玻璃弹性变形对面差的影响分析与改进

2019-11-21杨振宇

汽车与驾驶维修(维修版) 2019年8期

杨振宇

（同济大学汽车学院 201906）

半钢化夹层玻璃（Semi-tempered laminated glass）又称热增强玻璃，其原理是通过PVB薄膜将上下两层半钢化玻璃粘结在一起。这种玻璃防爆性能好，UV阻挡率可以达到100%，降噪能力强，缺点是刚度差易变形[1]。采用这种玻璃的汽车天窗，在光栅检查时极易因玻璃曲率的剧烈变化而发生光畸变（图1）。

图1 前玻璃两侧畸变点

1 夹层玻璃产生弹性变形的原因分析

对比安装前后玻璃面的曲率数据发现，装配到天窗框架上的前玻璃曲率呈现不规则变化，左侧4号点测量值为-0.360 mm，装配后为-1.128 mm；右侧16号点测量值为-0.335 mm，装配后为-0.956 mm。由此判断，玻璃在安装后发生了变形[2]。

分析玻璃的静态受力，前玻璃受力来自于后玻璃的密封条挤压变形后产生的反作用力，以及紧固螺栓的锁紧力。按照密封条的理论设计值，每100.000 mm长度上压缩高度为3.200 mm时，受到的压力为18.5 N。密封条总长度为865.000 mm，前玻璃受到的反作用力为160.0 N。建模分析玻璃受力情况如图2所示。

玻璃的材料为二氧化硅，单片厚度2.100 mm。加强铁件共4部分，分布安装在玻璃四周，材料是Q235。查阅资料ASTM C 1279[3]，半钢化玻璃的许用应力范围是24～69 MPa，选取其中间值42 MPa作为半钢化玻璃的许用应力。为了简化CAE分析工作量，将两块半钢化玻璃作为具有同一应力分布的整体，即两块玻璃分担相等的载荷[4]，所有螺栓紧固简化为刚性连接。

图2 天窗Y0截面结构受力

利用有限元软件Abaqus模拟前玻璃受力后的状态，设置材料属性和对应的边界数据。模拟分析结果显示，当前玻璃后侧受力160.0 N时，产生弹性变形。玻璃整体呈现中间低后侧高的形状，左右侧中间点下凹约1.053 mm。CAE分析结果与实际测量值相比约有0.100 mm的偏差，但两者的变形趋势相同。由此可知，玻璃总成自身强度不足是玻璃产生变形的原因之一。

2 夹层玻璃的强度改善

增加玻璃刚性可以改善玻璃形变的大小。可从以下几个方面进行改善：增加玻璃厚度；增加钢制加强件厚度；改进钢制加强件结构形状，以增强其刚度。考虑到改进方案要利于开发成本和项目时间进度的控制，因此，选择增加钢制加强件厚度和改进其结构。

增加加强件厚度无需修改包边模具，只需简单调整折弯模具和冲压模具即可。而改进加强件结构的优势在于，可以通过手工样件快速进行试制，验证改进效果，总体改动幅度小、见效快且成本低。

两侧的加强件原设计壁厚为1.500 mm。根据企业内部设计规范，PU包边最小厚度为1.000 mm，因此钣金件的壁厚最大只能增加到2.000 mm。如图3所示，红色部分是原件壁厚，黄色部分是增加到2.000 mm的结构。辊压件结构的改进方案是在原口字型结构上增加一道辊压工序，在中间增加一条加强筋结构。修改有限元模型并重新设置参数，新的分析结果如图4所示，玻璃弹性变形量为0.313 mm，对比改进前减少了0.740 mm。

3 夹层玻璃刚性改善结果的验证

为了验证改进是否有效，利用铝合金铣削加工成的标准车顶模拟实际装车情况，按照客户要求固定好前后玻璃并测量数据。利用百分表检测天窗玻璃，前玻璃3、4、5和15、16、17号点，取测量值。数据记录在表1内。提取3、4、5和15、16、17点的数据做玻璃曲率变化趋势如图5所示。

表1 天窗标准车身测点值（单位：mm）

图3 加强件优化示意

图4 优化加强件后玻璃形变模拟图

图5 前玻璃左右侧曲率

图5中的曲线MIN和MAX分别表示玻璃曲率的上限和下限。可见，客户抱怨光畸变的区域是4号点和16号点，原件的这2点的偏差值也是最大的。3、5、15和17号点靠近Z向基准点，因此测量值基本为理论值0。改进后，4号点的平均值为-0.709 mm比原件提高0.667 mm；16号点平均值为-0.694 mm，比原件Z向提高0.643 mm。4号点和16号点与各自两边的测量点之间的差值也减小了，与CAE模拟得到的0.740 mm的优化结果非常接近，也证明了CAE模拟的准确性。分别连接3、4、5和15、16、17号点模拟玻璃两侧的曲率，可知1～10号天窗左右侧的玻璃曲率比原件更加平缓，变差更小，对改善光畸变有明显作用。所以，改进加强件的结构，对优化玻璃面差和玻璃左右两侧曲率有效果，但并不能彻底解决问题。