汽車玻璃開裂機理分析及優化設計

勾玉濤，劉景亮，李爽

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

汽車玻璃開裂機理分析及優化設計

勾玉濤，劉景亮，李爽

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

通過分析玻璃自身內應力、生產工藝缺陷及外部應力的沖擊，剖析造成汽車風擋玻璃開裂的可能因素。特別應用強度理論對玻璃內應力的產生與擴散形式進行了分析，利用有限元法分析了車身局部剛度及模態頻率較低對汽車玻璃開裂的影響，并提出降低汽車玻璃破裂率的解決方案。

夾層玻璃；開裂；應力；模態分析；優化

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-08-04

引言

汽車玻璃是直接關系到乘客安全的重要零部件。如果出現開裂現象更會嚴重威脅駕駛員的安全，并且風擋玻璃的維修工時及難度也相對較大。為深入研究玻璃開裂的靜態特性及破壞機理，文獻[1]從玻璃雜質的應力釋放所引起的自爆現象做了深入分析，文獻[2]應有有限元法仿真驗證了外力沖擊對玻璃的破壞現象。

本文中，針對某款汽車前風擋玻璃發生批次性開裂現象，且均為夾層玻璃的外片、下邊緣面起開裂。以此為案列，從玻璃自身材料與內應力入手，并通過排查以車身剛度及模態為主的外界因素，分析玻璃開裂的潛在因素并提出優化設計方案。

1、汽車玻璃自爆因素分析

1.1 玻璃自身因素

玻璃在成型過程中是一種經高溫熔融、冷卻而固化的非晶態產品。由于模具因素、加熱參數的影響，會造成不同區域產生溫度梯度的不同，最后形成玻璃內部熱應力。玻璃表面及邊緣面與空氣接觸冷卻速度相對內部較快，因結構收縮而產生壓應力層，內部則形成了平衡表面壓應力的張應力層。如圖1、圖2所示，分別為局部玻璃熱應力示意圖及厚度方向截面a-a應力分布圖。

圖1中A區域就是風擋玻璃成型過程中托架模具與玻璃接觸的地方，受模具溫度影響，此處玻璃表面的冷卻速度相對較慢，所以形成較小壓力層，成為內部張應力最大處。

圖1 局部斷面內部熱應力示意圖

圖2 厚度方向截面a-a應力層分布圖

玻璃也會因其中存在結石、條紋或化學成分不均勻而產生結構應力。結構應力中屬硫化鎳結晶物(NiS)所產生的應力對玻璃開裂的影響最大[3]。其相變溫度在379 oC，不同于一般物質熱脹冷縮的特性，硫化鎳從高溫狀態的α-NiS六方晶系轉變為低溫狀態β-NiS三方晶系過程中，伴隨出現2%-4%的體積膨脹。玻璃在加熱成型過程中，硫化鎳全部轉化為高溫相，在隨后的冷卻過程中，高溫相來不及轉變為低溫相，從而被凍結在玻璃基體內部。但在室溫環境下，不穩定的高溫相有逐漸轉變為低溫相的趨勢，這種內部膨脹的轉變使玻璃承受巨大的相變張應力。

根據線彈性理論，這種張應力主要由溫差、膨脹系數及彈性系數所決定。其應力值可通過下式表示[1]：

式中：

n,m—分別代表顆粒和基體；

E,α,v,—彈性模量、膨脹系數與泊松比。

以上公式表明，玻璃在加熱成型后的降溫過程中，因為硫化鎳結晶體受冷膨脹的物理特性，其周圍的擠壓應力逐漸增大，產生較大的應力集中。根據第一強度理論[4]，這些應力集中區域可能直接導致玻璃的自爆。由于該處的應力總是大于其它區域，即使沒有達到強度極限，當受到一定的外力或變溫時，破裂也總是會從該處開始。

因此玻璃的自然開裂一般情況下是由于內部熱應力或結構應力超過強度極限所致。

式中：

σγ—徑向應力；σt—切向應力；

a—顆粒半徑；r—球對稱的軸坐標；

P—顆粒與玻璃基體間正壓力，可表示為：

1.2 外部因素

玻璃所承受的機械應力是指對其能產生應力沖擊或引起內應力變化的外力作用。若受到的機械應力過大，就會直接造成玻璃的破裂。風擋玻璃接收機械應力的因素有很多，其中玻璃周圍的車身局部剛度不足是主要風險點。如圖3所示，為案例車的白車身加裝風擋及周圍件后，利用CAE分析手段進行模態分析[5]。

圖3 車身模態分析

分析中，60Hz頻率內模態為4階，其中第4階局部模態最明顯，此時振動頻率為56.0Hz。由仿真結果易知，如車輛在顛簸路面或高速行駛時，車身前端局部振動或扭曲嚴重，會導致玻璃受扭轉力矩而發生形變。

如圖4所示，玻璃受扭轉力矩時受力簡圖，因玻璃邊緣處受應力最大，所以取邊緣表層單元體A-B-C-D，各面上的應力分布如圖5所示[4]：

圖4 玻璃受扭轉力簡圖

圖5 單元體各面應力圖

假設σx=σy=0，τxy=τ（即內部無應力狀態），討論就變為了扭轉力矩產生的純剪切應力狀態。切應力由下式得：

式中：Me—扭矩 單位，τ—切應力

Wt—抗扭截面系數

把式（4）代入式（5），得單元體主平面的極限應力值σmax與σmin。規定由x軸轉到主平面法線的夾角為α（逆時針為正），由式：

得α0=-45°或α0=-135°。

即從x軸起，α0=-45°與α0=-135°度確定的主平面上應力為σmax與σmin。并按照主應力的記號規定，得σ1=σmax=τ，σ2=0，σ3=σmin= -τ。所以純剪切應力狀態下，兩個主應力的絕對值相等，但一個為拉應力，一個為壓應力。

以上證明，玻璃單元體可因外部扭轉力矩的作用，產生附加拉應力。如扭轉中心及應力發生方向恰與玻璃應力集中的區域重合，根據強度理論[5]，單元體最大拉應力達到了材料的強度極限，引起玻璃開裂。

另一種機械應力導致的斷裂失效是其存在微裂紋的情況下，從斷裂力學的角度講，這里的微裂紋不僅指宏觀的、肉眼可見的裂紋。材料中的一些內部缺陷如夾雜物、氣孔等，也可近似地看作裂紋[6]。所以可以應用線彈性斷裂力學的理論及公式來描述玻璃存在微裂紋時，受外力情況下的斷裂行為[6]。應用公式：

式中：

K1—應力強度因子，單位為MPa·m1/2；

σn—與裂紋平面相垂直的外加應力；

Y —修正系數，如試樣幾何尺寸有關；

α—幾何參數，如裂紋的半長。

由上式可知，外應力（機械應力）σn越大，裂紋尖端的應力強度因子K1也逐漸增大，當K1增大到臨界應力強度因子KIC時，就能使裂紋前沿的內應力大到足以使材料分離，并使裂紋出現“失穩擴散”現象，導致試件斷裂。

因此，不管玻璃是否存在微裂紋等失效因素，來自外界的機械應力達到材料的斷裂韌性時都可能造成玻璃的開裂或斷裂加劇。

2、優化措施

2.1 玻璃自身應力控制

抽取50片故障批次玻璃在未安裝時，應用反射式邊緣應力儀（儀器型號：VRP-100）對其進行應力檢測[7,8]，檢測點布局如圖6所示，并根據《GB-9565 汽車安全玻璃》[9]中張應力≤7MPa，壓應力≥4MPa的規定，對所有樣本中各檢測點的最大張應力值及最小壓應力值進行統計，結果如圖7所示。

圖6 玻璃應力檢測點示意圖

由檢測結果可知，張應力均符合設計標準≤7MPa，但處在檢測點?左右的邊緣張應力已基本接近標準極限，且此位置恰與故障車玻璃開裂位置吻合。為調整張應力盡量小于標準極限，通過調整模具加熱溫度及時間，特別是成型過程中玻璃在模具上的邊緣留邊量，使玻璃邊緣應力遠離極限值。

圖7 應力檢測曲線圖

在原料及熔融設備中，少量鎳或其它雜質元素會無意中引入熔融爐，使硫化鎳等雜質的合成更加容易。所以受生產工藝的控制，完全消除結構應力很難實現。但通過除鎳、少硫的工藝控制，盡量避免使用鎳元素含量過高的合金機械及添加劑，用天然氣代替重油作為燃料，可有效減少結晶雜質的合成[10]。

針對夾層玻璃僅外片開裂的故障現象，在文獻[2]與文獻[11]中已提到。外力沖擊波在剛性過小的PVB層被大部分反射而成為拉伸波，使沖擊側玻璃拉伸應力超過強度極限而斷裂。另一側玻璃所承受沖擊波所剩較少而不會發生斷裂或斷裂延時。

裂口發生過程如離散元模型圖8所示：

圖8 玻璃開裂的離散元仿真圖

正是這種破壞機理與本文中案例車的破壞現象相同，更證明了本文查找的風擋玻璃開裂原因，一定還存在著外界因素的參與。

2.2 車身剛度及模態的優化

上文已提到車身局部剛度不足是可能的故障原因。因此對前擋玻璃周圍車身進行局部加固，如圖9所示，在風擋下端支撐梁上增加3組焊接支架，起到支撐加固的作用[12]。

圖9 前端模塊與局部放大圖

加固后對車身進行局部模態分析，如圖10所示，左、右側分別為加固前、后的1到3階模態分析對比圖。由圖可知，加固后的模態頻率都有所增加，且60Hz內模態減少為3階，其下端車身振動幅度都相對減小。

圖10 加固后車身模態分析對比圖

對于車身靜剛度的檢測，同樣應用CAE分析手段，在整車上對風擋下端支撐梁，由Z負方向施加100N/m的均布載荷，對比支架安裝前后的靜剛度變化情況。其支撐梁在載荷作用下位置—位移曲線如圖11所示：

圖11 支撐梁局部靜剛度變化曲線

經優化后，車身局部模態頻率較低及靜剛度不足的缺陷都得到有效改善，降低了前檔玻璃因車身剛度不足而產生過大附加張應力的風險。

2.3 其它外界因素控制

車身振動過程中，周圍附件(如進氣格柵)隨車身振動時，會瞬時沖擊其與玻璃接觸點，所以必要時應增加玻璃包邊條，減少硬質件直接與玻璃接觸的風險。

玻璃表面及邊緣面易因加工過程或運輸方式不當而造成劃痕、炸口、微裂紋等應力集中的缺陷。所以使用正確的運輸及保護措施、避免整車裝配過程中的暴力操作、加強產品檢驗，避免風險產品流入市場等，也都是必須采用的有效措施。

因為可能導致玻璃開裂的因素很多，所以探索其根本原因是一個非常復雜的過程，包括密封膠的膨脹系數過大而收縮不均等本文中未提及的復雜因素[13]。

3、結論

（1）本文根據強度理論，通過分析玻璃內應力產生與擴散形式、外部應力沖擊及生產工藝缺陷，分析出其開裂機理為玻璃所受各向應力達到其強度極限。

（2）通過分析熱應力與結構應力的產生形式，從模具設計、工藝參數及設備選材上對生產過程進行控制，避免結晶雜質的產生，降低邊緣張應力的大小。

（3）利用有限元法，證明了車身局部剛度與模態頻率較低對玻璃裂紋的干擾，以及外應力達到材料斷裂韌性時對玻璃開裂的較大影響，并提出了合理有效的優化方案。

[1] 包亦望,萬德田,劉立忠,等.玻璃自爆源和自爆機理分析[C],中國玻璃行業年會既技術研討會,北京.2007.

[2] 臧孟炎,雷周,尾田十八.汽車玻璃的靜力學特性和沖擊破壞現象[J],機械工程學報，2009,45(2):268-272.

[3] 孫文遷,黃楠,齊雅欣.鋼化應力對鋼化玻璃自爆的影響[J],中國建筑金屬結構學報，2013,5(2):88-89.

[4] 劉鴻文.材料力學[M],北京,高等教育出版社,2010,6.第5版: 214-220.

[5] Zang Mengyan, Lei Zhou . Investigation of impact fracture behavior of automobile laminated glass by 3D discrete element method [J]. Journal of Computational Mechanics, 2007,41:73-83.

[6] 戴枝榮,張遠明.工程材料[M],北京,高等教育出版社,2006,3.第2 版;6-8.

[7] 劉佳，牛永寶.前風擋玻璃售后開裂問題分析[J],科技與企業，2014,15(4): 465-466.

[8] 周天輝.鋼化玻璃自爆及應力無損測定方法[J].建筑玻璃與工藝玻璃.1996,(4):21-23.

[9] GB 9656—2003,汽車安全玻璃[s],2003,全國汽車標準化技術委員會安全玻璃分會.

[10] Bao YIwang,Liu Chengcheng,Huang Jowlay. effects of residual stresses on strength and toughness of particle reinforced TiN/ SI3N4 composite [J], Journal of Materials Science and Engineering, 2006, (4):250-258;

[11] 馬眷榮,臧曙光,丁麗梅.夾層玻璃力學模型的探討[J],航空材料學報，1998,(3):43-46.

[12] Liu Jinchun, Yu Runqing, Tang Deli. Improved prediction model for failure strength and failure time of glass panels under dynamic loading [J], Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(13):82-85.

[13] 王桂英,鄭浩東.玻璃應力與玻璃強度的影響[J],玻璃學報, 2011,38(9):11-14.

Analysis of automotive glass' cracking mechanism and optimal design

Gou Yutao, Liu Jingliang, Li Shuang
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

By analyzing internal stress of the glass, the production process defects and the impact of external stress, possible factors causing the crack of car windshields are studied. The theory of strength is especially applied to analyze the formation and diffusion mode of the internal stress of the glass. The local rigidity of the car body and low mode frequency also influence on the crack of automotive glass, which is analyzed by finite element method. And the way to reduce the crack of automotive glass is carried out.

laminated glass; crack; stress; modal analysis; optimize

U462.1

A

1671-7988 (2017)08-08-04

勾玉濤，就職于華晨汽車工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.004