人车碰撞事故中PVB夹层风挡玻璃破损机理及吸能特性研究

人车碰撞事故是交通事故中死伤情况最严重的事故形态，行人头部与风挡玻璃相碰撞是导致行人伤亡的最主要原因之一。因此，研究风挡玻璃的破损机理和吸能特性对提高行人保护以及汽车碰撞安全性具有极其重要的作用。本项目拟利用材料高速冲击性能实验来研究PVB薄膜材料和PVB夹层风挡玻璃，进而提出PVB夹层风挡玻璃的动态本构模型；探讨PVB材料各物理参数对风挡玻璃吸能效果的影响，提出PVB夹层风挡玻璃最大吸能设计准则；通过高速摄影技术和焦散线技术，研究风挡玻璃在不同能量冲击下的裂纹扩展过程和扩展方式，提出裂纹扩展准则；并结合数值仿真方法阐明风挡玻璃破损机理。在此基础上建立基于风挡玻璃破损信息的事故再现模型。通过本项目研究，可望在理论和实验上揭示脆性-粘弹性夹层材料的动态本构模型，阐明该类材料的破损机理；在应用上为行人保护、风挡玻璃碰撞安全性设计以及人车碰撞事故再现提供重要的基础理论和关键技术。

本研究通过实验研究、理论推导和数值模拟，对人体头部与夹层风挡玻璃相接触这一动态过程进行了较为全面地探讨，揭示了夹层风挡玻璃内在的破坏机理以及吸能特性。. 首次在不同载荷条件下，对PVB夹层玻璃及其组分的力学性能进行了系统的实验研究。准静态实验结果表明，PVB夹层玻璃的力学行为与普通玻璃材料类似，呈线弹性。利用霍普金森杆方法对PVB夹层玻璃和PVB薄膜进行了冲击实验，动态实验结果表明，PVB夹层玻璃及PVB薄膜的力学行为呈现明显的非线性和率相关。首次提出了涵盖不同应变率的PVB夹层玻璃和PVB薄膜力学特性分析模型。. 通过高速摄影结合落锤设备，首次对I型裂纹在PVB夹层玻璃平面内的动态扩展进行了实验研究，得到了裂纹扩展速度、加速度。实验发现辐射状裂纹扩展早于环形裂纹扩展，PVB薄膜加入使得PVB夹层玻璃的动态裂纹扩展速度较普通玻璃有所降低，间接地证明了PVB薄膜的吸能作用。利用扩展有限元方法，对不同PVB薄膜厚度、材料属性、边界条件、冲击速度、冲击角度、有效碰撞质量、风挡玻璃尺寸以及曲率等条件下的裂纹扩展特征进行了系统地研究，总结了裂纹扩展规律。. 开创性地提出了四个风挡玻璃吸能的评价指标，总结提出了“吸能型”风挡玻璃的设计准则。建立了描述头部冲击下风挡玻璃动态响应的解析模型，并通过风挡玻璃吸能特性的指标，使用数值模拟手段对不同中间层厚度、中间层材料以及边界条件下PVB夹层玻璃的吸能特性进行了考察。同时，对比研究了风挡玻璃对行人侧和乘员侧保护特性的区别。研究表明，现有PVB夹层玻璃设计不能很好地满足实际人车事故中对行人的保护要求。. 本研究工作进一步从理论上阐明脆性—高聚物夹层复合材料的抗冲击与吸能内在机理；在工程应用中为汽车安全设计和行人保护设计提供必要的理论基础；在具体实践中为人车事故鉴定/再现研究提供新的理论方法和依据。本研究共发表SCI检索论文7篇，EI检索论文5篇，研究成果发表在《International Journal of Impact Engineering》，《Composites Part B》，《Cmc-Computers Materials & Continua》等冲击动力学、复合材料及计算材料力学领域国际顶级学术期刊上，受到国内外同行积极评价和关注。