Investigation on the mechanical behavior of aluminosilicate glass under different loading conditions

Glass has been used by humans for centuries, not only as functional parts, but also for load-carrying structures, such as facades of buildings, windshields of airplanes and touch screen of electronic devices. New challenges have been introduced in designing glass components used for load bearing elements, especially for some extreme loading conditions. Glass usually possesses high compression strength but relatively low tensile strength, thus tensile fracture is a main threat to glass structures in service. Glass is a brittle material that fails in a sudden manner with large scatter in its failure strengths and a highly stochastic fracture behavior. These unique mechanical properties of glass are caused by the presence of microscopic surface flaws. A fracture initiates from the most severely stressed point of the glass component, with a stress concentration around the flaws, and the same flaws grow in an unstable manner to form macroscopic cracks. To overcome this problem, the apparent tensile strength of glass can be improved considerably by ion-exchange process, during which residual stress was built in glass sheets. Aim of this thesis was to investigate the mechanical behavior of aluminosilicate glass under different loading conditions based on both experimental tests and numerical simulations. Various experiments under both quasi-static and dynamic loading conditions were conducted to obtain the mechanical response of aluminosilicate glass. In order to investigate the fracture and failure mechanism, high-speed photography recordings were carried out to look into the process of fragmentation further. Relevant numerical simulation is an important tool to gain insights into the deformation and fracture of glass components. Developing reliable numerical modelling techniques able to deal with the brittle fracture, stochastic strength and dynamic fragmentation of glass, is considered as an important challenge for fracture assessment of brittle materials. The effect of surface defects on mechanical behavior of aluminosilicate glass is studied and numerical methods used to model the stochastic fracture, size effect and pre-stress strengthening effect are proposed. The stochastic fracture strength of glass specimens is mainly caused by the discrete surface defects. Experimental results show that the average flexural strength decreases with the increase of the specimen size. Also, chemically strengthened glass (CSG) has much better mechanical properties compared to annealed glass (AG) due to the residual surface compression stress in CSG. Weak elements can be introduced into numerical models to represent the discrete surface defects. The dynamic relaxation technique was utilized to build the residual stress in numerical models. The discrete fracture strength, size effect as well as the complex fracture behavior of glass specimens could be reproduced very well via Monte Carlo simulations of the proposed numerical models. The mechanical response and fracture mechanism of glass structures under complex loading conditions including biaxial flexure and low-velocity drop weight impact are revealed. During the loading process, a uniform strain distribution field is formed below the load ring of the Ring-On-Ring (ROR) specimen while a gradient strain distribution is built for the Ball-On-Ring (BOR) specimens. Radial cracks formed along the radius of the BOR specimen initiating from the center point. For the ROR specimens, cracks can be divided in two regions: staggered cracks formed in the inner ring while radial cracks appeared in the outer ring area. The low-velocity drop weight impact tests demonstrate an obvious dynamic strengthening effect. With the increase of the loading speed, the peak force also increases remarkably. The radial crack density is much higher compared to the quasi-static BOR tests and circular cracks appear. The JH-2 model parameters have been calibrated for aluminosilicate glass and thus used for numerical simulations. Both the biaxial flexural strength, deformation field and fracture modes can be well reproduced for BOR and ROR specimens in numerical simulations with proper mesh size and mesh type. However, the original JH-2 model was found to be unable to predict the correct low-velocity impact response for this tensile failure condition because the maximum hydrostatic tensile stress is a rate-independent material constant. By introducing rate-dependence maximum hydrostatic tensile stress to the updated model, much better predictions for the contact force and impactor residual velocity histories can be provided. The dynamic responses of glass tiles subjected to ballistic impact with identical weight flat, conical and spherical-nosed steel bullets are investigated. It is found that the residual velocity of projectiles and the fragmentation behavior of glass are strongly affected by the shape of the projectile nose. Glass tiles show a better ballistic resistance performance for flat-nosed bullets than for conical and lastly spherical-nosed bullets. An innovative FEM coupled to SPH (FEM-SPH) numerical modeling approach was utilized to reproduce the ballistic impact process, showing identical results in glass fragmentation, bullets’ plastic deformation and residual velocity compared to experimental results. In the case of the flat-nosed bullet, the initial surface-surface contact results in a much higher contact force. The material in front of the bullet was substantially damaged and turned into fine fragments; this process absorbed the kinetic energy and the velocity of bullet declined to a nearly constant value, and the contact force declined to a very low level. On the contrary, the penetration of conical and spherical nosed bullets started with a point-surface contact. The contact force increased gradually due to the lower stiffness of bullet nose and was mainly driven by the plastic deformation of bullets. The peak point of the impact force indicated the damage initiation in the glass tiles. However, the glass in front of the bullet was not totally damaged and still retained load capacity. The continuous impact force resulted in the gradual decrease of the bullet residual speed. The finite element coupled to smoothed particle hydrodynamics (FEM-SPH) method, together with other emerging numerical methods including discrete element method (DEM) and Peridynamics (PD) are evaluated and compared for their capabilities to mimic the mechanical response of aluminosilicate glass under various loading conditions. The material parameters for these models are calibrated by uniaxial compression and Brazilian tension tests on a material coupon. As far as the static three-point bending test is concerned, all three methods can provide reasonable numerical results compared to experiments. According to the ballistic impact simulation results, the FEM-SPH method with the JH-2 model captured the projectile residual velocity best. The reproduced glass tile fracture and fragmentation behavior is also very good. The PD method can also provide good predictions of the projectile residual velocity and glass tile ballistic response with a proper value GS for the fracture energy release rate for compression, which governs the maximum compression strength of the elements. The DEM has the largest discrepancy with experimental measurements and observations. This is due to the low packing density property and rotation of discrete element spheres after the breakage of bonds. In conclusion, the thesis conducted a comprehensive investigation on the mechanical behavior of aluminosilicate glass under different loading conditions. Hybrid experimental and numerical studies were presented considering both the microscopic surface flaws and macroscopic defects in glass structures. High-speed cameras and 3D-DIC technique were utilized for better understanding the fracture mechanism of this material. Furthermore, the related numerical works paves the way for the development and boost of design by analysis methods of such kinds of brittle materials even in a very harsh and extreme loading environment.

Il vetro è stato utilizzato dall'uomo per secoli, non solo per componenti funzionali, ma anche per strutture portanti, come facciate di edifici, parabrezza di aeroplani e touch screen di dispositivi elettronici. Nuove sfide sono state introdotte nella progettazione di componenti in vetro utilizzati per elementi portanti, in particolare per alcune condizioni di carico estreme. In generale, il vetro possiede un'elevata resistenza a compressione ma una relativamente bassa resistenza a trazione, perciò la frattura per trazione è una delle principali minacce per le strutture in vetro in servizio. Il vetro è un materiale fragile che si rompe in modo improvviso, con una grande dispersione dei valori di sforzo a rottura e un comportamento alla frattura altamente stocastico. Queste uniche proprietà meccaniche del vetro sono dovute alla presenza di microscopici difetti superficiali. La frattura inizia dal punto più fortemente sollecitato del componente in vetro, con una concentrazione degli sforzi attorno ai difetti; dopodiché, gli stessi difetti crescono in modo instabile per formare crepe macroscopiche. Per superare questo problema, la resistenza apparente a trazione del vetro può essere notevolmente migliorata mediante un processo di scambio ionico, durante il quale viene creata una tensione residua nelle lastre di vetro. Lo scopo di questa tesi è quello di studiare il comportamento meccanico del vetro alluminosilicato in diverse condizioni di carico sulla base sia di prove sperimentali che di simulazioni numeriche. Sono stati condotti vari esperimenti in condizioni di carico sia quasi statiche che dinamiche per ottenere la risposta meccanica del vetro all'alluminosilicato. Al fine di indagare sul meccanismo di frattura e cedimento, sono state effettuate registrazioni fotografiche ad alta velocità per esaminare ulteriormente il processo di frammentazione. La simulazione numerica pertinente è uno strumento importante per acquisire informazioni sulla deformazione e sulla frattura dei componenti in vetro. Lo sviluppo di tecniche di modellazione numerica affidabili in grado di affrontare la frattura fragile, la resistenza stocastica e la frammentazione dinamica del vetro, è considerata una sfida importante per la valutazione della frattura dei materiali fragili. è stato studiato l'effetto dei difetti superficiali sul comportamento meccanico del vetro alluminosilicato e sono stati proposti dei metodi numerici utilizzati per modellare la frattura stocastica, l'effetto dimensionale e l'effetto di rinforzo pre-sollecitazione. La resistenza alla frattura stocastica dei campioni di vetro è principalmente causata dai difetti superficiali distribuiti casualmente. I risultati sperimentali mostrano che la resistenza alla flessione media diminuisce con l'aumento delle dimensioni del provino. Inoltre, il vetro rinforzato chimicamente (CSG) ha proprietà meccaniche molto migliori rispetto al vetro ricotto (AG) a causa dello sforzo di compressione superficiale residuo in CSG. Degli elementi deboli possono essere introdotti nei modelli numerici per rappresentare i singoli difetti superficiali. La tecnica del rilassamento dinamico è stata utilizzata per costruire lo stress residuo nei modelli numerici. La resistenza alla frattura stocastica, l'effetto dimensionale e il complesso comportamento alla frattura dei campioni di vetro sono stati riprodotti molto bene tramite simulazioni Monte Carlo dei modelli numerici proposti. La risposta meccanica e il meccanismo di frattura delle strutture in vetro in condizioni di carico complesse, tra cui la flessione biassiale e l'impatto con caduta di un peso a bassa velocità sono stati rivelati. Durante il processo di caricamento, si è formato un campo di distribuzione della deformazione uniforme sotto l'anello di carico del provino Ring-On-Ring (ROR), mentre per i provini Ball-On-Ring (BOR) si è creata una distribuzione della deformazione a gradiente. Lungo il raggio del provino BOR si sono formate delle crepe radiali a partire dal punto centrale. Per i campioni ROR, le crepe possono essere divise in due regioni: crepe sfalsate che si sono formate nell'anello interno mentre delle crepe radiali sono apparse nell'area dell'anello esterno. I test di impatto con caduta di peso a bassa velocità hanno dimostrato un evidente effetto di rafforzamento dinamico. Con l'aumento della velocità di caricamento, anche la forza di picco aumenta notevolmente. La densità delle cricche radiali è molto più alta rispetto ai test BOR quasi statici e compaiono cricche circolari. I parametri del modello JH-2 sono stati calibrati per il vetro alluminosilicato e quindi utilizzati per simulazioni numeriche. Sia la resistenza alla flessione biassiale, il campo di deformazione e le modalità di frattura possono essere ben riprodotti per i provini BOR e ROR in simulazioni numeriche con dimensione e tipo di mesh adeguati. Tuttavia, si è scoperto che il modello JH-2 originale non è in grado di prevedere la risposta corretta all'impatto a bassa velocità per questa condizione di rottura per trazione perché la massima sollecitazione di trazione idrostatica è una costante del materiale indipendentemente dalla velocità. Introducendo una massima sollecitazione di trazione idrostatica dipendente dalla velocità in un modello aggiornato, è possibile fornire previsioni molto migliori per la forza di contatto e le storie di velocità residua del corpo impattante. Sono state studiate le risposte dinamiche di piastrelle di vetro soggette a impatto balistico con proiettili di acciaio dello stesso peso e aventi punta piatta, conica e sferica. Si è riscontrato che la velocità residua dei proiettili e il comportamento alla frammentazione del vetro sono fortemente influenzati dalla forma della punta del proiettile. Le piastrelle di vetro mostrano una migliore prestazione di resistenza balistica per i proiettili a naso piatto rispetto ai proiettili conici e infine a punta sferica. È stato utilizzato un approccio di modellazione numerica FEM accoppiato con la tecnica SPH (FEM-SPH) per riprodurre il processo di impatto balistico, mostrando risultati identici nella frammentazione del vetro, nella deformazione plastica dei proiettili e nella velocità residua rispetto ai risultati sperimentali. Nel caso del proiettile a punta piatta, il contatto iniziale superficie-superficie risulta avere una forza di contatto molto più elevata. Il materiale davanti al proiettile è stato sostanzialmente danneggiato e trasformato in frammenti fini; questo processo ha assorbito l'energia cinetica del proiettile e la sua velocità è diminuita fino a un valore quasi costante, e la forza di contatto è diminuita a un livello molto basso. Al contrario, la penetrazione di proiettili aventi una punta conica o sferica è iniziata con un contatto punto-superficie. La forza di contatto è aumentata gradualmente a causa della minore rigidità del naso del proiettile ed è stata principalmente guidata dalla deformazione plastica dei proiettili. Il punto di picco della forza d'impatto ha indicato l'inizio del danno nelle piastrelle di vetro. Tuttavia, il vetro davanti al proiettile non è stato completamente danneggiato e ha comunque mantenuto la capacità di carico. La forza d'urto continua ha portato alla graduale diminuzione della velocità residua del proiettile. Il metodo finite element coupled to smoothed particle hydrodynamics (FEM-SPH), insieme ad altri metodi numerici emergenti tra cui il discrete element method (DEM) e il metodo Peridynamics (PD) sono stati valutati e confrontati per le loro capacità di imitare la risposta meccanica del vetro alluminosilicato sotto varie condizioni di carico. I parametri del materiale per questi modelli sono stati calibrati mediante prove di compressione uniassiale e trazione brasiliana su un provino di materiale. Per quanto riguarda la prova di flessione statica su tre punti, tutti e tre i metodi si sono dimostrati capaci di fornire risultati numerici ragionevoli rispetto agli esperimenti. Secondo i risultati della simulazione dell'impatto balistico, il metodo FEM-SPH con il modello JH-2 ha catturato meglio la velocità residua del proiettile. Anche il comportamento a frattura e la frammentazione delle piastrelle di vetro riprodotte sono stati molto buoni. Anche il metodo PD può fornire buone previsioni sulla velocità residua del proiettile e sulla risposta balistica della piastrella di vetro con un valore GS appropriato per la velocità di rilascio dell'energia di frattura per compressione, che governa la massima resistenza a compressione degli elementi. Il DEM ha la più grande discrepanza con le misurazioni e le osservazioni sperimentali. Ciò è dovuto alla proprietà di bassa densità di impaccamento e alla rotazione delle sfere degli elementi discreti dopo la rottura dei legami. In conclusione, la tesi ha condotto un'indagine completa sul comportamento meccanico del vetro alluminosilicato in diverse condizioni di carico. Sono stati presentati studi ibridi sperimentali e numerici considerando sia i difetti superficiali microscopici che i difetti macroscopici nelle strutture in vetro. Sono state utilizzate telecamere ad alta velocità e la tecnica 3D-DIC per comprendere meglio il meccanismo di frattura di questo materiale. Inoltre, i relativi lavori numerici aprono la strada allo sviluppo e al potenziamento della progettazione mediante metodi di analisi di tali tipi di materiali fragili anche in un ambiente di carico molto duro ed estremo.