本文是一篇土木工程论文，本文以钢化夹层玻璃在内蒙古地区受冲击破坏的实际服役环境为背景，对其受冲击荷载下的力学响应及断裂机理进行研究。应用应力波基础理论分析了钢化夹层玻璃内部冲击应力波响应规律及其影响因素；应用弹性力学与复合材料力学分析了钢化夹层玻璃外部变形及应力等冲击动力学响应规律及其影响因素；以提高抗冲击性能为目标，对夹层玻璃不等厚设计；应用断裂力学分析了冲击荷载下钢化夹层玻璃的裂纹扩展规律及含表面损伤的冲击断裂机理，进而研究了表面损伤对钢化夹层玻璃抗冲击性能的影响。
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
内蒙古中西部地区位于蒙古高气压前缘，是高低气压的过渡带，在春秋两季风力强劲且大风日数多，加之又分布有四大沙漠及两大沙地，复杂区域独特气候及地理环境极易引发强风携带风沙颗粒介质、高空物体坠落等冲击荷载对钢化夹层玻璃材料的冲击破坏[1]。例如：该地区的建筑门窗、玻璃幕墙（图 1-1）以及汽车、列车风挡玻璃（图 1-2）广泛使用的钢化夹层玻璃受到高速冲击、碰撞、冲蚀等工况的破坏尤为严重，产生的力学响应和破坏行为极其复杂[2]。其本质原因是冲击荷载引起钢化夹层玻璃内部产生复杂的应力波，外部表现为小变形，从而致使含表面微裂纹的夹层玻璃在达到临界扩展条件时，发生扩展并脆性断裂，引发的事故对使用者的生命财产安全造成严重威胁。为避免类似情况再次发生，人们对钢化夹层玻璃的生产和使用提出了更高的要求，同时也将促使国内外研究学者对其进行深入研究[3-5]。目前，夹层玻璃在冲击荷载作用下的力学性能试验研究及数值模拟研究较为成熟，但夹层玻璃材料在冲击荷载下力学理论分析的研究却相对较少，而力学理论分析对于揭示夹层玻璃在冲击荷载下的破坏机理具有十分重要的意义，不仅能够提升人们对玻璃力学性能的认识，也能够为改进和优化玻璃抗冲击性能提供理论依据。
本文以钢化夹层玻璃为研究对象，采用力学理论分析方法，在已有实验与数值模拟研究的基础上，对钢化夹层玻璃在冲击荷载下的复杂力学响应及破坏机理问题进行理论分析。通过建立模拟球压冲击实验的理论模型，采用演绎推理的方法，应用应力波基础理论分析了冲击应力波在夹层玻璃内的传播规律及破坏机理，应用弹性力学理论分析了钢化夹层玻璃在冲击荷载下的动力学响应规律及破坏机理，应用断裂力学分析了钢化夹层玻璃在冲击荷载下的裂纹扩展规律及含表面损伤的钢化夹层玻璃冲击断裂机理。相关研究成果为夹层玻璃的抗冲击性能研究及破坏机理提供依据，为内蒙古地区特殊环境下建筑玻璃及风挡玻璃的设计、使用和防护提供理论支持。
1.2 钢化夹层玻璃的研究进展
1.2.1 钢化夹层玻璃概述
钢化夹层玻璃是一种由两层或多层预压应力平板玻璃夹杂一层或多层透明的高分子聚合物胶层，在高温高压的环境下经过清洗、切割、抽真空等工序复合而成的新型复合结构材料[6]，如图 1-3 所示。相较于普通玻璃，在受到冲击荷载作用后，产生的类似蜂窝状钝角小颗粒碎片附着在胶层上，避免了碎片飞溅，具有较好的整体性、安全性。同时玻璃层由于内应力的存在，在承受荷载时，首先会与表层预压应力进行抵消，从而提高了玻璃的承载力，增强了夹层玻璃抗冲击性能。因此，具有较高强度和安全性的钢化夹层玻璃在汽车、列车风挡玻璃、工程机械、农业温室及建筑等领域得到了广泛应用[7]。
夹层玻璃起源于 20 世纪初，是由法国化学家别奈迪克在一次试验中偶然发现烧瓶跌落未破碎现象后，首次研制而出。早期主要应用于汽车工业，其在美国、日本等汽车工业发达国家发展较快。美国是生产夹层玻璃较早的国家，到 1972 年产量已达到 100 万平方米，1990 年增加到 670 万平方米，平均年增长率高达 11.8%。日本在1961 年产量为 27.4 万平方米，到 1991 年增至 1554.2 万平方米，平均年增长率高达14.4%[8,9]。近些年来，随着科技的发展，以及夹层玻璃生产技术的革新，人们在满足安全性的同时，对建筑玻璃的美观及功能性要求逐渐提高，使得玻璃幕墙在建筑中大量运用，建筑用夹层玻璃的比重也明显提高。
第二章 钢化夹层玻璃球压冲击试验
2.1 试验材料
根据球压冲击试验，论述了钢化夹层玻璃受冲击破坏后不同形态裂纹的断裂过程和本质原因以及钢化夹层玻璃的潜在破坏位置；以钢化夹层玻璃在内蒙古中西部地区受冲击破坏的实际服役环境为背景，模拟强风携带风沙颗粒、高空物体坠落等接触冲击过程，分析了钢球自由落体冲击荷载与冲击高度的关系；阐述了材料的三种断裂模式及四种特殊裂纹系统的应力强度因子，分析了脆性材料的三种断裂准则。本章主要阐述了课题研究所应用的固体接触力学、断裂力学相关理论，为后续的分析提供理论基础。
本文试验及理论分析选用如图 2-1 所示钢化夹层玻璃试件，试件规格为70mm×70mm×t，见表 2-1。经检测试件各项参数指标符合《建筑用安全玻璃 第 3 部分：夹层玻璃》（GB15763.3-2010）标准的要求。通过力学性能试验测得钢化夹层玻璃相关性能参数见表 2-2。
2.2 试验方案及试验设备
采用如图 2-2 所示的自动球压冲击仪对钢化夹层玻璃进行冲击破坏试验，该试验系统通过冲击球头的重力势能，以及两个对称弹簧的弹性势能对试件施加冲击荷载，冲击荷载值可控制在 500~10000N 范围内，当冲击荷载值小于 300N 时，冲击动力主要由冲击球头的重力势能提供，当冲击荷载值大于 300N 时，冲击动力则由冲击球头的重力势能及压缩弹簧的弹性势能共同提供。
在冲击过程中，通过控制不同的冲击高度来施加冲击力，并通过夹紧装置和手轮调整试件的位置及冲击点，冲击结束后观察钢化夹层玻璃的裂纹形态及位置。宏观分析其本质原因及不同形态裂纹断裂全过程，以研究钢化夹层玻璃内复杂力学响应及断裂机理。
由于 PVB 夹层材料的粘连作用，断裂后的玻璃仍然保持彼此连接。夹层玻璃的裂纹形态共分为两种，即辐射状裂纹和环形裂纹。进一步分析，钢化夹层玻璃在不同冲击高度下的裂纹形态断裂过程依次经历四个阶段：①受冲击面环形微裂纹阶段，此阶段球头与钢化夹层玻璃试件受冲击表面最先接触，所受冲击荷载值较小，钢化夹层玻璃试件变形也较小，试件受冲击表面在冲击荷载下形成不连续环形微裂纹，肉眼难以发现，至多有少许可见轻微压痕存在，是环形裂纹产生的潜在阶段。②非受冲击面辐射状裂纹阶段，此阶段冲击荷载值逐渐增加，钢化夹层玻璃试件变形增大，试件非受冲击表面在冲击荷载下最先产生辐射状裂纹。③受冲击面辐射状裂纹阶段，随着冲击荷载的继续增加，试件受冲击面在冲击荷载下产生辐射状裂纹，与非受冲击面辐射状裂纹完全重合。④受冲击面环形裂纹阶段，在两面辐射状裂纹产生后，试件受冲击面的潜在环形微裂纹在辐射状裂纹间扩展贯通，最终在受冲击面形成可见环形裂纹，在球头冲击接触附近，环形裂纹较为密集，在距离冲击接触区较远处，环形裂纹较疏。
第三章 钢化夹层玻璃内应力波传播规律及破坏机理 ............................... 20
3.1 钢化夹层玻璃内应力波透射、反射模型 ............................... 20
3.1.1 波动方程的建立 ............................. 21
3.1.2 波动方程的特征线解答 ........................ 22
第四章 钢化夹层玻璃的动力学响应规律及破坏机理 ............................. 32
4.1 钢化夹层玻璃的变形及受力特性理论分析 ................................. 32
4.1.1 钢化夹层玻璃在冲击荷载下的运动方程及边界条件 ............................. 32
4.1.2 运动方程的求解 ....................................... 35
第五章 钢化夹层玻璃的裂纹扩展规律及破坏机理 ..................................... 55
5.1 钢化夹层玻璃的裂纹扩展模型 ............................ 55
5.1.1 环形微裂纹产生模型 ......................... 55
5.1.2 辐射状裂纹扩展模型 .................................. 56
第五章 钢化夹层玻璃的裂纹扩展规律及破坏机理
5.1 钢化夹层玻璃的裂纹扩展模型
5.1.1 环形微裂纹产生模型
断裂力学中应力强度因子准则作为讨论含裂纹体脆性材料在裂纹尖端应力强度因子大于材料韧性而启裂扩展的原理与含表面微裂纹钢化夹层玻璃受冲击荷载作用裂纹扩展问题相吻合。因此，应用应力强度因子准则[60]对钢化夹层玻璃均为张开型断裂模式的辐射状裂纹和环形裂纹临界扩展问题进行研究。
结论
本文以钢化夹层玻璃在内蒙古地区受冲击破坏的实际服役环境为背景，对其受冲击荷载下的力学响应及断裂机理进行研究。应用应力波基础理论分析了钢化夹层玻璃内部冲击应力波响应规律及其影响因素；应用弹性力学与复合材料力学分析了钢化夹层玻璃外部变形及应力等冲击动力学响应规律及其影响因素；以提高抗冲击性能为目标，对夹层玻璃不等厚设计；应用断裂力学分析了冲击荷载下钢化夹层玻璃的裂纹扩展规律及含表面损伤的冲击断裂机理，进而研究了表面损伤对钢化夹层玻璃抗冲击性能的影响。
1.&
