预应力真空玻璃的力学性能模拟与分析①

□□ 窦睿智

(吉林建筑大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130118)

引言

随着社会基础建设的进步与发展，绿色节能材料越来越受到建筑行业的青睐，中空、真空玻璃应运而生。由于中空玻璃的保温隔热能力较弱，内部中空层会出现结露，双层玻璃成本导致造价较高，不能满足保温要求更高的温室与实验基地。而真空玻璃以其优异的保温隔热性发挥了不可替代的作用。

真空玻璃是由2个平行的玻璃板组成，它们之间有1个狭窄的真空间隙。由于施加在2块玻璃板外表面上的大气压力的影响，这些板由支撑柱阵列分开。由密封剂(焊料玻璃或铟合金)密封的真空间隙可最大限度地减少穿过玻璃的空气热传导和对流。沉积在真空间隙内的玻璃内表面上的1层或2层高性能低辐射(low-E)涂层可将辐射热传递降到非常低的水平。其热透过在真空玻璃的中心区域，带有2个低辐射涂层，2块玻璃板间的支撑柱高度一般在1～5 mm，可以显著降低冬季采暖和夏季制冷的负荷，并为居住者提供热舒适性[1-2]。如果与第3块玻璃板结合形成充气或第2真空间隙，则热透射率将进一步降低。但是，真空玻璃因其高昂的造价使得真空玻璃在建筑门窗领域仅占据较少的市场份额，真空玻璃的制备需要昂贵的生产机器以及严苛的生产环境。

本文对一种全新的真空玻璃进行ANSYS模拟分析，通过将2块3 mm平面玻璃板热弯成弧形钢化玻璃板，其弧形最高点为0.5 cm，随后用挡板将2块玻璃板固定，并在两侧的挡板内部穿入预应力钢绞线，并通过扭矩扳手对其施加预应力，使玻璃内部与外部产生的综合预应力足以抵消外界大气压，应力施加完成后，用挡板封闭玻璃四周，最后套入真空阻隔带进行热封。此种真空玻璃的制造工艺较为简单，同时制作成本较低，具有较好的应用前景。

1 试验部分

1.1 软件与各种参数的确定

北方地区作为寒地建筑的代表，设计原则以冬季保温隔热性为主，ANSYS作为一种高效、准确、边界的大型模拟分析软件，能与多数计算机辅助设计软件接口实现数据共享和交换，主要有结构、流体、电场、磁场、声场等五大分析模块，并广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、能源等领域[3]。采用ANSYS进行静力学分析，需要准确设定材料参数(见表1)，并施加合理的工况建立模型并分析。

表1 材料参数

1.2 建立ANSYS模型

首先，在SpaceClaim中建立玻璃模型，模型由2块32 cm×3.5 cm×1 cm钢板和4根26 cm、Φ5 mm、1 860 MPa的高强度钢丝和2块厚3 mm的曲面钢化玻璃组成，曲面圆心角为2°，如图1和图2所示。

图1 玻璃侧面模型图

图2 玻璃平面模型图

1.3 玻璃模型网格划分

划分网格的精细程度影响后期试验数据的准确度，因为玻璃平面发生的形变直接反映出应力大小，网格越精细产生的可计算单元越多，可以更加精细地计算出每个单元的应力分布情况、力学性能及应力变化，以15 mm为单位划分网格，产生网格较为均匀、细致，在保持玻璃板面网格精密度的同时可以兼顾玻璃两侧钢板模型的网格密度。由于模型侧重于分析玻璃平面的应力状态，故玻璃面的网格较为紧密，侧板模型相对疏松，部分节点处出现非线性网格，但对模型的整体运行结果和准确性没有影响[4]，如图3所示。

图3 网格划分图

1.4 玻璃模型施加工况

在ANSYS软件中对模型施加的工况直接关系到试验数据的准确性，能否正确地模拟出工作环境至关重要，而预应力真空玻璃需要对产品施加精确、细致的预应力，如图4和图5所示。

图4 玻璃模型的工况设定

图5 钢丝在张拉过程中的工况

从图4可以看出，A、B是玻璃两侧挡板施加的预应力为0.1 MPa，通过C固定端将玻璃固定在水平位置，应力通过挡板均匀的传递至玻璃表面，使之更好地对抗外界的大气压。图5是模拟预应力钢丝在施加预应力的过程中，将钢丝向两侧挤压的示意图，A、B两侧施加的是0.1 MPa的应力，C为固定端。

2 软件的计算与分析

玻璃板两侧施加0.1 MPa的应力荷载作用下玻璃变形情况如图6所示。由图6(a)可知，两侧对玻璃施加的应力都逐渐分布到玻璃表面，由于玻璃呈弧形曲面形态，因而在玻璃拱起的最高处受力最大，则发生形变最大的位置位于玻璃板平面的中间部分，整体形变呈对称结构，最大形变为621.68 μm，最小形变为69.076 μm，而玻璃的极限形变量在1 200 μm左右，由此看来玻璃处于安全范围内。

图6 0.1 MPa玻璃形变

通过图6(b)可以发现，由于钢化玻璃厚度仅为3 mm，所以单位面积所受的力较大，使得玻璃表面产生的均布荷载最低在13.479 MPa，足以抵抗外界大气压，而对于抗拉强度为80 MPa的玻璃来说，尚有较大的应力富余，整个玻璃系统处于非常安全的状态。

3 结语

通过对真空玻璃进行ANSYS力学性能模拟，当施加的应力为0.1 MPa时，微曲玻璃的形变最大值为621.68 μm，玻璃表面受到的均布荷载为121.27 MPa。此种真空玻璃可大大降低了制造难度和生产成本，调补了真空玻璃在中低价市场的空白，同时也开启了对真空玻璃制备工艺的全新探索，希望在建筑门窗甚至更广的领域，真空玻璃的应用越来越广泛，越来越普遍。