支撐點(diǎn)間距對(duì)鋼化真空玻璃力學(xué)特性的影響

李彥兵，岳高偉

(1. 河南省高等學(xué)校深部礦井建設(shè)重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室,焦作　454000;2.洛陽蘭迪玻璃機(jī)械股份有限公司，洛陽　471000)

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支撐點(diǎn)間距對(duì)鋼化真空玻璃力學(xué)特性的影響

李彥兵1,2，岳高偉2

(1. 河南省高等學(xué)校深部礦井建設(shè)重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室,焦作454000;2.洛陽蘭迪玻璃機(jī)械股份有限公司，洛陽471000)

鋼化真空玻璃中支撐點(diǎn)間距對(duì)玻璃的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響，因此支撐點(diǎn)合理間距的選擇尤為關(guān)鍵。本文通過建立鋼化真空玻璃的力學(xué)模型，對(duì)支撐點(diǎn)正方形排列時(shí)間距對(duì)鋼化玻璃的力學(xué)性能影響進(jìn)行了數(shù)值分析，研究結(jié)果表明：鋼化玻璃的變形量和最大Mises應(yīng)力隨著支撐點(diǎn)間距增大而增大。對(duì)于厚度為5 mm鋼化真空玻璃，支撐點(diǎn)間距不大于7 cm時(shí)，均能滿足鋼化真空玻璃的力學(xué)性能。鋼化真空玻璃支撐點(diǎn)間距為7 cm時(shí)，不僅滿足其力學(xué)性能，還大大減少了支撐點(diǎn)數(shù)目。此研究將為鋼化真空玻璃制造中支撐點(diǎn)間距的選取提供理論依據(jù)。

鋼化真空玻璃； 力學(xué)性能； 支撐點(diǎn)； 間距

1　引　言

鋼化玻璃是平板玻璃經(jīng)過加熱—淬冷方法或其它方法處理后在其表面形成壓應(yīng)力層，以提高玻璃的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱沖擊強(qiáng)度，且當(dāng)其破損時(shí)，形成顆粒狀碎片以減少致傷危險(xiǎn)的一種安全玻璃[1,2]。鋼化玻璃作為安全玻璃，廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、家具、儀表等各個(gè)領(lǐng)域[3-6]。鋼化玻璃的抗彎強(qiáng)度是普通玻璃的3～4倍，抗沖擊強(qiáng)度更是普通玻璃的3～5倍以上，在破碎時(shí)變成小碎塊，其顆粒狀碎片對(duì)人體傷害遠(yuǎn)小于普通玻璃[7,8]。

為了充分利用鋼化玻璃強(qiáng)度高、破碎后危害小等優(yōu)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)保溫、防結(jié)露結(jié)霜、隔聲等功能，真空半鋼化/鋼化玻璃已成為國內(nèi)外最具發(fā)展?jié)摿Φ墓?jié)能玻璃[7,9,10]。而目前鋼化真空玻璃制造不僅技術(shù)難度高，而且理論研究方面不成熟，因此，對(duì)鋼化真空玻璃開展理論研究將對(duì)其產(chǎn)業(yè)化及其推廣應(yīng)用具有重要意義。

本文通過建立鋼化真空玻璃模型，數(shù)值分析了不同支撐點(diǎn)布置對(duì)其力學(xué)特性的影響，并分析了鋼化真空玻璃支撐點(diǎn)的合理間距。

2　鋼化真空玻璃

鋼化真空玻璃是兩片平板玻璃之間用微小的支撐物方陣隔開，邊部?jī)?nèi)側(cè)采用密封材料封接，通過玻璃抽氣管進(jìn)行抽真空后封口而形成的(圖1)。

圖1　真空平板玻璃結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of vacuum flat glass structure

真空玻璃在外部大氣壓作用下，將產(chǎn)生一定的應(yīng)力和變形。首先是正對(duì)支撐物玻璃表面的彎曲應(yīng)力，內(nèi)表面受壓，外表面為各向同性的張應(yīng)力，應(yīng)力的數(shù)值與玻璃的厚度及支撐物的間距有關(guān)，其最大值在支撐物的頂部。其次是支撐物與玻璃內(nèi)表面接觸產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，此應(yīng)力過大將在內(nèi)表面接觸區(qū)域產(chǎn)生錐狀裂紋區(qū)，影響玻璃的使用壽命。

為了保證在外界大氣壓力下真空層的存在，在兩片玻璃板之間要放置支撐物。支撐物的設(shè)計(jì)是生產(chǎn)真空玻璃的關(guān)鍵，它與玻璃板的接觸面積過大時(shí)會(huì)增加導(dǎo)熱率，同時(shí)影響玻璃的透明度，因此要盡量減少支撐物總體數(shù)量及單個(gè)支撐物的體積。但是，支撐物與玻璃板的接觸過小時(shí)，由于大氣壓的作用，集中在玻璃板與支撐物的部位形成集中荷載，造成支撐物上方玻璃板拉應(yīng)力增大，容易造成玻璃破損。因此，鋼化真空玻璃支撐點(diǎn)位置及排列方式直接影響其變形和應(yīng)力分布。

3　鋼化真空玻璃模型的建立

3.1基本假設(shè)

在鋼化真空玻璃內(nèi)側(cè)，采用鋼球支撐。由于對(duì)稱性，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，只模擬真空平板玻璃的單層，并對(duì)真空平板玻璃支撐特點(diǎn)分析：

(1)剛性支撐假設(shè)：支撐鋼球彈性模量(193 GPa)遠(yuǎn)大于鋼化玻璃彈性模量 (72 GPa)，在外載作用下，接觸位置鋼化玻璃變形遠(yuǎn)大于鋼球變形，可假設(shè)鋼球不變形，即認(rèn)為是剛性支撐。

(2)點(diǎn)支撐假設(shè)：真空支撐點(diǎn)排列屬稀疏型(間距遠(yuǎn)大于支撐球體直徑0.3 mm)，根據(jù)彈塑性力學(xué)，球形支撐點(diǎn)彈塑性區(qū)域半徑不超過支撐球體直徑的3倍，對(duì)大平板采用球形支撐時(shí)，可認(rèn)為點(diǎn)支撐。

(3)邊界無位移假設(shè)：鋼化真空玻璃邊界密封(防漏氣)，采用固定支撐，即認(rèn)為邊界無位移。

3.2模型建立

鋼化真空玻璃的厚度遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)寬尺度，其力學(xué)特性可視為在垂直均布荷載(大氣壓)和集中荷載(支撐點(diǎn))作用下的薄板彎曲問題，對(duì)鋼化真空玻璃，只考慮中面的的伸縮變形，由此，可采用薄板小撓度彎曲理論進(jìn)行分析,模型如圖2所示。

(1)位移函數(shù)

圖2　真空平板玻璃力學(xué)模型(a)支撐點(diǎn)布置;(b)力學(xué)模型Fig.2　Mechanical model of vacuum plate glass

圖3　薄板變形圖Fig.3　Diagram of sheet deformation

根據(jù)Kichhoff直線法假設(shè)，及薄板小撓度彎曲理論，玻璃中面微元矩形ABCD變形后為微元曲面A' B' C' D'，如圖3所示，板內(nèi)任一點(diǎn)位移可表示為：

(1)

其中，w=w(x,y)為玻璃內(nèi)任一位置位移；ε為玻璃應(yīng)變；u和v分別為玻璃中面x，y位移。

(2)幾何方程與應(yīng)變分量

玻璃內(nèi)不等于零的應(yīng)變分量有如下三個(gè)：

(2a)

(2b)

(2c)

(3)本構(gòu)關(guān)系

玻璃彎曲的本構(gòu)方程為：

(3a)

(3b)

(3c)

其中，E為玻璃彈性模量；ν為玻璃泊松比。

(4)平衡方程

(4a)

(4b)

(4c)

(5)玻璃撓度微分方程

各向同性玻璃彎曲控制微分方程可表示為：

(5)

其中，q為玻璃所受荷載。

(6)邊界條件

對(duì)于鋼化真空玻璃中任一塊，可認(rèn)為邊界固支，可表示為：

(6a)

(6b)

(6c)

(6c)

其中，a，b為玻璃長(zhǎng)和寬。

綜上所述，在給定玻璃側(cè)面邊界條件下求解撓曲線微分方程。求得撓度w后，然后按式(3)和式(4)求應(yīng)力。對(duì)真空平板玻璃上玻璃面板施加均布載荷(模擬大氣壓)，通過有限元求解可得真空平板玻璃應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。

3.3參數(shù)選取

真空玻璃的長(zhǎng)寬均為0.5 m；玻璃厚度5 mm；鋼化玻璃的彈性模量取72 GPa，泊松比0.2；支撐體(鋼球)直徑0.3 mm；封邊寬度為10 mm；環(huán)境溫度25 ℃；鋼化真空玻璃一側(cè)受力為一個(gè)大氣壓(105Pa)，另一側(cè)采用剛性點(diǎn)支撐，不考慮均布荷載( 真空度在0.1～0.3 Pa以下[11]，可忽略 )；網(wǎng)格2.5 mm(大于支撐點(diǎn)影響區(qū)域1.5 mm)；支撐點(diǎn)排列盡可能密支(正方形排列)。

4　鋼化真空玻璃支撐點(diǎn)間距數(shù)值分析

為了分析鋼化真空玻璃支撐點(diǎn)(正方形排列)間距的合理性，分別對(duì)支撐間距為5 cm、6 cm、7 cm、8 cm和9 cm時(shí)鋼化真空玻璃支撐點(diǎn)的最大應(yīng)力、位移進(jìn)行數(shù)值分析，如圖4～8。

圖4　支撐點(diǎn)間距5 cm(a)位移;(b) Mises應(yīng)力Fig.4　Support point spacing 5 cm

圖5　支撐點(diǎn)間距6 cm(a)位移;(b) Mises應(yīng)力Fig.5　Support point spacing 6 cm

圖6　支撐點(diǎn)間距7 cm(a)位移;(b) Mises應(yīng)力Fig.6　Support point spacing 7 cm

圖7　支撐點(diǎn)間距8 cm(a)位移;(b) Mises應(yīng)力Fig.7　Support point spacing 8 cm

圖8　支撐點(diǎn)間距9 cm(a)位移;(b) Mises應(yīng)力Fig.8　Support point spacing 9 cm

從圖4～8可得到支撐點(diǎn)正方形排列方式下不同間距時(shí)的位移和應(yīng)力云圖，將其位移和應(yīng)力最大值及支撐點(diǎn)數(shù)列表，如表1所示，并繪制成圖9。從表1和圖9可得，支撐點(diǎn)正方形排列情況下，支撐點(diǎn)間距5 cm、6 cm、7 cm和8 cm時(shí)均可滿足要求(表面應(yīng)力95 MPa)；但考慮鋼化玻璃厚度不均勻性，應(yīng)當(dāng)給予鋼化玻璃一定的受力富裕度，在此取80 MPa，則間距8 cm時(shí)不滿足要求。從支撐點(diǎn)數(shù)來看，間距7 cm時(shí)單位面積支撐點(diǎn)數(shù)225個(gè)，比間距5 cm時(shí)的400個(gè)少用了175個(gè)。因此，對(duì)厚度為5 mm的鋼化真空玻璃，支撐點(diǎn)采用正方形布置時(shí)，支撐間距應(yīng)不大于7 cm。

表1　支撐點(diǎn)正方形排列鋼化玻璃力學(xué)參數(shù)

圖9　正方形排列支撐應(yīng)力與支撐點(diǎn)數(shù)(a)不同支撐間距玻璃最大Mises應(yīng)力;(b) 不同支撐間距支撐點(diǎn)數(shù)Fig.9　Support stress and support points

5　結(jié)　論

鋼化真空玻璃支撐點(diǎn)間距不僅影響玻璃的透明度、導(dǎo)熱率，還對(duì)對(duì)玻璃支撐部位的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。本文通過建立鋼化真空玻璃的力學(xué)模型，數(shù)值分析了支撐點(diǎn)正方形布置時(shí)，不同排列間距對(duì)鋼化真空玻璃力學(xué)特性的影響，研究結(jié)果表明：鋼化真空玻璃在支撐點(diǎn)和邊緣封接部位形成集中應(yīng)力。隨著支撐間距增大，鋼化玻璃的變形量和最大Mises應(yīng)力也增大。當(dāng)鋼化真空玻璃中支撐物間距不大于7 cm時(shí)，均能滿足鋼化真空玻璃的力學(xué)要求。當(dāng)鋼化真空玻璃支撐點(diǎn)間距為7 cm時(shí)，不僅滿足其力學(xué)性能，還大大減少了支撐點(diǎn)數(shù)目。

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Mechanical Properties of Tempered Glass Vacuum with Different Support Point Spacing

LIYan-bing1,2,YUEGao-wei2

(1.Henan Province Colleges and Universities Deep Mine Construction Key Discipline Open Laboratory,Jiaozuo 454000,China;2.Luoyang Landglass Machinery Incorporated Company,Luoyang 471000,China)

The spacing of support points has very important influence for the mechanical properties of heat-strengthened vacuum glazing, so it is the key to choose the reasonable spacing of support points. In this paper, the mechanical model of heat-strengthened vacuum glazing is estbulished to numerically simulate and analyze the mechanical properties of glass, which support points are square pitch arrangement. The results show that in heat-strengthened vacuum glazing the deformation quantity and the maximum Mises stress both increase with the enlargement of support points spacing. If support points spacing is not more than 7 cm, the mechanical properties can be satisfied for 5 mm thickness toughened glass. When the support points spacing is 7 cm, not only the mechanical properties of toughened glass is be satisfied, but the number of support points is greatly reduced. This study will provide a theoretical basis for the reasonable selection of support points spacing in heat-strengthened vacuum glazing manufacturing.

tempered glass vacuum;mechanical property;support point;reasonable spacing

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(9412009Y0914)

李彥兵(1968-)，男，高級(jí)工程師.主要從事鋼化玻璃工藝技術(shù)方面的研究.

岳高偉，博士，副教授.

TU502

A

1001-1625(2016)04-1172-05