溫差對(duì)含相變材料玻璃幕墻溫度和應(yīng)力的影響及分析

王封順 王西奇 張 浩

東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318

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溫差對(duì)含相變材料玻璃幕墻溫度和應(yīng)力的影響及分析

王封順 王西奇 張 浩

東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318

玻璃幕墻對(duì)建筑的節(jié)能有著不可代替的作用，含相變材料的玻璃幕墻對(duì)保溫有良好的作用，也是發(fā)展的趨勢(shì)。本文主要對(duì)含石蠟玻璃幕墻在溫差作用下，利用ansys對(duì)室內(nèi)室和室外溫度的變化對(duì)玻璃幕墻溫度及應(yīng)力的影響。

ansys；溫度場(chǎng)；應(yīng)力分布

隨著社會(huì)的進(jìn)步，玻璃幕墻已經(jīng)大面積的使用在建筑中，對(duì)建筑的使用功能和建筑的裝飾功能有不可代替的功能。

但是玻璃幕墻也有著各種隱患，比如在溫差作用下，玻璃幕墻兩側(cè)就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力的存在不僅影響玻璃的壽命和室內(nèi)熱量的損失(特別是冬季)，還有可能產(chǎn)生斷裂破壞，危害著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

本文主要研究溫差對(duì)含石蠟玻璃幕墻溫度和應(yīng)力的影響及分析，在溫差作用下，幕墻溫度場(chǎng)的分布及應(yīng)力的分布。

一、有限元分析模型的建立

(一)含石蠟玻璃幕墻四周約束的簡(jiǎn)化

目前，很多學(xué)者對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行了有限元分析研究，得到了一些規(guī)律性的結(jié)論。但大部分是基于邊界固定約束或簡(jiǎn)支式約束，與設(shè)計(jì)結(jié)果相比，固定約束計(jì)算值偏大；而簡(jiǎn)支式約束由于應(yīng)力得到釋放，結(jié)果與計(jì)算值相比偏小。含相變材料玻璃幕墻處于剛剛起步階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)含石蠟玻璃幕墻的研究甚少，為了保證其可靠性，本次模擬選擇固定約束。

(二)有限元模型的建立

采用熱應(yīng)力耦合單元Brick 20 node 226單元模擬含石蠟玻璃幕墻在溫差作用下溫度分布和應(yīng)力分布規(guī)律。玻璃幕墻外層尺寸為500mm×500mm×4mm，中間層石臘的厚度為9mm。材料參數(shù)：玻璃彈性模量7.2×10-5Mpa，泊松比0.2，線(xiàn)膨脹系數(shù)1×10-5厚度，導(dǎo)熱系數(shù)為0.76，密度為140kg/m3，比熱容為790J/(kg·℃)；石蠟的比熱容為4810/3110 J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.2，密度為880 kg/m3。

二、溫差作用下玻璃內(nèi)外溫度及應(yīng)力分布

(一)溫差作用下玻璃內(nèi)外溫度的分布

我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，合理的利用和控制能源的使用有著重大意義。玻璃幕墻建筑已成為當(dāng)今潮流。如何更好的利用玻璃幕墻節(jié)約能源是我們專(zhuān)業(yè)的重大責(zé)任。本文主要通過(guò)玻璃幕墻內(nèi)外溫度差來(lái)模擬一下，玻璃幕墻表面的溫度變化情況，假定室內(nèi)外溫度如下表1、圖1所示：

表1

根據(jù)內(nèi)外溫差的不同，利用ansys進(jìn)行模擬，得出了玻璃幕墻內(nèi)外玻璃表面溫度的變化范圍規(guī)律，從室內(nèi)外玻璃表面溫度變化規(guī)律對(duì)比可以看出，當(dāng)室外溫度為零下30攝氏度時(shí)，內(nèi)外溫度相差特別大，隨著室外溫度逐漸升高，室內(nèi)外溫差逐漸變小，但是室內(nèi)玻璃幕墻表面的溫度的變化相對(duì)來(lái)說(shuō)不是很大，這充分說(shuō)明了，室內(nèi)外玻璃表面溫差越大，保溫效果越好，大大減少了能量的損耗，節(jié)約能源。

(二)玻璃幕墻溫度應(yīng)力的分析

含相變材料玻璃幕墻根據(jù)上面的分析，對(duì)保溫效果相對(duì)來(lái)說(shuō)還是不錯(cuò)，但同時(shí)也要滿(mǎn)足應(yīng)力的要求，下面就利用ANSYS進(jìn)行溫度應(yīng)力的分析，室內(nèi)外的溫度設(shè)定還是利用上面的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如下圖2所示：

圖1

圖2

由圖可以分析當(dāng)溫度是零下三十度時(shí)最大拉壓應(yīng)力都比較大，主要原因是內(nèi)外溫差過(guò)大，導(dǎo)致壓應(yīng)力和拉應(yīng)力都比較大。隨著室外溫度逐漸升高，直到零下十度時(shí)，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都有所降低。溫度為三十度時(shí)，拉壓應(yīng)力又回升到最大，但是都不超過(guò)應(yīng)力的最大值，也就是不會(huì)對(duì)玻璃產(chǎn)生應(yīng)力破壞。

三、結(jié)論

對(duì)含相變材料玻璃幕墻在不同溫差作用下玻璃內(nèi)外表面溫度分布規(guī)律，以及溫差作用下玻璃表面應(yīng)力最大值的分析，可以知道，內(nèi)含相變材料玻璃幕墻內(nèi)外溫差較大，對(duì)保溫效果比較樂(lè)觀，所以對(duì)建筑節(jié)能方面比較有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。玻璃幕墻只有在溫差較大時(shí)才會(huì)對(duì)玻璃表面產(chǎn)生較大應(yīng)力，其他溫度作用下，應(yīng)力分布較小，但是最大值也不超過(guò)普通玻璃的規(guī)定值。所以含相變材料不僅不會(huì)造成應(yīng)力破壞，同時(shí)還會(huì)減少能量損失，節(jié)約大量能源。

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