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)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。
(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。
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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