Blog

Feb 01, 2024

Perforation du verre feuilleté : Une étude expérimentale et numérique

Date : 5 décembre 2022 Auteurs : Karoline Osnes, Jens Kristian Holmen, Tormod Grue & Tore Børvik Source : International Journal of Impact Engineering, Volume 156, octobre 2021 DOI :

Date : 5 décembre 2022

Auteurs : Karoline Osnes, Jens Kristian Holmen, Tormod Grue et Tore Børvik

Source:International Journal of Impact Engineering, Volume 156, octobre 2021

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

Le verre feuilleté est un type de verre de sécurité fréquemment utilisé dans les fenêtres résistantes aux explosions et les vitrages pare-balles. Cependant, peu d’études concernant la résistance à la perforation du verre feuilleté existent dans la littérature ouverte. Dans cette étude, des plaques de verre double feuilleté sont impactées par des balles perforantes (AP) de 7,62 mm, et leur vitesse et courbe limites balistiques sont déterminées à la fois par des tests expérimentaux et des simulations numériques. Deux configurations différentes, c'est-à-dire une configuration à un seul vitrage et une configuration à deux vitrages empilés avec un entrefer entre les deux, sont testées à des vitesses de frappe comprises entre 375 et 700 m/s.

Les essais expérimentaux ont montré que l'ampleur des fissures peut être divisée en trois zones distinctes et que l'étendue de ces zones dépend de la vitesse de frappe. Dans l'étude numérique, des simulations par éléments finis utilisant des éléments d'ordre supérieur et une division de nœuds 3D sont utilisées pour prédire l'historique vitesse-temps des balles lors de l'impact. Les simulations utilisent des modèles simplifiés de matériaux et de fractures pour le verre et le PVB. Malgré tout, les prévisions numériques s'avèrent en excellent accord avec les données expérimentales, et les vitesses limites résiduelles et balistiques sont déterminées avec précision.

En raison de la nature fragile du verre, les fenêtres en verre flotté recuit offrent une protection limitée contre les impacts balistiques. Cependant, les vitrages configurés avec plusieurs couches de verre et de polymère peuvent être résistants aux balles [1]. Les couches de verre et de polymère sont liées ensemble à un stratifié par un processus incluant chaleur et pression dans un autoclave. Lorsque le verre feuilleté est impacté par un projectile, le polymère maintiendra les couches ensemble et empêchera les gros fragments d'être éjectés en retenant le verre brisé sur l'intercalaire.

Les propriétés mécaniques du verre flotté sont dominées par un comportement à la rupture fragile avec une résistance à la rupture probabiliste qui dépend de la géométrie, de la situation de chargement et des conditions aux limites de la plaque de verre [2]. La résistance probabiliste à la rupture du verre est due à la présence de défauts de surface microscopiques où la fracture commence généralement. Les défauts provoquent également la rupture des plaques de verre principalement en traction puisque la propagation des fissures est généralement induite par un chargement de mode I (c'est-à-dire l'ouverture d'un défaut) [3]. Ainsi, la résistance à la traction du verre est généralement bien inférieure à la résistance à la compression. Si les défauts microscopiques de la surface sont éliminés ou réduits (par exemple, par gravure chimique de la surface du verre), la résistance à la rupture peut être considérablement augmentée.

Dans une étude de Nie et al. [4], les auteurs ont réussi à améliorer la résistance à la flexion du verre borosilicaté d'environ un ordre de grandeur grâce à la gravure à l'acide fluorhydrique. D'autres méthodes pour améliorer la résistance à la rupture du verre peuvent être trouvées par exemple dans Donald [5]. La résistance à la rupture du verre dépend également du taux de chargement. Cette dépendance au taux a été démontrée dans plusieurs études et s'applique aux chargements en traction [4,[6], [7], [8]] et en compression [7,9,10]. Dans l'étude de Nie et al. [4], la résistance moyenne à la flexion des échantillons mordancés à l'acide augmentait d'environ 200 % lorsque le taux de contrainte passait de 0,7×10⁶ MPa/s à 4×10⁶ MPa/s. Les éprouvettes broyées sur papier de verre ont obtenu une augmentation de 90 % pour les mêmes taux de contrainte. Différentes formes de défauts ont été considérées comme étant à l'origine de la différence de dépendance au taux entre les échantillons mordancés à l'acide et ceux broyés au papier de verre.

Sous une charge très localisée, telle qu'un impact balistique, des mécanismes de rupture autres que la rupture en tension peuvent être présents. Lorsqu'elle est frappée par un projectile, le côté impact de la plaque de verre subit des charges de compression et de cisaillement à des vitesses de déformation élevées, ce qui entraîne la fracture et la pulvérisation du matériau en verre. La face arrière de la plaque impactée peut se rompre en raison de la tension induite par la flexion [11]. La rupture en traction sous charge balistique se produit généralement dans les plaques minces, et la résistance à la rupture est alors régie par la présence de défauts de surface microscopiques sur la face arrière. Cependant, pour les plaques épaisses, la résistance à la traction du verre est considérée comme moins cruciale pour les performances balistiques [12].