支撐柱對鋼化真空玻璃支撐應(yīng)力影響仿真研究

許嘉文，奚小波，張翼夫，張瑞宏

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

1 引言

真空玻璃因其真空腔的高真空度而能有效阻止熱量的傳導(dǎo)，起到較好的隔熱保溫作用，是頂級透光保溫材料。普通玻璃制成的真空玻璃因抗彎、抗沖擊強(qiáng)度低，不符合安全使用要求。鋼化玻璃的抗折彎強(qiáng)度是普通玻璃的3～5倍，抗沖擊強(qiáng)度是普通玻璃的5～10倍，因此利用鋼化玻璃制成鋼化真空玻璃可顯著提高產(chǎn)品強(qiáng)度[1]。受大氣壓力作用，支撐柱對鋼化玻璃內(nèi)表面形成支撐應(yīng)力，該支撐應(yīng)力與鋼化玻璃表層壓應(yīng)力疊加，造成鋼化玻璃表面應(yīng)力下降，對產(chǎn)品使用壽命有不利影響[2]。

有關(guān)真空玻璃的研究報道很多。2009年，K.Swimm等研究了間隔系統(tǒng)對真空玻璃傳熱性的影響，揭示了低輻射膜對改善真空玻璃隔熱效果的影響[3]；2014年，H.Kinda等開展了激光封邊真空玻璃制造工藝研究，并指出玻璃預(yù)熱處理在此過程中的重要性[4]；2016年，B.Choi等設(shè)計(jì)了一種多通道支撐柱，以進(jìn)一步有效減少支撐導(dǎo)熱[5]；2011年，許海鳳采用十字交叉法試驗(yàn)對真空玻璃邊緣封接強(qiáng)度及可靠性進(jìn)行了研究[6]；2012年，孫敢利用激光封接工藝完成對真空玻璃封接成型，并對激光封接成型機(jī)理作了詳細(xì)研究[7]。上述研究顯示，國內(nèi)外真空玻璃的研究主要集中在傳熱性、低輻射鍍膜、封邊工藝及材料等方面，少有鋼化真空玻璃研究性論文發(fā)表。

支撐應(yīng)力作為影響鋼化真空玻璃應(yīng)力分布的重要因素，對其排布間距、幾何尺寸等研究十分必要。本文開展鋼化真空玻璃支撐應(yīng)力研究，通過建立力學(xué)模型以及有限元分析，研究了不同支撐條件對鋼化玻璃力學(xué)性能的影響，并優(yōu)化了支撐柱選型。

2 鋼化真空玻璃力學(xué)模型

2.1 基本假設(shè)

在大氣壓作用下，鋼化真空玻璃將產(chǎn)生應(yīng)力和變形。大氣壓施加在玻璃上的壓力為均布載荷，且支撐柱呈規(guī)則布置，因此可作如下假設(shè)：以任意一支撐柱為中心(靠近邊界最外側(cè)的支撐柱除外)，取出一個矩形單元，其邊長為該支撐柱與周圍支撐柱最短距離的一半，如圖1(a)所示。由于玻璃厚度遠(yuǎn)小于單元邊長，因此可按薄板理論進(jìn)行計(jì)算。利用其對稱性可知，在邊界處轉(zhuǎn)角為零，由于表面大氣壓力與支撐柱支反力相等，單元邊界內(nèi)力剪力為零，但存在彎矩，故將邊界處作夾支梁(固定端)處理。其力學(xué)模型如圖1(b)所示。

圖1 真空玻璃力學(xué)模型

2.2 理論計(jì)算

2.2.1 大氣壓力作用分析

圖2為矩形玻璃板單元僅受大氣壓單獨(dú)作用的力學(xué)模型，其應(yīng)力及撓度計(jì)算如下

圖2 大氣壓單獨(dú)作用的力學(xué)模型

(1)

(2)

(3)

式中：q為大氣壓強(qiáng)(Pa)；a、b為矩形單元邊長(mm)；t為單元厚度(mm)；E為玻璃彈性模量(Pa)；β1、β2、α為形狀參數(shù)，具體數(shù)值見表1。

表1 矩形板作用均布載荷時的系數(shù)

2.2.2 支撐柱支反力作用分析

支撐柱作用力主要用于平衡外載荷，屬于集中應(yīng)力，其所導(dǎo)致的應(yīng)力與變形通常更大，是導(dǎo)致玻璃損壞的主要原因。因此，設(shè)計(jì)時需要重點(diǎn)考慮。圖3為支撐柱支反力單獨(dú)作用的受力狀態(tài)分析，其中支撐柱半徑為r，由于r<0.5t，因此使用等效接觸半徑r＇代替r進(jìn)行求解計(jì)算，具體如下

圖3 支撐柱支反力單獨(dú)作用的力學(xué)模型

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：μ為壓桿狀態(tài)系數(shù)，兩端鉸支時，取1；β1＇、β2＇、α＇為形狀參數(shù)，具體數(shù)值見表2。

表2 矩形板中部作用圓形區(qū)域載荷時的系數(shù)

2.3 模型建立

選取兩塊1200mm×800mm×5mm鋼化玻璃，兩塊玻璃間均勻布置一定數(shù)量的支撐柱，真空層四周通過玻璃粉焊接，有效封邊寬度10mm，創(chuàng)建鋼化真空玻璃模型并劃分網(wǎng)格，其中玻璃板網(wǎng)格2.5 mm。邊界固定，設(shè)置真空度為0.1Pa，對玻璃面板施加均布載荷(1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)。

2.4 參數(shù)選取

鋼化玻璃材料力學(xué)性能及參數(shù)根據(jù)GB15763.2-2005《建筑用安全玻璃第部分——鋼化玻璃》，選取玻璃材料密度為2500kg/m3，彈性模量7.2GPa，泊松比0.2。封邊焊料采用玻璃粉焊劑，相關(guān)參數(shù)參照玻璃材料選取。支撐柱材料采用不銹鋼，密度7800kg/m3，彈性模量200GPa，泊松比0.3。

3 鋼化真空玻璃有限元分析

采用ANSYS軟件分析了不同支撐條件下的鋼化真空玻璃支撐應(yīng)力及變形情況，并從支撐柱的排布間距、高度和直徑三個方面進(jìn)行單因素分析研究，具體結(jié)果下文分析。

3.1 支撐柱排布間距的影響分析

在支撐柱直徑Φ為0.6mm、高度H為0.3mm條件下，分別建立支撐柱排布間距D為30mm、40mm、50mm、60mm和70mm的鋼化真空玻璃模型，對鋼化真空玻璃的支撐應(yīng)力和變形情況進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4中的應(yīng)力云圖可以看出，在支撐柱與玻璃板接觸部位產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖4(a)可知，D=30 mm條件下鋼化玻璃最大變形ωmax出現(xiàn)在任意兩支撐柱的中部區(qū)域。而由圖4(b)至圖4(e)可知，D為40 mm、50 mm、60 mm和70 mm條件下ωmax出現(xiàn)在最外側(cè)支撐柱與封邊焊料過渡區(qū)域，考慮由于封邊焊料與支撐柱的彈性模量相差較大，因此導(dǎo)致封邊與支撐柱的過渡區(qū)域鋼化玻璃變形較大。

圖4 D不同條件下鋼化真空玻璃支撐應(yīng)力及變形仿真結(jié)果

圖5為D不同條件下鋼化真空玻璃最大支撐應(yīng)力σmax和最大變形ωmax的關(guān)系，隨著D的增大，σmax和ωmax均隨之增加。根據(jù)GB15763.2-2005《建筑用安全玻璃第部分——鋼化玻璃》，鋼化玻璃表面應(yīng)力不低于90MPa，同時考慮給予鋼化玻璃一定的受力富裕度，D為30mm、40mm和50mm條件下均符合要求。但支撐柱數(shù)量過多將影響真空玻璃的透光性與保溫隔熱性，因此，應(yīng)盡可能選取支撐柱數(shù)量較少的方案。以1200 mm×800 mm鋼化真空玻璃為例，D=30mm條件下支撐柱數(shù)量為1014，而D=50mm條件下支撐柱數(shù)量為345，同比減少194%，因此選擇D=50mm較為合理。

圖5 D與σmax、ωmax的關(guān)系

3.2 支撐柱高度的影響分析

在支撐柱排布間距D為50mm，直徑Φ為0.6mm條件下，分別取支撐柱高度H為0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm和0.6mm的鋼化真空玻璃模型，對鋼化真空玻璃的支撐應(yīng)力和變形情況進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖6所示。在圖6(a)至圖6(e)中，H不同條件下，應(yīng)力與變形分布區(qū)域大致相同，最大支撐應(yīng)力σmax均集中于支撐柱與玻璃板的接觸區(qū)域，最大變形ωmax均出現(xiàn)于最外側(cè)支撐柱與封邊焊料的過渡區(qū)域。

圖6 H不同條件下鋼化真空玻璃支撐應(yīng)力及變形仿真結(jié)果

如圖7所示，鋼化真空玻璃最大支撐應(yīng)力σmax與最大變形ωmax受H影響較小。而真空腔體積與H(真空腔高度)成正比，為減少抽真空工作量，應(yīng)盡量選取H較小的方案。由圖7(a)可知，在H從0.2mm到0.4mm變化過程中，σmax呈現(xiàn)下降趨勢，因此綜合考慮選擇H=0.3mm的方案。

圖7 H與σmax、ωmax的關(guān)系

3.3 支撐柱直徑的影響分析

在支撐柱排布間距D為50mm，高度H為0.3mm條件下，分別取支撐柱直徑Φ為0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm和0.8mm的鋼化真空玻璃模型，對鋼化真空玻璃的支撐應(yīng)力和變形情況進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖8所示。由于支撐柱與鋼化玻璃的接觸面積遠(yuǎn)小于玻璃板面積，因此在Φ不同條件下，應(yīng)力分布與變形分布圖像均大致相同，但具體應(yīng)力及變形數(shù)值存在差異。

圖8 Φ不同條件下鋼化真空玻璃支撐應(yīng)力及變形仿真結(jié)果

由圖9可知，隨著Φ的增大，鋼化真空玻璃最大支撐應(yīng)力σmax與最大變形ωmax均呈現(xiàn)明顯下降趨勢，因此增大Φ有利于減小支撐應(yīng)力對鋼化玻璃的損壞。但若Φ過大，易造成視覺突兀感，因此綜合考慮選取Φ=0.6mm。

圖9 Φ與σmax、ωmax的關(guān)系

4 結(jié)論

建立了鋼化真空玻璃的力學(xué)模型，運(yùn)用ANSYS軟件，對不同支撐柱排布間距、高度和直徑條件下的鋼化真空玻璃模型進(jìn)行了支撐應(yīng)力和變形分析。結(jié)果表明，最大支撐應(yīng)力均集中于支撐柱與玻璃板的接觸區(qū)域，最大變形多出現(xiàn)于外側(cè)支撐柱與封邊的過渡區(qū)域。

支撐柱排布間距增大，鋼化真空玻璃的最大支撐應(yīng)力也隨之增加。考慮鋼化玻璃本身存在預(yù)應(yīng)力，同時減少支撐柱使用量以及提高真空玻璃透光性和保溫隔熱性，選取支撐柱排布間距為50mm。

鋼化真空玻璃最大支撐應(yīng)力與變形受支撐柱高度影響較小，綜合真空玻璃加工過程中減少真空抽氣量等要求，采用支撐柱高度為0.3mm。

鋼化真空玻璃玻璃最大支撐應(yīng)力與變形隨支撐柱直徑的增大而減小，同時為減少支撐柱直徑過大造成的視覺突兀感，選擇支撐柱直徑為0.6mm。