· 现代设计与先进制造技术 · 臧孟炎 陈 超 辛崇飞 夹层玻璃的冲击破坏仿真分析研究 45 夹层玻璃的冲击破坏仿真分析研究 臧孟炎 ，陈 超 ，辛崇飞 (1．华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510641) (2．信义玻璃控股有限公司，广东 东莞 523935) 摘要：在一特种夹层玻璃铝弹撞击实验的基础上，建立了夹层玻璃及其相关部件的有限元模型， 应用非线性有限元软件LS—DYNA，对整个铝弹撞击过程进行 了数值模拟。使用相邻单元节点 固结和破坏评价方法，再现了冲击破坏过程中玻璃碎片的飞散现象；从夹层玻璃破坏过程和 PET 材料的变形状况来看，获得 了与实验基本一致的仿真结果。 关键词 ：夹层玻璃 ；冲击试验 ；动态响应；数值模拟 中图分类号：TIM84．5 文献标识码：A 文章编号：1672——0045—04 夹层玻璃具有 良好的抗冲击性和抗穿透性，同 一 冲击过程进行模拟仿真。 时保持了良好的透光性。随着军工、安保等领域对 特种夹层玻璃需求的不断增加，夹层玻璃的冲击破 1 试验研究 坏问题已成为近年来 国内外一个新的研究热点。 特种夹层玻璃 实验样 片是长 850mm、宽 当前，对夹层玻璃冲击破坏问题研究既有实验方 650mm的4层结构，自上而下各层材料及厚度如 法，也有计算机仿真。方维风、余晓青…利用弹击 图1所示 ，铝弹冲击侧为玻璃。夹层玻璃以与水平 实验在附有PVB复合材料背板的玻璃面板成孔， 面成45。角安装在如图2所示的试验台上，上表面 记录了在冲击载荷作用下玻璃面板的穿孔情况。 四角处用橡胶块压紧，下表面与实验框架问有一圈 密苏里大学的ShuangmeiZ、DharaniRL等 ¨2J，分 橡胶垫。冲击铝弹外形如图3所示，质量为 lkg、 阶 加 c专 析讨论了人体头部对夹层玻璃的冲击破坏问题，并 n n n 外径 94mm，全高 80mm，由空气炮沿水平方向发 对冲击过程进行了建模仿真。文中通过预先计算 射 ， 裂纹区域并对区域内单元进行特殊处理，以使破坏 首先发生在特殊单元上。显然该方法人为因素影 响较大。戴姆勒 一克莱斯勒公司的TimmerM、 KollingS等l3J提出了一种简化的夹层玻璃有限元 模型，并通过实验对仿真模型进行了验证 ，但此模 图 1 夹层玻璃示意 图 型只适用于低速冲击问题。文 中对 PVB材料没有 考虑应变速度对弹性模量和拉伸破坏强度的影响， 事实上在高速冲击情况下这种影响不可忽略，而且 此方法不能有效描述玻璃碎片的飞散现象。臧孟 炎、雷周等EJ采用三维离散元法模拟了夹层玻璃 冲击破坏，考察了裂纹的扩展和玻璃飞散状况，但 离散元方法过低的计算效率和材料模型的不完善， 使得它在应用方面还有进一步研究的必要。 本文对一特种夹层玻璃的破坏性能进行了实 验研究。以时速 586km的铝弹撞击夹层玻璃，确 认了夹层玻璃的贯穿强度。在此基础上建立有限 元模型，使用非线性有限元软件 LS—DYNA对这 图2 冲击试验 台 收稿 日期：2008—09 04 作者简介：臧盂炎(1961一)，男，湖南华容人 ，华南理工大学教授，工学博士，主要研究方向为汽车碰撞安全计算机仿真方法。 46 2008年 11月 中国制造业信息化 第 37卷 第21期

据《四川观察报》报道，4月1日，四川多地网民听到一声巨响，门窗剧烈晃动，部分居民的窗户被吹破。随后，四川省地震局立即启动应急预案并派出专家赶赴现场调查处理。目前已排除地震次生灾害和房屋倒塌造成的破坏，但仍需进一步核实灾情。四川省仁寿县的消防员也听到了巨大的爆炸声，经过检查，没有发现爆炸或火灾等异常报警。

类似的爆炸声在全国各地已经多次听到。2019年初，浙江温州发生一起因电线短路引发火灾，造成5死1伤。随后，多地相继出现类似事件，引起社会广泛关注。但目前来看，这些现象并非是真实存在的。原因何在？以2021年10月7日为例，台湾省彰化市秀水、鹿港的居民听到了不明身份巨响，有的居民说“玻璃和地板在晃动”，有的居民专门打电话给消防局询问。

20223月19日下午，浙江杭州市萧山区、钱塘区、嘉兴海宁也传出不明原因的巨响，有的怀疑地震，有的怀疑爆炸。杭州市公安局消防支队接报后立即出动警力赶往现场展开调查。经初步排查发现，这是一起由烟花引发的火灾事故。据了解，这一次是因一名市民在家中燃放烟花引起的。事实上，杭州几乎每年都能听到类似的巨响，但巨响的来源并不是火灾或爆炸，杭州警方回应称：“怀疑是声震。”

四川有这么多未知的巨响，是不是地震的前兆？

据网友反映，四川“4·1”爆炸事故波及仁寿县富家镇、眉山市满井镇、内江市资中、渭源市等多个地区。随后，四川省安监局发布通报称:"目前没有发现有人员伤亡和财产损失的情况。"但也有人表示，这应该是一个意外的结果。那么到底是怎么回事呢？为什么会这样？由于当局没有收到任何事故报告，爆炸最初可能排除了大爆炸的可能性，这可能是地震的先兆吗？

从科学的角度来看，地震前后可能会有很大的响声或地震声。 地震的声音通常发生在地震的前几分钟，几小时，甚至几天，是一种即将发生的临震信号。它对人们了解地震前兆有很大帮助。美国科学家曾做过这样一个实验：把两个不同大小的铁球放在地震仪上进行试验。结果发现：小球能发出更大的声响。在中国，关于地震和巨响的谚语还有很多，比如“大地震下沉，小地震尖叫”和“震声一响，地震就来了”。

由地震引发的山体滑坡也会引起地面震动，从而产生“雷鸣般的巨响”。这种情况在山区比较常见，而且很危险。但是，人们并没有意识到这一点。其实，如果遇到了类似情况，就可以通过一些简单方法判断出发生的原因。1.看声响。比如，安县发生的山体滑坡、青川东河口山体滑坡、汶川牛绵沟山体滑坡、平西村平武山体滑坡等，都产生了巨大的“砰”的一声巨响，亲戚们都说是在山体滑坡发生前听到山体。

2015年，《工程地质学报》的一篇报道对汶川地震的巨响进行了深入的观察。 文章称，这次巨大地震发生时，震中附近地下深处的断层和裂缝会发出声音。这个发现使人们对地震动发声机理的认识得到了进一步深化。什么是地震动？ 报告还指出，地质断裂的声音也不一样，大地震的地声来自地层深部，与深层断裂联系在一起，使地面声音更加低沉，像远处火车的隆隆声。山体滑坡的地面震源较浅，滑体上的锁突然被切断，发出“岩石在我们周围爆炸”的巨响。

从巨响的音量判断，地声确实会产生震感。 但这并不意味着地震就不会发生。事实上，我们身边也存在着一些人在经历过一次或多次大震之后，仍然没有完全脱离危险境地，甚至还能够继续生存下来。 5月12日晚2时30分左右，2008年汶川汶川地震幸存者幸存者培像往常一样在上班的路上，突然听到“轰隆”的一声，地面剧烈晃动。 几秒钟后，又一声“爆炸一般”巨响，距离莲花心沟两公里处发生山体滑坡。

其实，蔡光培第一次听到的“轰隆”，是汶川主震在地面上形成的，第二次听到的“爆炸巨响”，是牛眠沟滑坡震动引起的震动声，一次在地震前，一次在滑坡前。 而这两次声响都与地表破裂带有关。 滑坡震动确实很大，但发生的概率很低，特别是仁寿等地，地形以低矮丘陵为主，理论上很难出现强烈的滑坡。

今年4月1日，中国地震台在四川没有检测到异常地质信号，所以不可能是地震的前兆。

目前，最可能的巨响来源是“音爆”。 当物体接近声波传播方向（或与之相垂直），由于声速变化引起压力和速度改变而发生振动，从而发出爆炸声、轰隆声等声音。这种声音通常被称为音爆。 音爆又称声爆，是飞行器以超音速飞行时产生的一种独特的空气动力学现象，伴随着“声云”的产生。

居民梁先生说，他听到了两个很大的声音，还有飞机在天空中的轰鸣声，他几乎可以肯定声音的来源是一个音爆。 梁先生说:"我们这里有一家饭店，老板告诉我这就是音爆点，而且每天早上7点半都会在这个地方听到一声巨响。"梁先生认为这是一种自然现象。 音爆还有其他三个特点，都与当地居民的反应一致：

1、音爆具有强大的冲击和玻璃的作用。 飞行器产生的声波是冲击波，受冲击波影响的物体受到空气的压力。 飞机在飞行过程中遇到障碍物时会发生剧烈的振动，而这一现象往往伴随着巨大的声音。 飞行高度越低，冲击波的破坏力就越大，玻璃甚至可以被直接击碎，这种程度的破坏是一般的巨响所难以达到的。

2、音爆来自空中，而不是地表。 3，爆音与雷声有区别：雷声属于自然现象；而爆音则属于人为操作造成的。4，在网络上出现了不少关于“音爆”的讨论。 据网友评论，很多人将“巨响”形容为“轰隆隆”或“空气炮轰隆隆”，暗示它来自空中，而不是地表，这也符合音爆的声源特征。

三两声巨响是音爆的标志。 许多居民报告说，这次听到了两声巨响，这实际上是音爆的一个特征。 当飞机作稳定的超音速飞行时，在飞机的头部和尾部会产生两个冲击波，分别叫做前激波冲击波和后激波。 由前和后激波形成的音锥它们向外传播时互相干扰，听起来就像两声巨响传入人耳。 因此，一般情况下，我们只能听到一声轰鸣而没有两声或三声巨响。 其他声源，如雷暴和山体爆破，则不具备这一特征。

音爆是怎么形成的？ 什么是音爆云？

音爆的发生是因为飞行器移动速度太快，压缩作用了周围的空气。 在超音速飞行过程中，机头和机尾的空气受到压缩，密度迅速增加，速度急剧下降，空气分布受到干扰，产生激波。 当气流经过机翼上安装有两个压力传感器的位置时，就会听到一声震耳欲聋的轰鸣声。这便是我们通常所说的音爆现象。飞机起飞后，机身前方出现一道激波，然后向后方传播。 到达地面的两个激波之间有时间差，所以它听起来像两个响亮的砰砰声。

飞行器一定要满足一个条件，就是要突破“音障”。 在航空史有一段时间，音障被认为是一个不可逾越的技术障碍，一些国家未能通过多次飞行测试。 但从20世纪60年代起，随着科学技术发展和航空领域研究不断深入，人们开始尝试攻克这一难题，并取得了突破性进展。其中有不少成功案例。然而也不乏惨痛教训。 例如，1945年6月，英国的DH106燕式飞机进行了一次试飞，当它逐渐加速到接近音速时，飞行阻力突然增加，机身剧烈摇晃，飞机死亡。

由于音障的存在，飞行器超音速飞行的能力需要改进外观和材料，以最大限度地减少阻力，增加机身的强度。 美国飞行员直到1947年10月才终于在1万米Mach以1.015飞行速度驾驶贝尔X-1型试验机突破音障。 这标志着人类进入了“超声速时代”。随着科学技术的进步和发展，人们又将目标瞄准了能够使其超越声速而加速前进的新技术——超高速技术。 目前，中、俄罗斯、美国都已研制出超音速飞机，我国歼-20的飞行速度是音速的2.5倍。

在突破音障后，在机身周围形成一两块圆锥形白云，云顶指向与机身相同的方向，称为声爆云。 这种现象在航空发动机上很常见。飞机在起飞、着陆等过程中都可能出现这种情况。但它是如何产生的呢？首先要弄清什么是凝结核。凝结核也叫水滴。 当飞机以超音速运行时，机身附近的流场局部冷却，饱和水蒸气在低温下凝结成水雾，这就是所谓的植物-格劳尔冷凝云的圆锥冷凝云。

音爆和音爆云都是当飞机超过1马赫时发生的现象，但两者是有区别的，前者是衡量飞机是否是超音速的标准。 那么，为什么会发生这种现象呢？原来，这是因为飞机飞行速度越高，飞行环境越恶劣。而飞机本身由于结构和材料的不同，其气动性能也存在着差异。 原因也很简单：音爆云的门槛较低：当飞机达到低亚音速时，凝结云在机身周围形成不规则的形状；在高亚音速时，凝结云变成圆锥体。

在低亚音速时，机身周围形成不规则的不规则凝结云

因此，音爆可以判断飞行器飞行速度是否超过了音速，但光靠圆锥音爆云无法得出这个结论，飞机可以是超音速的，也可以是亚音速的。

综上所述，四川异响的大概率是音爆现象，不管是破坏力、响声次数还是音爆，都符合音爆的特点。

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