Перфорация многослойного стекла: экспериментальное и численное исследование

Дата: 5 декабря 2022 г.

Авторы: Каролин Оснес, Йенс Кристиан Холмен, Тормод Грю и Торе Борвик

Источник:Международный журнал ударной инженерии, том 156, октябрь 2021 г.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2021.103922.

Ламинированное стекло — это тип безопасного стекла, которое часто используется в взрывостойких окнах и пуленепробиваемом остеклении. Однако в открытой литературе существует мало исследований, посвященных стойкости многослойного стекла к перфорации. В этом исследовании пластины из двухслойного стекла подвергаются воздействию бронебойных (AP) пуль калибра 7,62 мм, а их баллистическая предельная скорость и кривая определяются как посредством экспериментальных испытаний, так и численного моделирования. Две разные конфигурации, т.е. конфигурация с одним стеклом и конфигурация из двух стекол, сложенных друг на друга с воздушным зазором между ними, испытываются при скоростях удара от 375 до 700 м/с.

Экспериментальные испытания показали, что количество трещин можно разделить на три отдельные зоны и что протяженность этих зон зависит от скорости удара. В численном исследовании для прогнозирования динамики скорости и времени пуль во время удара используется моделирование методом конечных элементов с использованием элементов более высокого порядка и трехмерного разделения узлов. При моделировании используются упрощенные модели материалов и разрушения стекла и ПВБ. Несмотря на это, численные прогнозы находятся в превосходном согласии с экспериментальными данными, и как остаточная, так и баллистическая предельная скорость точно определены.

Из-за хрупкости стекла окна из отожженного флоат-стекла обеспечивают ограниченную защиту от баллистического удара. Однако остекление, состоящее из нескольких слоев стекла и полимера, может быть пуленепробиваемым [1]. Слои стекла и полимера соединяются вместе с ламинатом посредством процесса, включающего нагрев и давление в автоклаве. Когда многослойное стекло подвергается удару снаряда, полимер удерживает слои вместе и предотвращает вылет крупных фрагментов, удерживая разбитое стекло на промежуточном слое.

В механических свойствах флоат-стекла преобладает хрупкое разрушение с вероятностной прочностью на разрушение, которая зависит от геометрии, ситуации нагрузки и граничных условий стеклянной пластины [2]. Вероятностная прочность стекла на излом обусловлена ​​наличием микроскопических поверхностных дефектов, в которых обычно и начинается разрушение. Дефекты также приводят к разрушению стеклянных пластин в первую очередь при растяжении, поскольку распространение трещин обычно вызывается нагрузкой режима I (т. е. открытием дефекта) [3]. Таким образом, прочность стекла на растяжение обычно намного ниже, чем прочность на сжатие. Если микроскопические поверхностные дефекты удалить или уменьшить (например, путем химического травления поверхности стекла), прочность на излом может быть значительно увеличена.

В исследовании Nie et al. В работе [4] авторам удалось повысить прочность боросиликатного стекла на изгиб примерно на порядок за счет травления плавиковой кислотой. Другие методы повышения прочности стекла на излом можно найти, например, у Дональда [5]. Прочность стекла на излом также зависит от скорости нагружения. Эта зависимость от скорости была продемонстрирована в нескольких исследованиях и применима к нагрузке как при растяжении [4,[6], [7], [8]], так и при сжатии [7,9,10]. В исследовании Nie et al. В [4] средняя прочность на изгиб образцов, протравленных кислотой, увеличивалась примерно на 200 % при увеличении скорости напряжения с 0,7×10⁶ МПа/с до 4×10⁶ МПа/с. Образцы, отшлифованные наждачной бумагой, получили увеличение на 90 % при той же степени напряжения. Считалось, что причиной различия скоростной зависимости образцов, протравленных кислотой, и образцов, отшлифованных наждачной бумагой, является разная форма дефектов.

При сильно локализованной нагрузке, такой как баллистический удар, могут присутствовать механизмы разрушения, отличные от разрушения от растяжения. При ударе снаряда ударная сторона стеклянной пластины испытывает сжимающую и сдвиговую нагрузку при высоких скоростях деформации, что приводит к разрушению и измельчению стеклянного материала. Задняя сторона ударной пластины может выйти из строя из-за напряжения, вызванного изгибом [11]. Разрушение при растяжении при баллистическом нагружении обычно происходит в тонких пластинах, и тогда прочность на излом определяется наличием микроскопических поверхностных дефектов на обратной стороне. Однако для толстых пластин прочность стекла на разрыв считается менее важной для баллистических характеристик [12].