汽車玻璃應力形成機理數(shù)值分析及控制方法

朱錦杰 王永杰

（上海耀皮康橋汽車玻璃有限公司 上海市 201315）

0 引言

玻璃因具有獨特的光學性能及優(yōu)異的理化性能，在乘用車領域，玻璃在車體上的應用比例有逐漸擴大的趨勢，從前后擋風玻璃、車門，逐漸擴大到前后三角窗和全景天窗。相對金屬鈑金，玻璃強度低，易碎。車體都是復雜曲面，復雜曲面玻璃不能用輥壓成型，必須使用模壓才能得到接近數(shù)模的玻璃，而模壓成型會造成鋼化應力缺陷。模具和玻璃一般在玻璃邊部相互接觸，邊部應力的控制是曲面玻璃鋼化是否合格的關鍵因素。

1 玻璃鋼化原理及數(shù)值模擬

1.1 玻璃鋼化原理

玻璃的鋼化通常分為物理鋼化和化學鋼化，汽車玻璃采用物理鋼化。其基本原理為：將玻璃加熱到接近軟化溫度Tf，短暫保持一定時間，然后使玻璃均勻地強制冷卻，玻璃在冷卻過程中，表面和中間層出現(xiàn)溫度梯度，導致收縮不一致，使玻璃表面層產(chǎn)生壓應力，內(nèi)層產(chǎn)生張應力。由于玻璃的抗壓強度比抗張強度大得多，從而提高玻璃的機械強度和熱穩(wěn)定性。

玻璃的鋼化加熱溫度不能過高，也不能過低。若溫度過高，玻璃產(chǎn)生變形；溫度過低，鋼化強度不夠。其最佳鋼化溫度為玻璃由脆性狀態(tài)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)的過渡階段中的某一溫度范圍，即接近軟化溫度的一個特殊溫度區(qū)（Tg～Tf）。Tg為玻璃的轉(zhuǎn)變點，在此區(qū)域內(nèi)玻璃處于一種特殊狀態(tài)，既不是固體，又不是液體，通常被稱之為黏彈體。玻璃的（Tg～Tf）與其化學組成有關，普通硅酸鹽玻璃及汽車玻璃對應的（Tg～Tf）為550～730 ℃。固化后形成永久殘余應力，壓應力的存在使得玻璃表面的微裂紋得到閉合，從而增加玻璃的強度。如圖1和圖2所示。

圖1 壓應力使裂紋收縮

圖2 張應力使裂紋擴張

1.2 鋼化應力數(shù)值模擬

歐洲早在幾百年前就知道用介質(zhì)急冷能得到強度較高的玻璃，但是其中的力學原理是近代彈性力學發(fā)展到一定階段，專家才得出很好的解釋。而近幾十年來，有限元技術的突飛猛進使得鋼化玻璃應力分布能數(shù)值量化，模擬的過程和結果對工程技術人員理解玻璃鋼化有很大的幫助作用。鋼化玻璃有限元模型如圖3所示。

圖3 鋼化玻璃有限元模型

模擬玻璃鋼化一般步驟是在玻璃表面施加對流散熱層，先計算玻璃在快速冷卻的條件下不同厚度層的溫度。由于玻璃的導熱率較低，在冷卻一段時間后，玻璃外表面和中間的溫度出現(xiàn)了一定的差異。圖4為3.2 mm厚的玻璃截面的溫度分布，表面淺色表示溫度低，中間深色表示溫度較高。

圖4 冷卻過程中玻璃各層溫度分布

所有點的溫度下降趨勢如圖5所示，玻璃表面溫度比中間溫度下降快，圖6的溫度曲線顯示中間層溫度比表面層高23 ℃。

圖5 玻璃某點溫度下降

圖6 玻璃截面溫度分布曲線

將計算好的隨時間變化的溫度場賦予具有彈性模量和膨脹率的玻璃，因為較熱中間層玻璃比表面的玻璃收縮慢，當兩側玻璃表面已經(jīng)冷卻硬化后，中間層還在收縮，但是這種收縮受到已經(jīng)硬化的上下表面拉制，不能自由收縮的中間層會對玻璃上下表面形成壓力，這種壓應力隨著玻璃硬化而最后殘余下來，中間層形成張應力。 見圖7和圖8。

圖7 玻璃張壓應力分層圖

圖8 應力曲線

計算結果顯示負值為壓應力，正值為張應力，張應力為50 MPa的時候壓應力為-110 MPa。玻璃表面壓應力與單位碎片粒數(shù)成正比，實驗表面應力達到110 MPa時，碎片達到60～70粒。但是應力不能過大，表面應力過大是鋼化玻璃自爆的原因之一。

有了有限元鋼化數(shù)值模型，能很直觀地看到影響玻璃鋼化效果的因素。同一類玻璃，厚度和換熱冷卻速度是決定玻璃鋼化效果的主要因素。不同厚度玻璃的應力分布見圖9和圖10。

圖9 3.2 mm厚度玻璃應力分布

從圖9和圖10得出，同樣的玻璃參數(shù)在一樣的薄膜系數(shù)（對流冷卻系數(shù)）條件下，3.5 mm厚度的壓應力比3.2 mm的應力大得多。這是由于玻璃中內(nèi)應力的產(chǎn)生取決于玻璃中溫度梯度的存在，玻璃越厚，冷卻時的溫度梯度就越大。因此條件相同時，玻璃越厚，鋼化程度越高，當玻璃厚度減少10%時，其鋼化程度則下降6%。當玻璃厚度減少10%時，其鋼化程度則下降6%。

化學組成和厚度相同的玻璃，在加熱溫度相同時，其鋼化程度則由對流冷卻強度決定。冷卻速率越快，鋼化程度越高。鋼化玻璃利用風機將一定壓力和風量的外部低溫空氣直接吹到熱玻璃表面，計算使用的換熱系數(shù)為160 W/m2，結果如圖11所示，表面壓應力為-190.8 MPa 。而烘彎玻璃成形后冷卻是用風扇緩慢冷卻，如浮法玻璃的退火段，計算使用對流換熱系數(shù)為40 W/m2，結果如圖12所示，表面壓應力為-37 MPa，所以前擋烘彎玻璃強度很低，撞擊后立即碎裂，靠PVB黏在一起，起到保護駕乘人員的目的 。

2 邊部應力形成機理以及控制方法

2.1 邊部應力的形成

玻璃表面壓應力的大小和分布是決定玻璃鋼化效果的主要因素，制造過程中經(jīng)常說的邊部應力應該全稱為邊部應力缺陷，主要原因是成形時玻璃和模具的接觸主要在玻璃邊部，加上玻璃的切割截面也不正對風柵，導致玻璃邊部區(qū)域未能和大部分玻璃中間區(qū)域一起急冷，這是玻璃邊部應力缺陷的主要形成原因。但是這種缺陷的應力分布情況到底是怎么樣，傳統(tǒng)的計算一般很難得到，用光學測試應力也只是得到分散的應力數(shù)值，而有限元得出的結果直觀易懂。圖13為玻璃與模具接觸處的溫度示意圖，圖14為接觸處截面的溫度曲線。

圖14 接觸處截面的溫度曲線

從圖13和圖14處可以看出，玻璃和模具接觸處因冷風吹不到，溫度明顯偏高。

溫度偏高到一定程度，會使得張應力擴展到玻璃表面，玻璃表面應力分布不均，在后續(xù)使用過程中，玻璃會產(chǎn)生自爆。烘彎玻璃由于應力較小，張應力更加容易穿出。從圖15的玻璃表面應力分布圖中可以看到和模具接觸部分的壓應力明顯偏大甚至出現(xiàn)正的壓應力。而圖16的截面圖上，深色的張應力區(qū)域偏向玻璃和模具接觸的一面。

圖15 邊部應力表面分布圖

圖16 邊部應力截面分布圖

2.2 邊部應力的控制

邊部張應力使得該處表面的微裂紋張開，大大降低了玻璃的強度。為了避免玻璃邊部區(qū)域出現(xiàn)過大張應力，一般汽車玻璃針對強鋼化的后擋風玻璃和微鋼化的前擋風玻璃分別采取若干措施來控制邊部張應力。

2.2.1 前風擋烘彎玻璃

針對前風擋烘彎玻璃，一般采取4個措施：①在玻璃冷卻段，上下表面風壓要一致；②金屬擋塊、纖維棉等都是造成邊部出現(xiàn)張應力的因素，即使不能去除，也要與玻璃保持一定間距，讓冷風能吹過去；③盡可能減少玻璃和烘彎模的接觸面積；④成形時，盡可能降低玻璃在烘彎模上的相對滑動。

2.2.2 后擋鋼化玻璃

針對后擋鋼化玻璃，采取如下措施：①冷環(huán)上覆蓋厚薄均勻的低導熱通風良好的網(wǎng)布；②合理設置凸模和凹模的壓合間隙；③冷環(huán)結構設計合理，和玻璃接觸面要盡量小并且保證玻璃在冷環(huán)上的有效高度；④鋼化急冷時，上下風壓一致。

3 結語

有限元方法可以直觀定量分析出鋼化玻璃的應力分布，其結果對工程設計人員理解玻璃應力分布和缺陷有很大幫助；邊部張應力是減弱鋼化和烘彎玻璃強度的主要因素，生產(chǎn)過程中應避免其伸出表面和擴大。