低速冲击下平面内裂纹在夹层玻璃中扩展机理的实验研究

夹层玻璃已成为交通运输业和建筑业的关键结构材料之一，扮演着防护、支撑及连接等重要结构作用，但目前对垂直冲击载荷下夹层玻璃面内裂纹扩展机理尚无系统研究。基于高速摄影结合落锤冲击实验系统，本项目首先拟研究试样在不同夹层方式、厚度及边界条件下面内裂纹扩展路径与冲击能量、材料断裂韧性之间的定量关系；同时根据实验数据提出计算失稳裂纹出现所需冲击能量阈值的解析式。其次，实验研究在不同冲击能量、冲头几何尺寸等条件下，不同夹层方式与厚度对试样中面内裂纹扩展特性的影响；同时结合数值模拟手段，研究面内应力传播规律并建立裂纹扩展速度与影响因素之间的函数关系。最后，通过研究层间粘接强度和中间层材料属性，揭示一种新型面内辐射状裂纹的形成机理,探索裂纹分形的物理规律。通过本项目研究，可望揭示面内裂纹在低速冲击下的扩展机理，发展冲击载荷下的裂纹扩展前沿基础理论，并为工程应用中材料选择与结构设计提供关键技术。

本项目通过系统的实验研究及理论分析，对PVB夹层玻璃在受到面外冲击载荷作用下的面内裂纹扩展行为进行了较为深入的研究，阐明了夹层玻璃裂纹起裂规律、不同类型裂纹起裂顺序、扩展行为及其机理。. 首先，对平面外冲击下的PVB夹层玻璃辐射状、环形裂纹的起裂顺序以及在低速冲击下的裂纹典型扩展速度行为进行了研究。基于参数化实验条件，研究了不同夹层厚度、不同冲击能量以及不同玻璃厚度对裂纹扩展行为的影响。同时，通过大量重复实验（同一实验条件下重复100次实验），建立基于威布尔分布的概率统计模型来研究辐射状裂纹条数与裂纹扩展速度之间的关系。. 其次，在此基础上研究了受冲击面和支撑面的玻璃平板上的裂纹扩展不同机理。通过比较裂纹传播速度与纵波波速的关系，两玻璃平板上的裂纹形态以及变中间夹层厚度的影响结果分析，发现受冲击面和支撑面玻璃平板上的起裂顺序及机制均不同，结论进一步丰富了夹层玻璃裂纹扩展行为的相关理论。.进一步地，通过实验研究发现支撑面玻璃平板层辐射状裂纹的传播速度随着裂纹条数的增加而减少。因此，通过定义“能量转换系数”构建物理模型来阐明裂纹数量与裂纹传播速度之间的关系。此外，同时发现辐射状裂纹的数量对冲击层的裂纹形态同样有决定性的影响。. 最后，针对辐射状裂纹，通过建立三维平板的有限元模型，基于扩展有限元对动态裂纹扩展进行数值模拟。模拟结果与实验在辐射状裂纹速度时间曲线以及裂纹形态方面的一致性验证了有限元模型的正确性。从而为后续进一步利用扩展有限元技术进行裂纹扩展动态强度因子变化行为研究奠定了基础。同时，通过数值模拟技术探讨了利用其他材料作为夹层玻璃中间层材料后整体夹层材料的冲击防护能力及裂纹扩展行为。. 本研究从理论上进一步推动了高聚物夹层玻璃的裂纹扩展行为研究，阐明了动态载荷下以I型为主的裂纹起裂及扩展物理机制；在工程上为后续止裂结构的设计以及碰撞事件的重建提供了必要的理论指导及依据。本研究共发表相关论文15篇，其中包括PLOS One, International Journal of Impact Engineering, Engineering Fracture Mechanics等相关领域著名期刊上，受到国内外同行的积极关注与评价。