夹层玻璃和PVB厚度、玻璃面板尺寸对其抗爆性能和失效模式的影响；通过野外爆炸试验测试，验证和修正理论分析和计算模型的有效性，进一步进行大量计算，给出用于抗爆设计的P-I图和玻璃结构几何参数选择图表。

本项目针对中空钢化夹层玻璃兼具钢化夹层玻璃优异的抗爆抗冲击能力和中空玻璃较好的隔热性能，采用实验测试、理论分析和数值模拟相结合的方法，系统研究了钢化夹层玻璃、中空钢化玻璃和中空钢化夹层玻璃等三类复合玻璃在爆炸和低速落锤冲击载荷下的动力响应和破坏模式，重点分析了PVB胶层的力学及几何参数、玻璃面板的几何参数、空气层厚度等变量对其抵抗爆炸冲击破坏的影响，取得了以下创新性研究成果：1）基于平均最小破坏速度法，采用落锤加载装置及力学测试系统研究了双层和三层钢化夹层玻璃在不同冲击能量下的破坏模式与破坏程度，获得了两种钢化夹层玻璃发生初始破坏（玻璃破坏）和后破坏（胶层失效）的最小冲击能量；同样，对中空钢化玻璃和中空钢化夹层玻璃开展了详细的冲击实验研究，给出了玻璃面内尺寸及厚度分布、胶层与空气层的厚度等对其破坏模式的影响，详细讨论了裂纹产生位置和出现顺序、扩展以及破坏机理；2）采用自制的弹道冲击摆对小尺寸钢化夹层玻璃与中空钢化夹层玻璃（300*300mm）以及大尺寸钢化夹层玻璃（1000*1000mm）开展了大量的野外爆炸实验，确定了钢化夹层玻璃爆炸安全的最小爆距和最大TNT药量，分析了炸药的爆炸比例距离、胶层厚度、空气厚度、玻璃尺寸对中空钢化夹层玻璃破坏模式、破坏层数、破坏程度以及裂纹分布规律的影响，为绘制其P-I图提供了数据支撑；3）建立了钢化夹层玻璃、中空钢化夹层玻璃爆炸响应的流固耦合计算模型，掌握了这两类复合玻璃的动力响应、裂纹扩展模式与其参数的相关性；4）开发了零厚度内聚力单元模拟脆性材料破坏的PYTHON程序，应用能量-位移损伤演化准则模拟了低速冲击载荷下钢化夹层玻璃裂纹扩展过程；5）基于薄板的大挠度、小挠度理论和层合板理论，给出了夹层玻璃和中空钢化夹层玻璃等效厚度和等效刚度的理论计算公式，并得到其了爆炸响应规律；6）应用欧拉屈曲理论给出了双层、三层和四层钢化夹层玻璃梁在三种不同约束条件下的临界屈曲载荷，为其工程应用提供了理论依据。