平板安全玻璃的冲击阻力和表面缺陷的影响

    近年来，作为安全玻璃，层状玻璃和刚化玻璃广泛用于工业和民用建筑上。安全玻璃的抗冲击性能是检验结构的安全性能的重要指标。英国和我国都相继采用双轮胎摆式冲击大块玻璃的冲击实验来测试建筑安全玻璃的可靠性。通过这种冲击实验，可以研究玻璃构件的临界冲击能以及表面缺陷的影响。本工作的目的是通过冲击实验和理论分析了解建筑玻璃的可靠性和各种因素的影响。

　　1.实验与分析
　　安全玻璃实验样品固定后的框内宽度为847±5mm高度为 1910±5mm，层合玻璃的厚度结构为6/1/6mm，摆头从不同的高度冲击样品，然后检查破坏形貌，实验基本原理如图1所示意。 　　　　　　
　　由于挠度随刚度的增加而减小，冲击力随刚度的增加而增大。显然，刚度和临界应变是影响冲击强度的关键因素。实验表明，对于在冲击实验中没有破坏的样品，其冲击阻力在会逐渐下降，这主要是由于表面损伤的发展所引起。从原理上来看，失效是应变控制，而应变是挠度控制，这种连锁关系（如图3）所示。而挠度又可以通过冲击高度来估计（如图4）。最大应力与挠度之间具有线性关系，见图5。 　   2.实验结果与讨论
　　安全玻璃样品受冲击后可以分为合格和不合格两类,评判方法采用一个直径为76毫米的球头，若低于25牛顿的力使该球头能通过破损处，则为不合格，通不过为合格。图6a为中国建材院研制的冲击效果测试仪，它能在25牛顿力时发出警铃声。图6b是冲击后没有穿透的合格样品，图6c是冲击后不合格的样品。　　　
　　实验结果表明临界冲击能具有较大的离散性，这是由于玻璃材料的本性所决定的。相同厚度的玻璃可能有不同的临界冲击能，反映为不同的冲击高度。不同冲击高度的实验结果列于表1中。实验样品均为2块6毫米厚的夹层玻璃。　　　
　  为了了解表面缺陷的失效的影响，玻璃试样表面在冲击之前用50牛顿的载荷压一个维氏压痕，所能承受的冲击能大大降低。这是由于玻璃对缺陷的敏感所致。压痕可以在玻璃表面形成一个较深的裂纹，导致较大的应力集中，使强度和极限应变下降。这主要是由于玻璃的脆性和对缺陷的敏感性所导致。有压痕和没有压痕的冲击高度的实验结果如图8所示。

　　以上结果表面玻璃的破坏取决于最大应变。玻璃弯曲时的变形与断裂过程用有限元模拟进行了弯曲梁分析，计算采用了15000个单元进行计算。失效过程由摩尔-库仑失效准则控制。裂纹扩展被证明是有裂纹尖端的应变所控制。失效过程随弯曲挠度增加的变化如图9所示。　　　　　　　
　　有限元模拟结果表明破坏总是起源于最大应变处。它可以作为估计和分析失效的参考。同时也说明了冲击阻力与安全玻璃的刚度成正比关系。如果假设玻璃的弹性模量处处相等，表面的局部强度和表面抵抗裂纹扩展能力可以用球压法进行无损在线性能测试，即使用一个已知性能和几何尺寸的硬质小球垂直压在玻璃表面，当载荷达到一临界值压点处将产生一微小环形裂纹，因此局部强度可由该临界载荷确定。采用我们自行研制的多功能台式实验机（图10），对压痕裂纹和裂纹在玻璃表面的扩展进行观测，证明微裂纹是喇叭状往深处扩展。化玻璃的局部强度比普通玻璃高出的部分正好相当于表面的预应力的值。

　  该研究说明了玻璃平板的冲击破坏完全依赖与冲击能的大小。只要冲击能相同，冲击接触面积相同，导致的冲击损伤就可能相同。因而我们提出一种设想，在相同的冲击轮胎和相同的玻璃样品的情况下，50千克重的摆头从一米高度落下产生相同与25千克重的摆头从两米高落下相同的损伤效果。因为它们最后的动能是相同的。由此类推，更轻的摆头在更高的速度冲击样品是否产生等效的冲击效果？这个问题值得进一步研究。

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