支撐點間距對鋼化真空玻璃力學特性的影響

李彥兵，岳高偉

(1. 河南省高等學校深部礦井建設重點學科開放實驗室,焦作　454000;2.洛陽蘭迪玻璃機械股份有限公司，洛陽　471000)

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支撐點間距對鋼化真空玻璃力學特性的影響

李彥兵1,2，岳高偉2

(1. 河南省高等學校深部礦井建設重點學科開放實驗室,焦作454000;2.洛陽蘭迪玻璃機械股份有限公司，洛陽471000)

鋼化真空玻璃中支撐點間距對玻璃的力學性能產生重要影響，因此支撐點合理間距的選擇尤為關鍵。本文通過建立鋼化真空玻璃的力學模型，對支撐點正方形排列時間距對鋼化玻璃的力學性能影響進行了數值分析，研究結果表明：鋼化玻璃的變形量和最大Mises應力隨著支撐點間距增大而增大。對于厚度為5 mm鋼化真空玻璃，支撐點間距不大于7 cm時，均能滿足鋼化真空玻璃的力學性能。鋼化真空玻璃支撐點間距為7 cm時，不僅滿足其力學性能，還大大減少了支撐點數目。此研究將為鋼化真空玻璃制造中支撐點間距的選取提供理論依據。

鋼化真空玻璃； 力學性能； 支撐點； 間距

1　引　言

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

為了充分利用鋼化玻璃強度高、破碎后危害小等優點，并實現保溫、防結露結霜、隔聲等功能，真空半鋼化/鋼化玻璃已成為國內外最具發展潛力的節能玻璃[7,9,10]。而目前鋼化真空玻璃制造不僅技術難度高，而且理論研究方面不成熟，因此，對鋼化真空玻璃開展理論研究將對其產業化及其推廣應用具有重要意義。

本文通過建立鋼化真空玻璃模型，數值分析了不同支撐點布置對其力學特性的影響，并分析了鋼化真空玻璃支撐點的合理間距。

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，邊部內側采用密封材料封接，通過玻璃抽氣管進行抽真空后封口而形成的(圖1)。

圖1　真空平板玻璃結構示意圖Fig.1　Schematic diagram of vacuum flat glass structure

真空玻璃在外部大氣壓作用下，將產生一定的應力和變形。首先是正對支撐物玻璃表面的彎曲應力，內表面受壓，外表面為各向同性的張應力，應力的數值與玻璃的厚度及支撐物的間距有關，其最大值在支撐物的頂部。其次是支撐物與玻璃內表面接觸產生的接觸應力，此應力過大將在內表面接觸區域產生錐狀裂紋區，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。支撐物的設計是生產真空玻璃的關鍵，它與玻璃板的接觸面積過大時會增加導熱率，同時影響玻璃的透明度，因此要盡量減少支撐物總體數量及單個支撐物的體積。但是，支撐物與玻璃板的接觸過小時，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力增大，容易造成玻璃破損。因此，鋼化真空玻璃支撐點位置及排列方式直接影響其變形和應力分布。

3　鋼化真空玻璃模型的建立

3.1基本假設

在鋼化真空玻璃內側，采用鋼球支撐。由于對稱性，對模型進行簡化，只模擬真空平板玻璃的單層，并對真空平板玻璃支撐特點分析：

(1)剛性支撐假設：支撐鋼球彈性模量(193 GPa)遠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大于鋼球變形，可假設鋼球不變形，即認為是剛性支撐。

(2)點支撐假設：真空支撐點排列屬稀疏型(間距遠大于支撐球體直徑0.3 mm)，根據彈塑性力學，球形支撐點彈塑性區域半徑不超過支撐球體直徑的3倍，對大平板采用球形支撐時，可認為點支撐。

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

3.2模型建立

鋼化真空玻璃的厚度遠小于其長寬尺度，其力學特性可視為在垂直均布荷載(大氣壓)和集中荷載(支撐點)作用下的薄板彎曲問題，對鋼化真空玻璃，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行分析,模型如圖2所示。

(1)位移函數

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

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

根據Kichhoff直線法假設，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，板內任一點位移可表示為：

(1)

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

(2)幾何方程與應變分量

玻璃內不等于零的應變分量有如下三個：

(2a)

(2b)

(2c)

(3)本構關系

玻璃彎曲的本構方程為：

(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

對于鋼化真空玻璃中任一塊，可認為邊界固支，可表示為：

(6a)

(6b)

(6c)

(6c)

其中，a，b為玻璃長和寬。

綜上所述，在給定玻璃側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)求應力。對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力應變云圖。

3.3參數選取

真空玻璃的長寬均為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；環境溫度25 ℃；鋼化真空玻璃一側受力為一個大氣壓(105Pa)，另一側采用剛性點支撐，不考慮均布荷載( 真空度在0.1～0.3 Pa以下[11]，可忽略 )；網格2.5 mm(大于支撐點影響區域1.5 mm)；支撐點排列盡可能密支(正方形排列)。

4　鋼化真空玻璃支撐點間距數值分析

為了分析鋼化真空玻璃支撐點(正方形排列)間距的合理性，分別對支撐間距為5 cm、6 cm、7 cm、8 cm和9 cm時鋼化真空玻璃支撐點的最大應力、位移進行數值分析，如圖4～8。

圖4　支撐點間距5 cm(a)位移;(b) Mises應力Fig.4　Support point spacing 5 cm

圖5　支撐點間距6 cm(a)位移;(b) Mises應力Fig.5　Support point spacing 6 cm

圖6　支撐點間距7 cm(a)位移;(b) Mises應力Fig.6　Support point spacing 7 cm

圖7　支撐點間距8 cm(a)位移;(b) Mises應力Fig.7　Support point spacing 8 cm

圖8　支撐點間距9 cm(a)位移;(b) Mises應力Fig.8　Support point spacing 9 cm

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

表1　支撐點正方形排列鋼化玻璃力學參數

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

5　結　論

鋼化真空玻璃支撐點間距不僅影響玻璃的透明度、導熱率，還對對玻璃支撐部位的力學性能產生重要影響。本文通過建立鋼化真空玻璃的力學模型，數值分析了支撐點正方形布置時，不同排列間距對鋼化真空玻璃力學特性的影響，研究結果表明：鋼化真空玻璃在支撐點和邊緣封接部位形成集中應力。隨著支撐間距增大，鋼化玻璃的變形量和最大Mises應力也增大。當鋼化真空玻璃中支撐物間距不大于7 cm時，均能滿足鋼化真空玻璃的力學要求。當鋼化真空玻璃支撐點間距為7 cm時，不僅滿足其力學性能，還大大減少了支撐點數目。

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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

河南省科技攻關項目(9412009Y0914)

李彥兵(1968-)，男，高級工程師.主要從事鋼化玻璃工藝技術方面的研究.

岳高偉，博士，副教授.

TU502

A

1001-1625(2016)04-1172-05