玻璃彈性變形對面差的影響分析與改進

楊振宇

摘要：基于玻璃結(jié)構(gòu)，通過有限元軟件分析得到天窗前玻璃在外力作用下的彈性形變趨勢和形變量，并通過增大鋼制加強件的剛性，探討降低玻璃彈性變形對前后玻璃面差的影響，解決了前玻璃左右兩側(cè)畸變過大問題。

關(guān)鍵詞：有限元分析;玻璃剛度;彈性變形

中圖分類號：U466 文獻標(biāo)識碼：A

半鋼化夾層玻璃（Semi-tempered laminated glass）又稱熱增強玻璃，其原理是通過PVB薄膜將上下兩層半鋼化玻璃粘結(jié)在一起。這種玻璃防爆性能好，UV阻擋率可以達到100%，降噪能力強，缺點是剛度差易變形。采用這種玻璃的汽車天窗，在光柵檢查時極易因玻璃曲率的劇烈變化而發(fā)生光畸變（圖1）。

1夾層玻璃產(chǎn)生彈性變形的原因分析

對比安裝前后玻璃面的曲率數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，裝配到天窗框架上的前玻璃曲率呈現(xiàn)不規(guī)則變化，左側(cè)4號點測量值為-0.360 mm，裝配后為-1.128 mm;右側(cè)16號點測量值為-0.335 mm，裝配后為0.956 mm。由此判斷，玻璃在安裝后發(fā)生了變形。

分析玻璃的靜態(tài)受力，前玻璃受力來自于后玻璃的密封條擠壓變形后產(chǎn)生的反作用力，以及緊固螺栓的鎖緊力。按照密封條的理論設(shè)計值，每100.000 mm長度上壓縮高度為3.200 mm時，受到的壓力為18.5 N。密封條總長度為865.000 mm，前玻璃受到的反作用力為160.0 N。建模分析玻璃受力情況如圖2所示。

玻璃的材料為二氧化硅，單片厚度2.100 mm。加強鐵件共4部分，分布安裝在玻璃四周，材料是Q235。查閱資料ASTMC 1279，半鋼化玻璃的許用應(yīng)力范圍是24～69 MPa，選取其中間值42 MPa作為半鋼化玻璃的許用應(yīng)力。為了簡化CAE分析工作量，將兩塊半鋼化玻璃作為具有同一應(yīng)力分布的整體，即兩塊玻璃分擔(dān)相等的載荷，所有螺栓緊固簡化為剛性連接。

利用有限元軟件Abaqus模擬前玻璃受力后的狀態(tài)，設(shè)置材料屬性和對應(yīng)的邊界數(shù)據(jù)。模擬分析結(jié)果顯示，當(dāng)前玻璃后側(cè)受力160.0 N時，產(chǎn)生彈性變形。玻璃整體呈現(xiàn)中間低后側(cè)高的形狀，左右側(cè)中間點下凹約1.053 mm。CAE分析結(jié)果與實際測量值相比約有0.100 mm的偏差，但兩者的變形趨勢相同。由此可知，玻璃總成自身強度不足是玻璃產(chǎn)生變形的原因之一。

2夾層玻璃的強度改善

增加玻璃剛性可以改善玻璃形變的大小?？蓮囊韵聨讉€方面進行改善：增加玻璃厚度;增加鋼制加強件厚度;改進鋼制加強件結(jié)構(gòu)形狀，以增強其剛度?？紤]到改進方案要利于開發(fā)成本和項目時間進度的控制，因此，選擇增加鋼制加強件厚度和改進其結(jié)構(gòu)。

增加加強件厚度無需修改包邊模具，只需簡單調(diào)整折彎模具和沖壓模具即可。而改進加強件結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于，可以通過手工樣件快速進行試制，驗證改進效果，總體改動幅度小、見效快且成本低。

兩側(cè)的加強件原設(shè)計壁厚為1.500 mm。根據(jù)企業(yè)內(nèi)部設(shè)計規(guī)范，PU包邊最小厚度為1.000 mm，因此鈑金件的壁厚最大只能增加到2.000 mm。如圖3所示，紅色部分是原件壁厚，黃色部分是增加到2.000 mm的結(jié)構(gòu)。輥壓件結(jié)構(gòu)的改進方案是在原口字型結(jié)構(gòu)上增加一道輥壓工序，在中間增加一條加強筋結(jié)構(gòu)。修改有限元模型并重新設(shè)置參數(shù)，新的分析結(jié)果如圖4所示，玻璃彈性變形量為0.313 mm，對比改進前減少了0.740 mm。

3夾層玻璃剛性改善結(jié)果的驗證

為了驗證改進是否有效，利用鋁合金銑削加工成的標(biāo)準(zhǔn)車頂模擬實際裝車情況，按照客戶要求固定好前后玻璃并測量數(shù)據(jù)。利用百分表檢測天窗玻璃，前玻璃3、4、5和15、16、17號點，取測量值。數(shù)據(jù)記錄在表1內(nèi)。提取3、4、5和15、16、17點的數(shù)據(jù)做玻璃曲率變化趨勢如圖5所示。

圖5中的曲線MIN和MAX分別表示玻璃曲率的上限和下限。可見，客戶抱怨光畸變的區(qū)域是4號點和16號點，原件的這2點的偏差值也是最大的。3、5、15和17號點靠近Z向基準(zhǔn)點，因此測量值基本為理論值0。改進后，4號點的平均值為-0.709 mm比原件提高0.667 mm;16號點平均值為-0.694 mm，比原件Z向提高0.643 mm。4號點和16號點與各自兩邊的測量點之間的差值也減小了，與CAE模擬得到的0.740 mm的優(yōu)化結(jié)果非常接近，也證明了CAE模擬的準(zhǔn)確性。分別連接3、4、5和15、16、17號點模擬玻璃兩側(cè)的曲率，可知1～10號天窗左右側(cè)的玻璃曲率比原件更加平緩，變差更小，對改善光畸變有明顯作用。所以，改進加強件的結(jié)構(gòu)，對優(yōu)化玻璃面差和玻璃左右兩側(cè)曲率有效果，但并不能徹底解決問題。

4結(jié)束語

通過夾層玻璃的特性分析以及對玻璃的結(jié)構(gòu)受力分析，并建模進行模擬分析發(fā)現(xiàn)，玻璃發(fā)生的彈性變形是因自身剛性不足導(dǎo)致的。有針對性對玻璃加強件的結(jié)構(gòu)進行改進，結(jié)合模擬分析確定改進方案，將改進后的玻璃裝配到天窗上實隔則量驗證，證明改進方案是有效的，同時也從一定程度上驗證了CAE模型的準(zhǔn)確性。