預(yù)應(yīng)力真空玻璃的力學(xué)性能模擬與分析①

□□ 竇睿智

(吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

引言

隨著社會基礎(chǔ)建設(shè)的進(jìn)步與發(fā)展，綠色節(jié)能材料越來越受到建筑行業(yè)的青睞，中空、真空玻璃應(yīng)運(yùn)而生。由于中空玻璃的保溫隔熱能力較弱，內(nèi)部中空層會出現(xiàn)結(jié)露，雙層玻璃成本導(dǎo)致造價較高，不能滿足保溫要求更高的溫室與實(shí)驗(yàn)基地。而真空玻璃以其優(yōu)異的保溫隔熱性發(fā)揮了不可替代的作用。

真空玻璃是由2個平行的玻璃板組成，它們之間有1個狹窄的真空間隙。由于施加在2塊玻璃板外表面上的大氣壓力的影響，這些板由支撐柱陣列分開。由密封劑(焊料玻璃或銦合金)密封的真空間隙可最大限度地減少穿過玻璃的空氣熱傳導(dǎo)和對流。沉積在真空間隙內(nèi)的玻璃內(nèi)表面上的1層或2層高性能低輻射(low-E)涂層可將輻射熱傳遞降到非常低的水平。其熱透過在真空玻璃的中心區(qū)域，帶有2個低輻射涂層，2塊玻璃板間的支撐柱高度一般在1～5 mm，可以顯著降低冬季采暖和夏季制冷的負(fù)荷，并為居住者提供熱舒適性[1-2]。如果與第3塊玻璃板結(jié)合形成充氣或第2真空間隙，則熱透射率將進(jìn)一步降低。但是，真空玻璃因其高昂的造價使得真空玻璃在建筑門窗領(lǐng)域僅占據(jù)較少的市場份額，真空玻璃的制備需要昂貴的生產(chǎn)機(jī)器以及嚴(yán)苛的生產(chǎn)環(huán)境。

本文對一種全新的真空玻璃進(jìn)行ANSYS模擬分析，通過將2塊3 mm平面玻璃板熱彎成弧形鋼化玻璃板，其弧形最高點(diǎn)為0.5 cm，隨后用擋板將2塊玻璃板固定，并在兩側(cè)的擋板內(nèi)部穿入預(yù)應(yīng)力鋼絞線，并通過扭矩扳手對其施加預(yù)應(yīng)力，使玻璃內(nèi)部與外部產(chǎn)生的綜合預(yù)應(yīng)力足以抵消外界大氣壓，應(yīng)力施加完成后，用擋板封閉玻璃四周，最后套入真空阻隔帶進(jìn)行熱封。此種真空玻璃的制造工藝較為簡單，同時制作成本較低，具有較好的應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)部分

1.1 軟件與各種參數(shù)的確定

北方地區(qū)作為寒地建筑的代表，設(shè)計(jì)原則以冬季保溫隔熱性為主，ANSYS作為一種高效、準(zhǔn)確、邊界的大型模擬分析軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，主要有結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場等五大分析模塊，并廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、能源等領(lǐng)域[3]。采用ANSYS進(jìn)行靜力學(xué)分析，需要準(zhǔn)確設(shè)定材料參數(shù)(見表1)，并施加合理的工況建立模型并分析。

表1 材料參數(shù)

1.2 建立ANSYS模型

首先，在SpaceClaim中建立玻璃模型，模型由2塊32 cm×3.5 cm×1 cm鋼板和4根26 cm、Φ5 mm、1 860 MPa的高強(qiáng)度鋼絲和2塊厚3 mm的曲面鋼化玻璃組成，曲面圓心角為2°，如圖1和圖2所示。

圖1 玻璃側(cè)面模型圖

圖2 玻璃平面模型圖

1.3 玻璃模型網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格的精細(xì)程度影響后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，因?yàn)椴Ａ矫姘l(fā)生的形變直接反映出應(yīng)力大小，網(wǎng)格越精細(xì)產(chǎn)生的可計(jì)算單元越多，可以更加精細(xì)地計(jì)算出每個單元的應(yīng)力分布情況、力學(xué)性能及應(yīng)力變化，以15 mm為單位劃分網(wǎng)格，產(chǎn)生網(wǎng)格較為均勻、細(xì)致，在保持玻璃板面網(wǎng)格精密度的同時可以兼顧玻璃兩側(cè)鋼板模型的網(wǎng)格密度。由于模型側(cè)重于分析玻璃平面的應(yīng)力狀態(tài)，故玻璃面的網(wǎng)格較為緊密，側(cè)板模型相對疏松，部分節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)非線性網(wǎng)格，但對模型的整體運(yùn)行結(jié)果和準(zhǔn)確性沒有影響[4]，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

1.4 玻璃模型施加工況

在ANSYS軟件中對模型施加的工況直接關(guān)系到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，能否正確地模擬出工作環(huán)境至關(guān)重要，而預(yù)應(yīng)力真空玻璃需要對產(chǎn)品施加精確、細(xì)致的預(yù)應(yīng)力，如圖4和圖5所示。

圖4 玻璃模型的工況設(shè)定

圖5 鋼絲在張拉過程中的工況

從圖4可以看出，A、B是玻璃兩側(cè)擋板施加的預(yù)應(yīng)力為0.1 MPa，通過C固定端將玻璃固定在水平位置，應(yīng)力通過擋板均勻的傳遞至玻璃表面，使之更好地對抗外界的大氣壓。圖5是模擬預(yù)應(yīng)力鋼絲在施加預(yù)應(yīng)力的過程中，將鋼絲向兩側(cè)擠壓的示意圖，A、B兩側(cè)施加的是0.1 MPa的應(yīng)力，C為固定端。

2 軟件的計(jì)算與分析

玻璃板兩側(cè)施加0.1 MPa的應(yīng)力荷載作用下玻璃變形情況如圖6所示。由圖6(a)可知，兩側(cè)對玻璃施加的應(yīng)力都逐漸分布到玻璃表面，由于玻璃呈弧形曲面形態(tài)，因而在玻璃拱起的最高處受力最大，則發(fā)生形變最大的位置位于玻璃板平面的中間部分，整體形變呈對稱結(jié)構(gòu)，最大形變?yōu)?21.68 μm，最小形變?yōu)?9.076 μm，而玻璃的極限形變量在1 200 μm左右，由此看來玻璃處于安全范圍內(nèi)。

圖6 0.1 MPa玻璃形變

通過圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，由于鋼化玻璃厚度僅為3 mm，所以單位面積所受的力較大，使得玻璃表面產(chǎn)生的均布荷載最低在13.479 MPa，足以抵抗外界大氣壓，而對于抗拉強(qiáng)度為80 MPa的玻璃來說，尚有較大的應(yīng)力富余，整個玻璃系統(tǒng)處于非常安全的狀態(tài)。

3 結(jié)語

通過對真空玻璃進(jìn)行ANSYS力學(xué)性能模擬，當(dāng)施加的應(yīng)力為0.1 MPa時，微曲玻璃的形變最大值為621.68 μm，玻璃表面受到的均布荷載為121.27 MPa。此種真空玻璃可大大降低了制造難度和生產(chǎn)成本，調(diào)補(bǔ)了真空玻璃在中低價市場的空白，同時也開啟了對真空玻璃制備工藝的全新探索，希望在建筑門窗甚至更廣的領(lǐng)域，真空玻璃的應(yīng)用越來越廣泛，越來越普遍。