引言
隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們的環(huán)保意識(shí)不斷提升，節(jié)能減排在當(dāng)今汽車(chē)發(fā)展方向上是一重大趨勢(shì)。而真空玻璃作為一種新型結(jié)構(gòu)，代替普通玻璃車(chē)窗應(yīng)用于新能源汽車(chē)，符合國(guó)家大力推行的節(jié)能環(huán)保政策，市場(chǎng)前景廣闊。弧面鋼化真空玻璃的結(jié)構(gòu)是：將兩片鋼化弧面玻璃四周密閉，并將其間隙抽成真空，兩片弧面鋼化玻璃之間的間隙為0.1—0.5mm，在間隙之間布放間距30一60mm的支撐柱，其直徑為0.3一0.6mm 。弧面鋼化真空玻璃所制成的汽車(chē)側(cè)窗玻璃，由于中間存在一定的真空層，降低了傳熱系數(shù)并提升了隔音性能：也帶來(lái)了一定的節(jié)能功效。但在汽車(chē)高速行駛過(guò)程中，由于車(chē)輛的震動(dòng)和支撐柱布放制造工藝水平不高，支撐柱與弧面鋼化真空玻璃的粘結(jié)性差，容易造成支撐柱的滑落與缺位。若弧面鋼化真空玻璃部分位置支撐柱缺失，輕則損壞真空玻璃的保溫隔音等性能，重則使兩片弧面鋼化玻璃直接接觸，玻璃表面的永久殘余應(yīng)力上升，汽車(chē)側(cè)窗弧面鋼化真空玻璃的破碎風(fēng)險(xiǎn)增大，給車(chē)內(nèi)乘客造成安全隱患。因此，支撐柱缺位是汽車(chē)側(cè)窗弧面鋼化真空玻璃制造企業(yè)須高度重視的一項(xiàng)質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目。
支撐應(yīng)力是弧面鋼化真空玻璃重要的力學(xué)參數(shù)，且支撐缺位位置及數(shù)量對(duì)支撐應(yīng)力的大小及分布影響顯著，因此對(duì)其研究十分必要。本文開(kāi)展汽車(chē)側(cè)窗弧面鋼化真空玻璃支撐應(yīng)力研究，根據(jù)彈性力學(xué)和板殼理論，建立力學(xué)模型并開(kāi)展ANSYS有限元分析，研究了某客車(chē)中部側(cè)窗弧面鋼化真空玻璃不同部位支撐柱缺位及不同缺位數(shù)量對(duì)弧面鋼化真空玻璃彎曲應(yīng)力和變形的影響，并對(duì)支撐柱缺位的許可范圍給予界定。
1 弧面鋼化真空玻璃力學(xué)模型建立
1.1 模型結(jié)構(gòu)與假設(shè)
汽車(chē)側(cè)窗弧面鋼化真空玻璃由兩塊弧面鋼化玻璃構(gòu)成，四周密封，中間布放金屬支撐柱，支撐柱擺放如圖1(a）所示。兩個(gè)曲面限定的曲面結(jié)構(gòu)，若曲面的厚度遠(yuǎn)小于曲率半徑，則稱(chēng)為薄殼體，若模型所示約薄殼在縱向（柱面的母線方向）沒(méi)有曲率，則稱(chēng)為柱殼體。對(duì)于柱殼模型，采用曲面坐標(biāo)系，通常把a(bǔ)坐際放在縱向，p坐標(biāo)放在環(huán)向，弧面坐標(biāo)軸如圖1(b)所示。
弧面鋼化真空玻璃在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下將產(chǎn)生弧面鋼化真空玻璃表層由以一定的彎曲應(yīng)力和表面變形有大氣壓施加的均布載荷，且支撐柱呈規(guī)則布置，由于對(duì)稱(chēng)性，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以做出如下假設(shè)：以任何一支撐柱為中心，取出一一個(gè)弧形單元，其邊長(zhǎng)為該支撐柱與相鄰支撐柱最短距離的一半。由殼體理論可知：
（1）垂直于中面方向的正應(yīng)變不計(jì)；
（3）與中面平行的截面上的正應(yīng)力遠(yuǎn)小于其垂直面上的正應(yīng)力，因而它對(duì)變形的影響可不計(jì)；
（4）體力與面力均可化為作用于中面的荷載。
1.2 理論計(jì)算
圖2為四邊簡(jiǎn)支的弧面單元受載情況，由圖2可知，當(dāng)環(huán)向開(kāi)敞、四邊簡(jiǎn)支的圓柱殼單元只受到法向荷載時(shí)，可以用重三角級(jí)數(shù)求解。設(shè)圓柱殼的縱向邊長(zhǎng)為a，環(huán)向邊長(zhǎng)為b，則邊界條件為：
1 .3 參數(shù)選擇
選用兩塊厚度為3mm，曲率半徑為5000mm，縱向長(zhǎng)度為700mm，橫向長(zhǎng)度為5OOmm的弧面鋼化玻璃基片，最外排支撐柱與邊緣最短距離為50mm，支撐柱間最短距離為50mm。四周有效封邊寬度為10mm, 厚度為0.3mm。支撐柱直徑為0.6mm，高度為0.3mm, 共有117個(gè)支撐柱有序排列在弧面鋼化玻璃上。根據(jù)GB15763.2一2005《 建筑用安全玻璃第2部分：鋼化玻璃》，設(shè)置鋼化玻璃彈性模量為72GPa，泊松比為0.24, 玻璃密度為2500kg/m³。封邊焊料采用玻璃粉焊劑，相關(guān)參數(shù)參照玻璃材料選取。支撐柱材料采用不銹鋼，密度為 7800kg / m , ，彈性模量為 Z000Pa ，泊松比為 0 . 3 。接著劃分網(wǎng)格，其中支撐柱網(wǎng)格大小為0.15mm，弧面玻璃板劃分為1.5mm網(wǎng)格單元。對(duì)玻璃面板施加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的均布荷載。
2 支撐柱缺位的有限元分析
采用ANSYS軟件中staticstructural模塊分析支撐柱缺位對(duì)弧面鋼化真空玻璃的彎曲應(yīng)力和彎曲變形，在分析之前，需確定該分析忽略支撐柱變形，而對(duì)玻璃變形進(jìn)行分析，因此在設(shè)置條件時(shí)，在弧面鋼化真空玻璃四周?chē)@邊框進(jìn)行固定約束。在弧面鋼化玻璃表面加載一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，分析結(jié)果如圖3一圖5所示。
圖3 中間缺位情況下弧面鋼化真空玻璃應(yīng)力和變形仿真結(jié)果
圖4 角部缺位情況下弧面鋼化真空玻璃應(yīng)力和變形仿真結(jié)果
圖5 邊緣部位缺位情況下弧面鋼化真空玻璃應(yīng)力和變形仿真結(jié)果
和最大彎曲變形匯總至表1中，由表1制成點(diǎn)線，如圖6所示。表中a—n對(duì)應(yīng)圖3一圖5中的（a）一（n）。由圖3一圖5中的應(yīng)力云圖可以看出，支撐柱與玻璃板的接觸部位產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖3(a）可知，無(wú)缺位條件下弧面鋼化玻璃最大變形max出現(xiàn)在任意兩支撐柱的中部區(qū)域。由圖6可清晰得出，在弧面鋼化真空玻中部區(qū)域，支撐柱連續(xù)缺位數(shù)未超過(guò)2時(shí)，未超過(guò)GB15763.2一2005《建筑用安全玻璃第2部分：鋼化玻璃》中所規(guī)定的90MPa，且也未超過(guò)真空腔高度，但當(dāng)連續(xù)缺位數(shù)量大于等于3時(shí)，應(yīng)力集中和變形量都達(dá)到最大，圖（d）中最大應(yīng)力為117.7MPa ,圖(e）中最大變形量為0.566mm。因弧面玻璃中央的曲率半徑最大，變形產(chǎn)生的影響較大，連續(xù)缺位數(shù)量大于等于3時(shí)，兩塊弧面鋼化玻璃可能產(chǎn)生接觸，汽車(chē)側(cè)窗弧面鋼化真空玻璃有破碎的風(fēng)險(xiǎn)；在弧面鋼化真空玻璃角落部位，支撐柱連續(xù)缺位數(shù)小于等于2時(shí)，未超過(guò)90MPa, 但在支撐柱連續(xù)缺位為3時(shí)，角落部位出現(xiàn)了顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象。其原因是角落部的玻璃封接材料起到了較大的支撐作用，但由于材料的不同，產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中；在弧面鋼化真空玻璃的邊緣部位，支撐柱不超過(guò)3個(gè)連續(xù)缺位時(shí)，未超過(guò)90MPa，也相對(duì)較小，符合要求，但當(dāng)連續(xù)缺位數(shù)量達(dá)到4及以上時(shí)，最大應(yīng)力為96.183MPa，最大變形為0.217mm，最大應(yīng)力值超過(guò)許用值，具有安全隱患。
圖6 不同支撐柱缺位下弧面鋼化真空玻璃特性
表1 不同支撐柱缺位下弧面鋼化真空玻璃的支撐應(yīng)力和彎曲變形結(jié)果
3 結(jié)論
（1）本文通過(guò)運(yùn)用彈性力學(xué)、柱殼理論等方法，建立了弧面鋼化真空玻璃的力學(xué)模型，分析了弧面鋼化真空玻璃在法向載荷卜的表面撓度和應(yīng)力分布模型，運(yùn)用ANSYSWorkbench軟件對(duì)弧面鋼化真空玻璃不同支撐柱缺位下的支撐應(yīng)力和彎曲變形進(jìn)行了分析。
（2）研究結(jié)果顯示，在中間部位支撐柱連續(xù)缺位數(shù)量不允許超過(guò)2個(gè)，在角落部位支撐柱連續(xù)缺位數(shù)量不允許超過(guò)2個(gè)，在邊緣部位支撐柱連續(xù)缺位數(shù)量不允許超過(guò)3個(gè)。
（3）鑒于邊緣部支撐柱缺位會(huì)造成鋼化真空玻璃封邊應(yīng)力集中，易廿致鋼化損傷發(fā)生，同時(shí)中間部位支撐柱缺位會(huì)導(dǎo)致弧面鋼化真空玻璃的極大變形，建議邊緣和中間部不得有支撐柱缺位，以保證汽車(chē)玻璃安全可靠性。
