支撐物參數(shù)對全鋼化真空玻璃等效應力和變形量的影響

袁朝陽,胡東方,李彥兵

(1.河南科技大學機電工程學院,洛陽 471003;2.洛陽蘭迪玻璃機械股份有限公司,洛陽 471000)

0 引 言

隨著現(xiàn)代城市化進程不斷加快,建筑領域?qū)Ω咂焚|(zhì)、節(jié)能、環(huán)保建筑材料的需求也愈發(fā)迫切[1]。全鋼化真空玻璃是利用鋼化玻璃制成的真空玻璃,作為一種新興的高端建筑玻璃材料,其具有極佳的隔熱、隔音、安全性等優(yōu)點,在真空玻璃領域具有極大的發(fā)展?jié)摿2]。

支撐物對全鋼化真空玻璃的制造和使用非常重要。選擇合適的支撐物形狀、布放間距和排列方式能夠最大程度地減少支撐物對玻璃性能的不利影響。葛茂輝[3]研究發(fā)現(xiàn)鋼化真空玻璃支撐物為球形時,玻璃表面會有嚴重的集中應力;蔡東等[4]基于有限元軟件數(shù)值分析,在支撐物缺位的情況下研究其對弧面鋼化真空玻璃應力的影響,發(fā)現(xiàn)支撐物缺位會使周圍玻璃的支撐應力變大;李彥兵等[5]研究發(fā)現(xiàn),采用球形支撐物的鋼化真空玻璃變形量和最大Mises應力隨著支撐點間距的增大而增大,當玻璃厚度為5 mm時,最大布放間距為70 mm;Xi等[6]研究表明,采用圓柱形支撐物的鋼化真空玻璃中,支撐物高度對玻璃的支撐應力影響較小,但支撐物直徑增大會降低玻璃的支撐應力和變形量。

目前,針對支撐物對全鋼化真空玻璃影響的研究大多關注不同情況下單一形狀的支撐物對其等效應力和變形量的影響,缺少支撐物在不同形狀、布放間距、排列方式情況下的對比研究。在實際應用中,全鋼化真空玻璃的等效應力和變形量需要在一定范圍內(nèi)進行控制。過高的等效應力可能導致玻璃失效,而過大的變形量可能影響玻璃的外觀和性能。作為全鋼化真空玻璃的重要組成部分之一,支撐物的形狀、布放間距和排列方式均影響其等效應力和變形量,因此,對其研究很有必要。

本文利用ANSYS Workbench軟件對支撐物在不同形狀、布放間距和排列方式情況下的全鋼化真空玻璃模型進行數(shù)值模擬計算,研究鋼化玻璃基片在不同條件下所承受的應力和變形情況,并分析不同形狀的支撐物在不同排列方式下合適地布放間距。

1 全鋼化真空玻璃的結(jié)構

全鋼化真空玻璃是在兩塊鋼化玻璃基片之間放置排列規(guī)律的微小支撐物,四周采用低溫技術封接材料密封,并通過抽氣孔將氣體抽走,以實現(xiàn)真空狀態(tài)的一種玻璃制品。同時,在全鋼化真空玻璃內(nèi)部放置專用的吸氣劑,以維持其優(yōu)異的真空效果[7]。全鋼化真空玻璃結(jié)構如圖1所示。

圖1 全鋼化真空玻璃結(jié)構

支撐物的形狀有很多種,常用的形狀為圓球形、圓柱形和圓環(huán)形,它們與鋼化玻璃基片接觸方式分別為點接觸、面接觸和線接觸[8]。不同的接觸方式會影響全鋼化真空玻璃的等效應力和變形量。支撐物需要具備足夠強度,以避免在大氣壓作用下被鋼化玻璃基片擠壓變形,失去支撐作用。常用的支撐物材料主要有陶瓷、金屬和玻璃等。支撐物不同形狀如圖2所示。

圖2 支撐物不同形狀

為了使鋼化玻璃基片受力均衡,放置支撐物時需要按照一定的排列方式。支撐物在全鋼化真空玻璃中存在多種排列方式,常見的包括正方形、正三角形和正六邊形[9]。支撐物不同排列方式如圖3所示。

圖3 支撐物不同排列方式

2 大氣壓作用下全鋼化真空玻璃應力與變形

在大氣壓和支撐物的作用下,全鋼化真空玻璃會產(chǎn)生不可避免的應力,比如支撐物支撐應力、支撐物彎曲應力、接觸應力、邊緣應力[10]。全鋼化真空玻璃應力分布示意圖如圖4所示。

圖4 全鋼化真空玻璃應力分布示意圖

計算全鋼化真空玻璃在大氣作用下的等效應力和變形量可以采用以下方法:以任一支撐物為中心,選取其相鄰支撐物距離的一半為邊界,取一個邊長為a且遠大于基片厚度的正方形單元進行薄板問題計算?？紤]到單元具有對稱性,相鄰單元邊界處的轉(zhuǎn)角和剪力為零,但存在彎矩,故需將邊界處看作固支端來處理力學模型[11]。全鋼化真空玻璃單元模型受力示意圖如圖5所示。

圖5 全鋼化真空玻璃單元模型受力示意圖

當大氣壓的均布壓力q0和支撐物對鋼化玻璃基片的支撐力F同時作用于鋼化玻璃基片表面時,支撐物與鋼化玻璃基片接觸表面將呈現(xiàn)最大疊加應力σmax。最大疊加應力σmax計算公式如式(1)所示[12]。

(1)

式中:v為鋼化玻璃的泊松比;r為支撐物半徑,mm;h為鋼化玻璃基片的厚度,mm。

大氣壓會引起鋼化玻璃基片的彎曲變形,而最大的彎曲變形ωmax則會在兩對角支撐物的中心區(qū)域發(fā)生。最大的彎曲變形ωmax計算公式如式(2)所示[13]。

(2)

式中:E為鋼化玻璃的彈性模量。

根據(jù)《建筑用安全玻璃》(GB 15763.2—2005)[14]規(guī)定,鋼化玻璃表面應力不能小于90 MPa,即鋼化玻璃表面受到的最大應力σmax<90 MPa。由于真空層的存在,鋼化玻璃基片會因大氣壓力和支撐力而產(chǎn)生彎曲變形。鋼化玻璃基片最大彎曲變形ωmax不能超過真空層厚度的一半,否則會使兩塊鋼化玻璃基片接觸在一起,導致真空層失效。

3 全鋼化真空玻璃力學性能有限元分析

3.1 基本假設

作出基本假設:

1)邊界無位移假設。全鋼化真空玻璃邊界采取固定支撐,可認為邊界無位移。

2)剛性支撐假設。支撐物的強度和彈性模量遠大于鋼化玻璃基片,因此可認為支撐物具有剛性支撐的特性。

3)彈性體假設。當鋼化玻璃基片受到的應力和自身的變形量不超出規(guī)定的最大值時,表現(xiàn)出理想彈性的性質(zhì)。

3.2 參數(shù)設定

鋼化玻璃基片的長寬均為500 mm,厚度為5 mm,密度為2 500 kg/m3,彈性模量為72 GPa,泊松比為0.24;真空層厚度為0.3 mm;封接材料寬度為7 mm;支撐物材料為304不銹鋼;圓球形支撐物直徑為0.3 mm;圓柱形支撐物底面直徑為0.3 mm,高為0.3 mm;圓環(huán)形支撐物外圓直徑為0.6 mm,內(nèi)圓直徑為0.3 mm,高為0.3 mm;玻璃外側(cè)受力為一個大氣壓;網(wǎng)格尺寸為3 mm;邊界采用固定支撐,位移為0。

實際應用中,全鋼化真空玻璃通常垂直固定在窗框內(nèi),并在受到水平方向的大氣壓力和支撐物作用力時會發(fā)生變形。由于其自身重力向下,無須考慮自重對其變形的影響。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

利用ANSYS Workbench軟件數(shù)值分析了不同支撐物形狀的全鋼化真空玻璃在大氣壓作用下的等效應力和變形量,分析其在不同布放間距和排列方式下的影響。以支撐物為圓球形,排列方式為正三角形的全鋼化真空玻璃為例,支撐物不同布放間距鋼化玻璃基片等效應力和總變形如圖6和圖7所示。

圖6 支撐物不同布放間距鋼化玻璃基片等效應力

圖7 支撐物不同布放間距鋼化玻璃基片總變形

由圖6和圖7可知,在大氣壓和支撐物的作用下,支撐物布放間距的增加會導致鋼化玻璃基片等效應力和變形量的增加。最大等效應力出現(xiàn)在支撐物與鋼化玻璃基片接觸的位置,而最大變形量出現(xiàn)在支撐物排列圖形的中心和最外圍支撐物與鋼化玻璃基片邊緣之間的區(qū)域。

同樣,對其他形狀支撐物的全鋼化真空玻璃在支撐物不同排列方式和布放間距的情況下進行仿真計算。通過仿真結(jié)果可以得到,無論哪種情況,最大等效應力和變形量都與布放間距呈正相關,且分布規(guī)律相似。不同支撐物形狀(正方形、正三角形、正六邊形)排列時全鋼化真空玻璃的最大等效應力和變形量如表1～3所示。

表1 不同支撐物形狀正方形排列時全鋼化真空玻璃的最大等效應力和變形量

在保證最大等效應力不超過90 MPa、最大變形量不超過0.15 mm時,由表1可知,支撐物形狀為圓球形、圓柱形、圓環(huán)形的全鋼化真空玻璃正方形排列時,最大布放間距分別為70、80、90 mm;由表2可知,支撐物正三角形排列時,最大布放間距分別為80、90、90 mm;由表3可知,支撐物正六邊形排列時,最大布放間距分別為70、70、80 mm。

表2 不同支撐物形狀正三角形排列時全鋼化真空玻璃的最大等效應力和變形量

表3 不同支撐物形狀正六邊形排列時全鋼化真空玻璃的最大等效應力和變形量

支撐物形狀不同的全鋼化真空玻璃在不同排列方式和布放間距下最大等效應力和變形量變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知,支撐物形狀不同的全鋼化真空玻璃在布放間距、排列方式相同的情況下,其最大等效應力的關系為σmax圓環(huán)形<σmax圓柱形<σmax圓球形,最大變形量的關系為ωmax圓環(huán)形<ωmax圓柱形<ωmax圓球形。

圖8 支撐物形狀不同的全鋼化真空玻璃在不同排列方式和布放間距下最大等效應力和變形量變化規(guī)律

通過對比可知,在同樣布放間距和排列方式的條件下,全鋼化真空玻璃支撐物形狀為圓環(huán)形時等效應力和變形量最小,其次圓柱形,最后是圓球形。在支撐物相同布放間距,不同排列方式中,玻璃性能最好的是正三角形排列,其次是正方形排列,最后是正六邊形排列。

4 結(jié) 論

1)通過ANSYS軟件進行數(shù)值分析,研究了支撐物不同形狀、排列方式及不同布放間距對全鋼化真空玻璃等效應力和變形量的影響。結(jié)果表明,不論哪種形狀的支撐物或排列方式,其最大等效應力和變形量都與布放間距呈正相關,且其分布規(guī)律基本一致,最大等效應力出現(xiàn)在支撐物與鋼化玻璃基片接觸位置,最大變形量出現(xiàn)在支撐物排列圖形中心位置和支撐物與封接材料之間的區(qū)域。

2)在支撐物布放間距、排列方式相同的情況下,全鋼化真空玻璃等效應力和變形量最小的是采用圓環(huán)形支撐物,其次是采用圓柱形支撐物,最后是采用圓球形支撐物;在支撐物形狀、布放間距相同的情況下,采用正三角形排列時等效應力和變形量最小,其次是采用正方形排列,采用正六邊形排列時最大。

3)全鋼化真空玻璃在實際生產(chǎn)使用中,支撐物過多不僅會增加生產(chǎn)成本,而且還會降低其通透性。因此,支撐物形狀為圓球形、圓柱形、圓環(huán)形的全鋼化真空玻璃在排列方式為正方形時,適宜的支撐物布放間距分別為70、80、90 mm;在排列方式為正三角形時,適宜的支撐物布放間距分別為80、90、90 mm;在排列方式為正六邊形時,適宜的支撐物布放間距分別為70、70、80 mm。