爆炸载荷下夹层玻璃的动态响应及裂纹扩展的研究

摘要

夹层玻璃是一种新型复合结构，由玻璃与胶层经过高温高压制作而成，具有透光性好、不褪色、耐疲劳、抗风化性强、易安装的优点。近年来，夹层玻璃作为主要安全防护结构已广泛应用于建筑行业、汽车行业、航空航天、轮船制造等领域。然而，随着世界各地恐怖主义的日益猖獗，高大的标志性建筑，汽车、地铁、轮船等都处于被攻击的范围内。因此，为了保证人员的安全，减小恐怖事件造成的生命财产的损失，夹层玻璃的抗爆、防爆性能已是国内外研究的热点。
　　结合近年来国内外学者在夹层玻璃抗爆性能方面的研究成果，本文采用实验、数值模拟与理论分析的方法，对爆炸载荷作用下夹层玻璃的动态响应以及裂纹扩展规律进行了分析和研究。具体内容包括:(1)采用实验的方法对夹层玻璃在爆炸载荷下的动态响应进行了研究，通过改变单层玻璃厚度、炸药当量与爆炸距离，分析了不同爆炸环境下夹层玻璃的动态力学行为。采用LS-DYNA有限元仿真软件，建立了夹层玻璃爆炸实验的有限元模型，使用ALE单元算法与FSI流固耦合的接触方式对爆炸过程中爆炸冲击波与夹层玻璃的相互作用进行了数值模拟，并将模拟结果与实验进行了对比验证;(2)采用LS-DYNA软件对爆炸载荷下夹层玻璃的裂纹扩展规律进行了研究，爆炸载荷选用软件内嵌的*LOAD_BLAST加载方式，模型网格使用四面体和六面体相交的划分方法，描述了玻璃裂纹的产生与扩展过程，对比了不同载荷下夹层玻璃的破坏机理;(3)基于弹性力学中的经典薄板大、小挠度理论和复合材料力学中的层合板刚度理论，对均匀载荷下四边简支的夹层玻璃的挠度进行了理论分析，并将文中推导的理论挠度与文献[14]中的结果进行了对比验证，采用理论和FEA的方法研究了非对称厚度夹层玻璃的最大挠度。
　　通过研究，本文取得以下3方面的成果:1、爆炸实验方面:(a)玻璃作为主要的承载结构，其厚度对夹层玻璃的抗爆性能有很大的影响;随着内、外层玻璃厚度的增加，夹层玻璃的抗爆能力有明显的改善;(b)炸药当量和起爆距离是决定超压大小的主要因素，改变炸药量或起爆距离对夹层玻璃的动态响应有很大的影响;(c)通过分析夹层玻璃内层自由面的应变可知，应力波在自由端面反射为拉伸波，内层玻璃的自由表面主要承受拉应力，应变片呈现拉应变;较少的压应变则是由于玻璃的振动与外界环境的干扰造成的。2、夹层玻璃裂纹扩展的模拟结果表明:(a)爆炸距离不变，增加炸药当量，径向裂纹数量逐渐增多，由中心向边界呈辐射状扩展;药量较小时环向裂纹不明显，只在中心处有少量产生;(b) TNT的当量不变，随着距离的增加，夹层玻璃的裂纹数量逐渐减少，其中以径向裂纹为主，环向裂纹主要集中在玻璃的中心处;(c)20cm爆炸距离，药量15g下结构的裂纹只有径向裂纹，30g下结构产生环向裂纹，45g下结构的径向和环向裂纹数量明显增加。3、理论方面，采用经典薄板大、小挠度理论与层合板刚度理论推导出了四边简支的夹层玻璃在均匀载荷下的中心挠度公式，并将公式计算出的挠度曲线与文献[14]对比，验证了挠度理论的可靠性，采用理论与FEA有限元方法对不同玻璃厚度的夹层玻璃模型在压力P0=20KPa,tm=5ms下的挠度进行了研究，进一步验证了挠度理论的适用性。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 夹层玻璃材料

1．2．1 夹层玻璃介绍

1．2．2 夹层玻璃的性能

1．2．3 夹层玻璃的分类

1．3 夹层玻璃的研究现状

1．4 本文的主要研究工作

第二章 爆炸载荷下夹层玻璃的动态响应的实验研究

2．1 实验装置

2．1．1 夹具及加载装置

2．1．2 弹道冲击摆系统

2．1．3 CS动态电阻应变仪

2．2 实验试件

2．3 爆炸超压理论

2．4 实验结果及分析

2．4．1 应变时程曲线

2．4．2 玻璃厚度的影响

2．4．3 炸药当量的影响

2．4．4 爆炸距离的影响

2．5 数值模拟

2．5．1 有限元单元法

2．5．2 LS-DYNA软件介绍

2．5．3 有限元模型

2．5．4 材料模型

2．5．5 模拟结果

2．6 本章小结

第三章 爆炸载荷下夹层玻璃裂纹扩展的研究

3．1 裂纹研究方法

3．2 模型的建立

3．3 *LOAD_BLAST算法

3．4 材料模型

3．5 结果分析

3．5．1 仿真工况

3．5．2 裂纹模态分析

3．6 本章小结

第四章 均匀载荷下简支夹层玻璃的挠度理论分析

4．1 爆炸超压曲线的简化

4．2 小挠度理论

4．3 大挠度理论

4．4 常微分方程求解

4．4．1 Matlab软件

4．4．2 Runge-Kutta分析方法

4．5 理论有效性验证

4．6 本章小结

第五章 全文总结与工作展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

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