典型高聚物中间层对夹层玻璃动态力学特性影响机制的研究

Polymer laminated glass material is widely used in the transportation tools, civil constructions as well as military structures. Polymer interlayer plays a critical role in improving impact resistance of laminated glass. In this research, PVB and SGP film are selected as typical material objects. Fundamental mechanical experiments are carried out and the corresponding viscoelastic and strain rate effect dynamic constitutive models are suggested. Caustics technology is employed to investigate the influence mechanism of interlayer polymer on laminated glass crack propagation characteristics. Meanwhile, numerical studies are conducted to explore material choose and structure design criteria on windshield safety design. Upon the conducting of this research, the mechanical behaviors of typical polymers are expected to be unraveled from a theoretical perspective, the mechanism of interlayer material impact on the dynamic mechanical properties of laminated glass materials and structures are clarified, and the necessary fundamental and experimental basis for the automotive windshield safety design are thus provided in engineering applications.

高聚物夹层玻璃材料在载运工具、民用建筑以及军用结构中应用广泛。高聚物中间层对夹层玻璃的耐冲击性起到了关键作用。本项目选取PVB和SGP薄膜为典型材料对象，通过开展PVB/SGP薄膜材料的基础力学实验，研究并提出可描述高聚物材料粘弹性及应变率效应的动态本构模型。利用焦散线技术，研究中间层材料对夹层玻璃断裂属性的影响机制。同时，利用数值模拟手段探讨车用风挡玻璃安全设计的材料选择与结构设计准则。通过本研究，可望在理论上揭示典型高聚物的力学行为，阐明中间层材料对夹层玻璃材料与结构的动态力学特性影响机理，并在工程应用上为车用风挡玻璃安全设计提供必要的理论与实验依据。

夹层玻璃具有特殊的三明治结构，可以有效提高其在受到意外碰撞过程中人员的安全性。中间层材料的存在不仅可以有效提高夹层玻璃在受到外部载荷时的吸能能力，而且在夹层玻璃遭遇冲击破坏后，可以保证玻璃碎片不会飞溅伤人。本课题通过实验研究、理论推导和数值模拟，全面研究了典型高聚物中间层对夹层玻璃动态特性的影响，系统阐明了中间层材料对夹层玻璃力学特性、断裂机理和抗冲击性的影响机制。. 在不同载荷条件下，对PVB薄膜和SGP薄膜的基础力学特性进行了系统的对比实验研究。通过单轴拉伸实验和动态力学分析，系统研究了两种薄膜的粘弹性响应，建立了两种材料的粘弹性本构模型。基于应力松弛实验，系统对比了PVB和SGP材料涉及应变率和温度效应的力学特性，建立了两种材料的松弛本构模型。. 通过落锤结合高速摄影实验系统对夹层玻璃进行低速冲击实验，实验发现支撑侧玻璃呈辐射形裂纹，早于冲击侧玻璃先后产生的辐射形和环形裂纹，并且两侧玻璃层上产生的辐射形裂纹完全重合。利用扩展有限元法，阐明了低速冲击下夹层玻璃裂纹扩展机理，并系统研究了冲击条件、夹层玻璃结构参数和材料参数对夹层玻璃裂纹扩展特性的影响。通过三点弯结合焦散线光测力学实验平台捕捉了断裂过程中裂纹尖端的传播轨迹和动态焦散斑图像，建立了应力强度因子与夹层玻璃裂纹扩展特性的关系并提出了夹层玻璃Ⅰ型裂纹起裂与扩展准则，为夹层玻璃抗冲击分析提供理论依据。. 通过头模块冲击试验，研究了冲击速度、冲击角度和中间层材料等实验条件对夹层玻璃加速度曲线的影响，揭示了中间层力学性能与头部损伤指标的联系。基于实验结果，建立并验证了夹层玻璃在头模块冲击下的有限元模型和理论模型，分析了中间层材料对头部损伤的内在影响机制，提出了考虑风挡玻璃安全性的中间层材料选择与设计准则，为汽车的安全性设计提供重要理论支持。