합판유리의 천공: 실험적 및 수치적 연구

날짜: 2022년 12월 5일

저자: Karoline Osnes, Jens Kristian Holmen, Tormod Grue 및 Tore Børvik

원천:국제 충격 공학 저널, 156권, 2021년 10월

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2021.103922

합판유리는 방폭창, 방탄유리 등에 많이 사용되는 안전유리의 일종이다. 그러나 접합유리의 천공 저항성에 관한 공개 문헌에는 거의 연구가 없습니다. 본 연구에서는 이중 적층 유리판이 7.62mm 철갑탄(AP)탄에 충격을 받고 탄도 한계 속도와 곡선이 실험 테스트와 수치 시뮬레이션을 통해 결정됩니다. 두 가지 다른 구성, 즉 단일 창 구성과 사이에 에어갭이 있는 두 개의 창 구성이 375~700m/s의 충격 속도에서 테스트되었습니다.

실험 테스트에 따르면 균열의 양은 세 개의 별개 구역으로 나눌 수 있으며 이러한 구역의 범위는 타격 속도에 따라 달라집니다. 수치 연구에서는 고차 요소와 3D 노드 분할을 사용하는 유한 요소 시뮬레이션을 사용하여 충격 중 총알의 속도-시간 이력을 예측합니다. 시뮬레이션에서는 유리와 PVB에 대해 단순화된 재료 및 파손 모델을 사용합니다. 그럼에도 불구하고 수치적 예측은 실험 데이터와 매우 잘 일치하는 것으로 나타났으며 잔류 및 탄도 한계 속도가 모두 정확하게 결정되었습니다.

유리의 부서지기 쉬운 특성으로 인해 열처리된 플로트 유리로 만든 창은 탄도 충격에 대해 제한적인 보호 기능을 제공합니다. 그러나 여러 겹의 유리와 폴리머로 구성된 유리는 방탄 기능이 있습니다[1]. 유리와 폴리머 층은 오토클레이브 내에서 열과 압력을 포함한 공정을 통해 라미네이트에 함께 결합됩니다. 접합 유리가 발사체의 충격을 받으면 폴리머는 층을 함께 유지하고 부서진 유리를 중간층에 유지하여 큰 조각이 튀어 나오는 것을 방지합니다.

플로트 유리의 기계적 특성은 유리판의 형상, 하중 상황 및 경계 조건에 따라 달라지는 확률적 파괴 강도를 갖는 취성 파괴 거동에 의해 지배됩니다[2]. 유리의 확률적 파괴 강도는 일반적으로 파괴가 시작되는 미세한 표면 결함의 존재로 인해 발생합니다. 결함은 또한 균열 전파가 일반적으로 모드 I 하중(즉, 결함의 개방)에 의해 유도되기 때문에 장력으로 인해 유리판이 주로 파손되는 원인이 됩니다[3]. 따라서 유리의 인장 강도는 일반적으로 압축 강도보다 훨씬 낮습니다. 미세한 표면 결함이 제거되거나 감소되면(예: 유리 표면을 화학적으로 에칭하여) 파괴 강도가 크게 증가할 수 있습니다.

Nie 등의 연구에서. [4], 저자들은 불산 에칭을 통해 붕규산 유리의 굴곡 강도를 약 10배 정도 향상시키는 데 성공했습니다. 유리의 파괴 강도를 향상시키는 다른 방법은 Donald [5]에서 찾을 수 있습니다. 유리의 파괴 강도는 또한 로딩 속도에 따라 달라집니다. 이 속도 의존성은 여러 연구에서 입증되었으며 인장[4,[6],[7],[8]] 및 압축[7,9,10]의 하중에 적용됩니다. Nie 등의 연구에서. [4], 산부식 시편의 평균 굽힘 강도는 응력 속도가 0.7×10 MPa/s에서 4×10 MPa/s로 증가할 때 약 200% 증가했습니다. 사포로 분쇄한 시편은 동일한 응력률에 대해 90%의 증가를 얻었습니다. 산부식 시편과 사포 연마 시편 사이의 속도 의존성 차이의 원인은 다양한 결함 형태로 간주됩니다.

탄도 충격과 같이 고도로 국지적인 하중을 받는 경우 인장 파손 이외의 파손 메커니즘이 나타날 수 있습니다. 발사체에 부딪히면 유리판의 충격면이 높은 변형률로 압축 및 전단 하중을 받게 되어 유리 재료가 파손되고 분쇄됩니다. 충격을 받은 판의 뒷면은 굽힘으로 인한 인장으로 인해 파손될 수 있습니다[11]. 탄도 하중에 따른 인장 파괴는 일반적으로 얇은 판에서 발생하며, 파괴 강도는 뒷면의 미세한 표면 결함의 존재에 따라 결정됩니다. 그러나 두꺼운 판의 경우 유리의 인장 강도는 탄도 성능에 덜 중요한 것으로 간주됩니다[12].