光伏玻璃壓延成型仿真分析

吳珍珍 喬書杰

摘 要：本文首先簡要介紹了玻璃材料的理論基礎(chǔ)，闡述了光伏玻璃壓延成型過程中溫度對各物理參數(shù)的影響，并對玻璃成型中的一些邊界條件做了必要的假設(shè)，然后在此基礎(chǔ)上建立了玻璃壓延成型段的數(shù)值模型，借助數(shù)值模擬分析軟件，把玻璃成型段的相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)置到相應(yīng)的邊界條件中，模擬得出光伏玻璃壓延成型的過程及光伏玻璃溫度場、速度場的分布情況。

關(guān)鍵詞：玻璃壓延成型；數(shù)值模擬；溫度場；速度場

中圖分類號：TQ171.633 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）14-0063-03

Simulation of Photovoltaic Glass Pressing

WU Zhenzhen QIAO Shujie

（School of Electrical and Mechanical Automotive Engineering， Zhengzhou Institute of Finance and Economics， Zhengzhou Henan 450044）

Abstract： In this paper， the theoretical basis of glass material was briefly introduced， and the influence of temperature on the physical parameters in the forming process of the photovoltaic glass was expounded， and some necessary assumptions were made on some boundary conditions in the glass molding. On this basis， a numerical model of the glass calendering section was set up， and the numerical simulation was used to analyze the soft. The related data of the glass forming section were set to the corresponding boundary conditions， and the process of the photovoltaic glass calendaring and the distribution of the temperature field and velocity field of the photovoltaic glass were simulated.

Keywords： glass pressing；numerical simulation；temperature field；speed field

1 玻璃材料的性能

1.1 玻璃的黏度

黏度是指面積為S的兩平行液面，以一定的速度梯度[dV/dx]移動(dòng)時(shí)所需克服的內(nèi)摩擦阻力f。

[f=ηsdVdx] （1）

式中，[η]表示黏度或黏性系數(shù)；S表示兩平行液面間的接觸面積；[dV/dx]表示沿垂直于液流方向液層間的速度梯度。

黏度是玻璃的重要物理性質(zhì)之一，其貫穿于玻璃生產(chǎn)的整個(gè)過程。在成型過程中，不同的成形方法與成形速度要求不同的黏度和料性。影響玻璃黏度的主要因素是化學(xué)成分和溫度，在轉(zhuǎn)變溫度區(qū)內(nèi)，還與時(shí)間有關(guān)。

由于結(jié)構(gòu)特性的不同，玻璃熔體與晶體的黏度隨溫度的變化有顯著差別。晶體在高于熔點(diǎn)時(shí)，黏度變化很小，當(dāng)?shù)竭_(dá)凝固點(diǎn)時(shí)，由于熔融態(tài)轉(zhuǎn)變成晶態(tài)的緣故，黏度呈直線上升。玻璃的黏度則隨溫度的降低而增大。從玻璃液到玻璃態(tài)物質(zhì)的轉(zhuǎn)變，黏度是連續(xù)變化的，其間沒有數(shù)值上的突變。如圖1所示。

[16

14

12

10

8

6

4

2

0][lgη/（dPa·s）][鉛晶質(zhì)

玻璃][硼硅酸鹽玻璃][鈉鈣硅玻璃][400][800][1 200][1 600][溫度/°C][14.6 應(yīng)變點(diǎn)][13.0 退火點(diǎn)][7.65 軟化點(diǎn)][5.0 流動(dòng)溫度][3.0 料滴溫度][2.0 熔融溫度]

圖1 各種玻璃的黏度-溫度曲線

對應(yīng)圖1給出以下定義。

①流動(dòng)溫度：為玻璃成形時(shí)應(yīng)具備的溫度。黏度為105dPa·s，[lgη=5]。

②軟化點(diǎn)：一般作為玻璃成形操作結(jié)束時(shí)對應(yīng)的溫度。操作范圍的下限溫度，黏度值為4.5×107dPa·s，[lgη=7.65]。

③退火點(diǎn)：玻璃在此溫度下保持15min后應(yīng)力消失，對應(yīng)黏度值1013dPa·s，[lgη=13]。

④操作范圍：指玻璃成形時(shí)玻璃液表面的溫度范圍，[T上限]指標(biāo)準(zhǔn)成形操作溫度103～104dPa·s，[lgη=3～4]；[T下限]指成形時(shí)可保持制品形狀的溫度，應(yīng)保證此時(shí)黏度大于106dPa·s ，[lgη>6]。一般操作范圍為103～106dPa·s，[lgη=3～6.6]。也有文獻(xiàn)指出操作范圍為104～108dPa·s。

1.2 玻璃的導(dǎo)熱性

物質(zhì)依靠質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)將熱能傳遞至較低溫度物質(zhì)的能力稱為導(dǎo)熱性，以熱導(dǎo)率[λ]表示。玻璃是一種熱的不良導(dǎo)體，其內(nèi)部的導(dǎo)熱是通過熱傳導(dǎo)和熱輻射來進(jìn)行的。低溫時(shí)，熱傳導(dǎo)占主要地位，玻璃的導(dǎo)熱性主要取決于其化學(xué)組成；高溫時(shí)，玻璃主要通過熱轄射傳熱，這時(shí)玻璃的導(dǎo)熱性隨著溫度的升高而增加，加熱至軟化溫度時(shí)，玻璃的導(dǎo)熱性幾乎可增加1倍[1]。玻璃的熱導(dǎo)率在高溫輻射作用下，隨溫度的變化非常復(fù)雜，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式給出本文所用玻璃的熱導(dǎo)率：

[λ=1.2+0.000 624t] （2）

其中，[t]表示溫度。

2 基于DEFORM-3D的模擬過程

2.1 模型的簡化與假設(shè)

進(jìn)行仿真分析時(shí)，為了便于對模型的特征、性能進(jìn)行更好的分析研究和計(jì)算，就要在實(shí)際情況的基礎(chǔ)上抓住主要特征，同時(shí)排除次要因素帶來的干擾，對一些次要因素進(jìn)行簡化分析。考慮到光伏玻璃成型過程因素的多樣性和復(fù)雜性，我們在模擬過程中作了如下一些假設(shè)：①上下兩對輥中的下軋輥為光輥；②不考慮玻璃液傳到空氣中的熱量。

2.2 模型的建立

幾何建模就是生成工件和模具的幾何模型，為有限元網(wǎng)格的劃分和材料屬性的定義提供載體。由于DEFORM-3D不具備三維軟件造型功能，所以幾何模型要在其他三維軟件中建立。本文的幾何模型是在三維造型軟件SolidWorks中建立的，通過CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將幾何模型加載到有限元軟件DEFORM-3D中。在幾何建模過程中，每一個(gè)零件都有自己獨(dú)自的坐標(biāo)系，在模型中彼此獨(dú)立。因此，需要進(jìn)行模型裝配，以在全局坐標(biāo)系中確定各零件間的初始相對位置關(guān)系。

在三維造型軟件SolidWorks中分別建立工件和模具的三維實(shí)體模型，并保存為STL文件格式，然后通過DEFORM-3D前置處理器中的幾何模型輸入接口，即可將有限元軟件中的三維實(shí)體模型可視化，然后進(jìn)行實(shí)體模型裝配[2]。在玻璃壓延過程中，由于不考慮上模和下模的變形情況，故把上模和下模定義為剛性體，把玻璃液定義為塑性體，其簡化模型如圖2所示。

圖2 玻璃壓延成型的簡化模型

2.3 網(wǎng)格劃分

在DEFROM-3D中，其能夠自行觸發(fā)自動(dòng)網(wǎng)格重劃生成器，重新生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)。在要求精度較高的區(qū)域，可以劃分細(xì)密的網(wǎng)格，從而降低單元格數(shù)量，并顯著提高計(jì)算效率。因此，結(jié)合DEFORM-3D中網(wǎng)格的特點(diǎn)，選用四節(jié)點(diǎn)四面體單元。

通常情況下，網(wǎng)格數(shù)量由給定的實(shí)體表面所劃分的單元數(shù)目和網(wǎng)格密度控制參數(shù)兩方面來決定。對于給定大小的擠壓件，網(wǎng)格密度增大，可以提高幾何模型的分辨率，并提高溫度、應(yīng)力和應(yīng)變等場變量的計(jì)算精度[3]。然而，一般來講，網(wǎng)格密度增大，計(jì)算求解所需要的時(shí)間也就延長。因而，最好是只在一些場變量分布變化梯度較大的區(qū)域，劃分較為致密的網(wǎng)格即可。反過來講，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，期望一些發(fā)生變形較小或者各場量變化梯度較小的區(qū)域劃分較為稀疏的網(wǎng)格。由于不對模具進(jìn)行分析，所以可將模具視為剛形體，無需進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在本文中對玻璃液進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。