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Feb 01, 2024

合わせガラスの穿孔: 実験的および数値的研究

日付: 2022 年 12 月 5 日 著者: Karoline Osnes、Jens Kristian Holmen、Tormod Grue、Tore Børvik 出典: International Journal of Impact Engineering、第 156 巻、2021 年 10 月 DOI:

日付: 2022 年 12 月 5 日

著者: キャロライン・オズネス、イェンス・クリスチャン・ホルメン、トーモド・グルー、トーレ・ボルヴィク

ソース：International Journal of Impact Engineering、第 156 巻、2021 年 10 月

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

合わせガラスは、防爆窓や防弾ガラスによく使用される安全ガラスの一種です。 しかし、合わせガラスの耐穿孔性に関する研究は公開文献にほとんど存在しません。 この研究では、二重積層ガラス板に 7.62 mm 装甲貫通 (AP) 弾丸が衝突し、その弾道限界速度と弾道曲線が実験試験と数値シミュレーションの両方によって決定されます。 ２つの異なる構成、すなわち、単一窓ガラス構成と間にエアギャップを設けて積み重ねた２枚の窓ガラスの構成を、３７５〜７００ｍ／秒の衝突速度で試験した。

実験テストでは、亀裂の量が 3 つの異なるゾーンに分けられること、およびこれらのゾーンの範囲が衝突速度に依存することが示されました。 数値研究では、高次要素と 3D ノード分割を使用する有限要素シミュレーションを使用して、衝突時の弾丸の速度時間履歴を予測します。 シミュレーションでは、ガラスと PVB の簡略化された材料モデルと破壊モデルが使用されます。 それでも、数値予測は実験データとよく一致していることがわかり、残留速度と弾道限界速度の両方が正確に決定されます。

ガラスは脆い性質を持っているため、焼きなましたフロートガラスで作られた窓は弾道衝撃に対する保護が限られています。 ただし、ガラスとポリマーの複数の層で構成された窓ガラスは防弾性を持つ可能性があります [1]。 ガラス層とポリマー層は、オートクレーブ内での熱と圧力を含むプロセスを通じて積層体に接着されます。 合わせガラスが発射体によって衝撃を受けたとき、ポリマーが層をまとめて保持し、粉砕したガラスを中間層上に保持することで大きな破片が飛び出すのを防ぎます。

フロートガラスの機械的特性は、ガラス板の形状、荷重状況、境界条件に依存する確率論的な破壊強度を伴う脆性破壊挙動によって支配されます [2]。 ガラスの確率論的な破壊強度は、通常、破壊が始まる場所に微細な表面傷が存在することによって決まります。 また、亀裂の伝播は一般にモード I 荷重 (つまり、傷の開口) によって引き起こされるため、この傷はガラス板が主に張力で破損する原因にもなります [3]。 したがって、ガラスの引張強度は通常、圧縮強度よりもはるかに低くなります。 微視的な表面の傷が（たとえば、ガラス表面を化学的にエッチングすることによって）除去または減少すると、破壊強度は大幅に増加する可能性があります。

Nieらによる研究では、 [4]、著者らはフッ化水素酸エッチングによってホウケイ酸ガラスの曲げ強度を約 1 桁改善することに成功しました。 ガラスの破壊強度を向上させる他の方法は、例えば Donald [5] に記載されています。 ガラスの破壊強度は荷重率にも依存します。 この速度依存性はいくつかの研究で実証されており、引張 [4、[6]、[7]、[8]] と圧縮 [7、9、10] の両方の荷重に当てはまります。 Nieらによる研究では、 [4]によれば、応力速度が 0.7×106 MPa/s から 4×106 MPa/s に増加すると、酸エッチングされた試験片の平均曲げ強度は約 200% 増加しました。 サンドペーパーで研磨した試験片では、同じ応力率で 90% の増加が得られました。 酸エッチング試験片とサンドペーパー研削試験片との間の速度依存性の違いの原因は、きずの形状の違いであると考えられた。

弾道衝撃などの高度に局所的な荷重下では、引張破壊以外の破壊メカニズムが存在する可能性があります。 発射体が衝突すると、ガラス板の衝撃面には高いひずみ速度での圧縮とせん断負荷がかかり、その結果、ガラス材料が破壊して粉砕されます。 衝撃を受けたプレートの裏側は、曲げによる張力によって破損する可能性があります [11]。 弾道荷重下での引張破壊は通常、薄いプレートで発生し、その場合の破壊強度は裏面の微細な表面傷の存在によって決まります。 しかし、厚い板の場合、ガラスの引張強度は弾道性能にとってそれほど重要ではないと考えられています[12]。