基于ansys的真空平板玻璃模态分析

基于ansys的真空平板玻璃模态分析

1真空玻璃的振动固有频率随着现代高新技术的发展，结构对玻璃的安全性能要求越来越高。由于其固有的脆弱特性，普通平板玻璃容易变形，结构对安全性能的要求往往很难满足。另外,真空玻璃在保温隔热、隔声、防结露等方面有着比普通玻璃更为优良的性能,是一种新型的节能环保材料。为了满足真空玻璃在这类结构上的安全应用和整体刚度,了解真空玻璃的振动固有频率是十分必要的。特别是真空玻璃在使用和设计过程中,由于自然风等外力激励作用,很容易导致玻璃发生共振,给真空玻璃的安全使用带来危害。因此需对真空玻璃的固有频率进行分析与计算,从而优化玻璃结构或构件的设计,防止真空玻璃共振或松动。真空玻璃是基于保温瓶原理研发而成的新型节能玻璃,其基本结构如图1所示。两片玻璃之间用微小的支撑物方阵隔开,周边用低熔点玻璃料熔封,通过玻璃抽气管进行“排气”后封口,形成气压低于0.1Pa的真空层,真空层厚度为0.1～0.2mm。2玻璃的流变学模型整张真空平板玻璃主要由两块平板玻璃组成,内部由支撑体对称布放,边界由平板玻璃填充密封。支撑体有限元模型如图2所示,真空平板玻璃有限元分析模型如图3所示。模型尺寸:真空平板玻璃尺寸为1000mm×1000mm;玻璃厚度为5mm;支撑体间距50mm;圆形截面支撑体半径0.4mm;支撑体高度为0.2mm;中间真空层四周边界由低熔点玻璃封接。模型参数设定:玻璃的杨氏模量E=70GPa;泊松比v=0.22;密度r=2500kg/m3;支撑体的材料为1Cr18Ni9不锈钢,其杨氏模量E=200GPa;泊松比v=0.31;密度r=7800kg/m3。边界条件:真空玻璃侧面对称,位移约束、旋转约束为零。玻璃上下内表面分别与支撑体上下表面为柔性接触,摩擦系数为0.7。受力分析时,上下层玻璃表面受均匀载荷q=0.1MPa。网格划分:采用20节点六面体单元。支撑体与支撑体接触部分的玻璃采用较细网格。3真空平板玻璃模态分析3.1真空平板玻璃的三维分析过程真空平板玻璃有限元分析流程如图4所示。3.2东南角两组算法,以权为单位的anasas求解算法本文利用ANSYS软件进行模态分析时采用的是BlockLanczos法。BlockLanczos法是ANSYS默认的求解方法,它是采用Lanczos算法,用一组向量来实现递归的。BlockLanczos法适用于大型对称矩阵特征值求解问题,最适合由壳或壳与实体组成的模型,收敛速度更快。3.3板玻璃振幅特性真空平板玻璃第1～10阶共振频率及应变见表1。结果表明:真空平板玻璃最低阶固有频率为677.98Hz,振幅最大为0.4830mm;最高阶固有频率为3190.5Hz,振幅最大为0.4783mm。真空平板玻璃第1～10阶共振频率及其应变如图5所示。4比较中空玻璃和平面玻璃的大小4.1模型参数设定模型尺寸:玻璃尺寸为1000mm×1000mm;玻璃厚度为5mm。模型参数设定:玻璃的杨氏模量E=70GPa;泊松比v=0.22;密度r=2500kg/m3。边界条件:玻璃表面受大气压均匀载荷q=0.1MPa,玻璃侧面位移约束、旋转约束为零。网格划分:采用20节点六面体单元4.2模型参数设定及边界条件中空玻璃主要由两块平板玻璃组成,边界由不锈钢架填充密封。模型尺寸:两块平板玻璃尺寸为1000mm×1000mm,厚度为5mm;四周边界采用9A不锈钢框。模型参数设定:玻璃的杨氏模量E=70GPa;泊松比v=0.22;密度r=2500kg/m3;不锈钢框的材料为1Cr18Ni9,其杨氏模量E=200GPa;泊松比v=0.31;密度r=7800kg/m3。边界条件:平板玻璃侧面对称,位移约束、旋转约束为零。边界不锈钢架位移约束、旋转约束为零。受力分析时,玻璃表面受大气压均匀载荷q=0.1MPa。网格划分:采用20节点六面体单元。4.3结果的比较真空平板玻璃、单层玻璃、中空玻璃1～10阶固有频率的对比如图6所示,真空平板玻璃、单层玻璃、中空玻璃1～10阶应变对比如图7所示。5单层玻璃与中空玻璃动力学模态分析(1)通过ANSYS软件对真空平板玻璃进行了有限元动力学模态分析,求出了真空平板玻璃1～10阶固有频率和振型,为了防止结构发生共振,应尽量使外界激励响应的频率避开真空平板玻璃的固有频率。真空玻璃每一阶总位移矢量图中发生应变最大值的位置,这些区域应重点考虑。(2)对尺寸相同的单层玻璃与中空玻璃动力学模态分析得出,真空平板玻璃与中空玻璃的固有频率明显高于单层玻璃,在低频段不发生共振;同时真空平板玻璃固有频率处于中高频,不易发生共振。(3)对尺寸相同的单层玻璃与中空玻璃动力学模态分析得出,真空玻璃每一阶振型均小于单层玻璃与中空玻璃大约0.2mm,安全可靠性更高。(4)真空玻璃动力学模态分析的研究结果确定了设计机构的振动特性,是承受动态载荷结构设计中的重要参数,此外,也是进行谱分析、模态叠加法谱响应分析、瞬态动力学分析所必须的前期分析。同时,也为此后实验分析中确定扬声器的频率提供参考。(5)因为共振正是形成隔声低谷的一个常见原因,