鋼化真空玻璃在溫差作用下的變形特征

高 帥，岳高偉，藺海曉，李敏敏，劉 慧

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，焦作 454000)

0 引 言

真空玻璃作為新一代節(jié)能環(huán)保玻璃，具有其他種類玻璃無法比擬的隔熱、隔聲等優(yōu)越性能，但是由普通玻璃制成的真空玻璃因強(qiáng)度低等問題制約了其應(yīng)用和發(fā)展[1]。而將普通玻璃經(jīng)過加熱—淬冷處理后得到的鋼化玻璃，其表面形成的壓應(yīng)力層極大地提高了承載能力[2]。與普通玻璃相比，同等厚度的鋼化玻璃抗彎強(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，同時(shí)具備破碎后的碎片小、無尖銳鋒角等安全性能[3]。此外，鋼化玻璃本身強(qiáng)度較大，可以適當(dāng)?shù)卦龃笾挝镩g距，對真空玻璃的隔熱性能和視覺效果起到優(yōu)化作用[4-5]。

在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，鋼化真空玻璃兩側(cè)存在溫差時(shí)易發(fā)生彎曲變形，甚至出現(xiàn)密封開裂使鋼化真空玻璃漏氣(失效)的現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要有兩種：(1)鋼化真空玻璃導(dǎo)熱性極低；(2)溫度較高側(cè)玻璃發(fā)生線膨脹。真空玻璃具有極低的導(dǎo)熱性，董慧敏[6]、李宏等[7]采用試驗(yàn)測試和數(shù)值模擬的方法，分析了不同類型玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果表明真空玻璃導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于其他類型玻璃，滿足節(jié)能環(huán)保的要求。Hu等[8]、趙驍真等[9]通過對支撐物參數(shù)和邊緣密封部分參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)，得到了各個(gè)指標(biāo)對玻璃傳熱系數(shù)的影響程度。Zhu等[10]分析了基材玻璃的厚度、密封邊的寬度、支撐柱陣列間距以及隔熱框架結(jié)構(gòu)對真空玻璃傳熱的影響。Rodriguez-Ake等[11]模擬三層玻璃窗的共軛傳熱，通過與雙層和單層玻璃對比，得出了不同真空層和玻璃基片厚度對玻璃窗抗熱性能影響。Wang等[12]利用思維進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對真空玻璃隔熱層傳熱系數(shù)進(jìn)行建模，預(yù)測了真空玻璃的保溫隔熱性能，發(fā)現(xiàn)玻璃在升高溫度時(shí)發(fā)生線性膨脹，使真空玻璃封接部位破裂。Memon等[13-14]研究了低溫表面感應(yīng)對真空抽取、泵孔密封和復(fù)合邊緣密封的熱性能的影響，并設(shè)計(jì)、開發(fā)了真空隔熱玻璃的新型無鉛密封材料，通過減少真空邊緣密封的寬度和涂層的輻射率，改善了真空隔熱玻璃的熱性能。劉慧[15]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，對鋼化真空玻璃溫差變形的影響因素和安全性進(jìn)行研究。李永明等[16]通過計(jì)算內(nèi)外玻璃溫差作用下真空玻璃的應(yīng)力和變形，分析了影響真空玻璃破裂的因素，結(jié)果表明任意尺寸的真空玻璃均有可能會(huì)因溫差作用產(chǎn)生破裂，且最大拉應(yīng)力分布在邊角部位。蘇行等[17]、Fang等[18]利用冷熱循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證鋼化真空玻璃可靠度，結(jié)果表明真空玻璃在經(jīng)過熱冷循環(huán)試驗(yàn)后傳熱率增加10.1%，真空度下降0.6 Pa，但邊緣封接部分未發(fā)生破裂，仍滿足使用要求。

本文通過鋼化真空玻璃在不同溫差下的變形試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了鋼化真空玻璃兩側(cè)不同溫差情況下的變形特征，為不同尺寸鋼化真空玻璃在適用環(huán)境中的變形預(yù)測提供科學(xué)方法。

1 鋼化真空玻璃溫差變形及失效測試

鋼化真空玻璃導(dǎo)熱率極低，對其一側(cè)加熱，受熱面玻璃膨脹變形，未受熱面基本不受影響。封接部位對受熱一側(cè)玻璃的約束力也作用于常溫側(cè)玻璃，使其協(xié)同變形。當(dāng)鋼化真空玻璃彎曲受熱變形過大時(shí)，封接部位撕裂，最終導(dǎo)致其漏氣失效。為了研究鋼化真空玻璃溫差變形特征的影響規(guī)律，選用不同尺寸的鋼化真空玻璃在不同溫度下進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

鋼化真空玻璃溫差試驗(yàn)需要的設(shè)備儀器有IPC-610H工控機(jī)、耐高溫加熱墊、測溫線、控溫線、直尺、細(xì)線等。IPC-610H工控機(jī)通過控溫線和測溫線分別連接耐高溫加熱墊和鋼化真空玻璃，實(shí)時(shí)控制并讀取鋼化真空玻璃的溫度。耐高溫加熱墊對鋼化真空玻璃的一面進(jìn)行加熱，使其達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度，并保持一段時(shí)間后再測試玻璃的變形。采用交叉測量法測量鋼化真空玻璃的變形，為減小鋼化真空玻璃溫差變形試驗(yàn)的誤差，同一工況下進(jìn)行多次測量。

為研究尺寸和溫差對鋼化真空玻璃變形的影響，選用長寬尺寸分別為347 mm×1 344 mm、559 mm×1 984 mm、318 mm×2 120 mm的鋼化真空玻璃(5+0.5V+5，單片鋼化玻璃厚度為5 mm，真空層厚度為0.5 mm)進(jìn)行試驗(yàn)。鋼化真空玻璃溫差試驗(yàn)步驟如下：

(1)調(diào)整IPC-610H工控機(jī)，初始溫度設(shè)定為30 ℃，加熱時(shí)間為120 min。

(2)將加熱墊粘在鋼化真空玻璃下側(cè)，并放在水平試驗(yàn)平臺上。

(3)鋼化真空玻璃下側(cè)由耐高溫加熱墊加熱(加熱溫度由溫度工控機(jī)控制)，分別加熱至70 ℃、80 ℃、90 ℃、100 ℃、110 ℃，使鋼化真空玻璃兩側(cè)溫差達(dá)到40 ℃、50 ℃、60℃、70 ℃、80 ℃。

(4)設(shè)定溫度達(dá)到穩(wěn)定后，在玻璃對角拉線，用直尺測量兩條對角線交叉點(diǎn)O到玻璃的垂直距離h，即玻璃中心變形量，鋼化真空玻璃的高溫變形示意圖如圖1(a)所示。

圖1 鋼化真空玻璃高溫變形示意圖

(5)換其他尺寸的鋼化真空玻璃重復(fù)步驟(1)～(4)，記錄數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

鋼化真空玻璃受熱后的變形如圖1(b)所示，從圖中可明顯看出鋼化真空玻璃因受熱引起的膨脹變形。將鋼化真空玻璃溫差試驗(yàn)的變形結(jié)果(玻璃中心點(diǎn)拱高)列于表1。

由表1可得到鋼化真空玻璃溫差變形規(guī)律：(1)同一尺寸的鋼化真空玻璃，其變形量隨溫差的增大而增大。(2)在同一溫差下，鋼化真空玻璃的變形量隨長邊尺寸增大而增大。故溫差和尺寸對鋼化真空玻璃溫差變形均有影響。

表1 鋼化真空玻璃溫差變形試驗(yàn)結(jié)果

2 鋼化真空玻璃在溫差作用下的力學(xué)分析

不考慮其他約束作用，鋼化真空玻璃受溫差的變形是一個(gè)等半徑的球面。設(shè)鋼化玻璃基片厚度為η，線膨脹系數(shù)為α，支撐物高度(真空層厚度)為v，鋼化真空玻璃內(nèi)外溫差為ΔT。任取彎曲球面鋼化真空玻璃的常溫面玻璃一單位長度dl為研究對象，則對應(yīng)受熱面玻璃(彎曲角度)的長度為dl+αΔTdl。設(shè)常溫側(cè)玻璃中性面距球心距離為R(球面的曲率半徑)，則受熱側(cè)玻璃中性面距球心距離為R+η+v，溫度作用下鋼化真空玻璃變形協(xié)調(diào)如圖2所示。

圖2 溫差作用下鋼化真空玻璃變形協(xié)調(diào)

根據(jù)變形協(xié)調(diào)關(guān)系，同時(shí)考慮玻璃板的泊松效應(yīng)，溫差下鋼化真空玻璃在任一方向單位長度的變形協(xié)調(diào)滿足關(guān)系如式(1)所示。

(1)

式(1)可以簡化為

(2)

式中：μ為鋼化玻璃基材的泊松比。

由式(2)可看出，鋼化真空玻璃的彎曲曲率半徑與玻璃基片厚度成正比，與基片的線膨脹系數(shù)及兩側(cè)溫差成反比。曲率半徑越小，說明鋼化真空玻璃彎曲程度越大，對鋼化真空玻璃造成的危害越大。

3 鋼化真空玻璃溫差變形的熱-變形力學(xué)模型

鋼化真空玻璃溫差變形試驗(yàn)可以得到溫差和尺寸對其變形的影響，但是服役中的鋼化真空玻璃尺寸不同，不能對其一一試驗(yàn)得出變形結(jié)果。因此，通過建立鋼化真空玻璃數(shù)值模型，模擬鋼化真空玻璃溫差變形，通過對比試驗(yàn)結(jié)果，分析鋼化真空玻璃數(shù)值模型的可靠性，進(jìn)而可對任意尺寸的鋼化真空玻璃在其應(yīng)用環(huán)境中溫差變形進(jìn)行預(yù)測。由有限元軟件ABAQUS建立的鋼化真空玻璃模型如圖3所示。

圖3 鋼化真空玻璃模型

為研究鋼化真空玻璃變形情況，對鋼化真空玻璃的簡化模型做出以下假設(shè)：(1)彈性體假設(shè)，鋼化玻璃是脆性材料，未超過極限荷載,均表現(xiàn)為理想彈性特性；(2)角點(diǎn)邊界無位移，即鋼化真空玻璃變形過程中，低溫面鋼化玻璃的四個(gè)邊角點(diǎn)Z軸方向位移為0；(3)連續(xù)均勻性假設(shè)，即鋼化玻璃、焊料、支撐物都是連續(xù)均勻材料。

3.1 鋼化真空玻璃模型的基本參數(shù)設(shè)定

鋼化真空玻璃由三部分組成：鋼化玻璃基片、焊料及支撐物，其中模型尺寸與試驗(yàn)所用規(guī)格相同。焊料的有效寬度為0.7 mm，厚度為0.5 mm。支撐物采用Q235B不銹鋼柱，其直徑和高度均為0.5 mm。材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 鋼化真空玻璃材料參數(shù)匯總

3.2 初始條件和邊界條件設(shè)置

為研究鋼化真空玻璃在服役狀態(tài)下的變形特征，對模型進(jìn)行初始條件和邊界條件的設(shè)置。

(1)在鋼化真空玻璃上下表面施加101 kPa的大氣壓，保證其內(nèi)部為真空狀態(tài)。

(2)將鋼化真空玻璃兩側(cè)初始溫度設(shè)置為30 ℃，在后續(xù)步驟中，將受熱一側(cè)鋼化玻璃溫度修改為升溫后的溫度(70～110 ℃)。

(3)將鋼化真空玻璃常溫面四個(gè)邊角點(diǎn)Z軸方向的位移設(shè)置為0，由此玻璃中心點(diǎn)位移即為鋼化真空玻璃受高溫后的最大變形量。

3.3 鋼化真空玻璃溫差變形數(shù)值模擬結(jié)果分析

根據(jù)鋼化真空玻璃溫差變形試驗(yàn)中玻璃的尺寸和溫差設(shè)置，建立鋼化真空玻璃熱-變形力學(xué)模型，研究鋼化真空玻璃溫差變形規(guī)律及數(shù)值模型的可靠性。以長、寬尺寸為347 mm×1 344 mm的鋼化真空玻璃受熱變形為例說明數(shù)值模擬結(jié)果，如圖4所示。

從圖4可看出鋼化真空玻璃溫差變形具有中心對稱的特征。由于常溫玻璃面四角點(diǎn)的Z軸方向固定，鋼化真空玻璃溫差變形呈球面，與理論分析相符。其最大變形量在玻璃中心，向四周逐漸減小。鋼化真空玻璃溫差變形的試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果對比分析如表3所示。

圖4 347 mm×1 344 mm鋼化真空玻璃在不同溫差下的變形數(shù)值模擬

由表3中模擬變形結(jié)果看出，鋼化真空玻璃溫差變形數(shù)值模擬的協(xié)調(diào)變形規(guī)律與試驗(yàn)相吻合。即同一尺寸下的鋼化真空玻璃變形量隨溫差增大而增大；同一溫差下，鋼化真空玻璃長邊尺寸越大，變形量越大。

根據(jù)表3中誤差結(jié)果可看出，鋼化真空玻璃溫差變形數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致，相對誤差均在5%以下，驗(yàn)證了鋼化真空玻璃熱-變形力學(xué)模型是可靠的。但模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果始終存在差值，可能導(dǎo)致誤差的原因有以下兩個(gè)方面：

表3 鋼化真空玻璃溫差試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果

(1)試驗(yàn)所使用的交叉測量法，只能減小而不能完全消除測量誤差，且受到儀器精度限制,測試結(jié)果精度有限。

(2)數(shù)值模擬所建立的鋼化真空玻璃模型是一個(gè)簡化的理想模型，模型忽略了封接焊料寬度和厚度不均勻?qū)︿摶婵詹Ａ夭钭冃蔚挠绊憽?/p>

4 結(jié) 論

(1)鋼化真空玻璃彎曲曲率半徑與鋼化玻璃基片的厚度成正比，與基片的線膨脹系數(shù)及兩側(cè)溫差成反比。曲率半徑越小，則鋼化真空玻璃彎曲程度越大，越容易漏氣失效。

(2)鋼化真空玻璃在溫差下的變形隨兩側(cè)溫差及鋼化玻璃基片長邊尺寸的增大而增大，且長邊尺寸越大，受溫差影響的變形越明顯。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果與溫差變形試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明了基于有限元軟件ABAQUS的鋼化真空玻璃熱-變形力學(xué)模型具有一定可靠性，可為各尺寸鋼化真空玻璃溫差協(xié)同變形的研究提供參考依據(jù)。