真空平板玻璃的有限元分析

真空平板玻璃的有限元分析

真空平板玻璃被用作节能建筑的门窗。真空平板玻璃在实际使用中受到各种负荷的影响，影响了真空平板玻璃的结构和应用特征。因此，负荷量化，分析真空平板玻璃在静态荷载下的响应特征，对真空平板玻璃的应用及其结构设计的改进非常重要。目前，国内外关于真空平板玻璃力学的研究仅限于对真空平板玻璃的支撑效应和两玻璃面的温度作用，而对真空平板玻璃的整体外部负荷的力学研究则很少。因此，作者在这项工作中，以实验中采用的真空平板玻璃为基础，建立了一个连续模型，分析了真空平板玻璃在静态负荷下的力学性。模型进行了有限的验证。1理论分析1.1真空平板玻璃分量参数试验采用的真空平板玻璃为两块尺寸为800mm×800mm的普通钠钙玻璃,单块玻璃厚度为4mm,两块玻璃中间真空夹层厚度为0.2mm,故成型后整体厚度为8.2mm.可以将8.2mm厚的真空平板玻璃折算成一定当量厚度h的普通矩形玻璃板,如图1.假定组成真空平板玻璃的两块厚度分别为h1,h2的普通玻璃,其各自承受的均布荷载为p1,p2,而玻璃面板的挠度与荷载成正比,与刚度(或厚度的立方)成反比.作为组成真空平板玻璃的两块普通玻璃,根据挠度相等的假定,其总载荷为p0=p1+p2=p1(h3131+h3232)/h3232=p2(h31+h32)/h3131,则真空平板玻璃的当量厚度为h=3√h31+h32=5.04h=h31+h32−−−−−−−√3=5.04mm,这样便得到本研究试样真空平板玻璃的当量参数,见表1.1.2真空平板玻璃应力值、挠度、集中载荷对比1)承受均布载荷的固支(夹支)真空平板玻璃.图2所示为夹支真空平板玻璃,其作用均布载荷为p0,最大挠度出现在板的中心,wmax=αp0b4/(Eh3);(1)E-mail:wangmingyou-0536@163.com当a>b时,整块真空平板玻璃最大应力出现在长边a的中心,即σmax=-β1p0b2/h2;(2)在真空平板玻璃的中心,最大应力为σ′max=σy=β2p0b2/h2,(3)式中α,β1,β2等参数见表217.对于本试样真空平板玻璃,a/b=4/3,用插值法可计算出载荷系数α=0.0213,β1=0.4182,β2=0.1994.代入相关数据后得真空平板玻璃的挠度、应力值分别为wmax=αp0b4/(Eh3)=3.9211×10-7p0,(4)σmax=-β1p0b2/h2=-5.9269×103p0,(5)σ′max=β2p0b2/h2=2.8260×103p0.(6)2)承受局部集中载荷的固支(夹支)真空平板玻璃.图3为集中载荷p分布在真空平板玻璃半径为r为20mm的小同心圆上.最大挠度出现在真空平板玻璃中心,为wmax=αpb2/(Eh3);(7)真空平板玻璃的最大应力出现在中心,为σ′max=[3p/(2πh2)]{(1+μ)ln[2b/(πr′)]+β1};(8)而在4个固定边,最大应力出现在长边中心,为σmax=σy=-β2p/h2;(9)当r<0.5h时,r′=√1.6r2+h2-0.675h;当r≥0.5h时,r′=r,式中α,β1,β2等参数见表317.对于试样真空平板玻璃,a/b=4/3,同样用插值法计算出载荷系数α=0.0738,β1=-0.0187,β2=0.9396.代入相关数据后得真空平板玻璃的挠度为wmax=αpb2/(Eh3)=3.7739×10-6p.(10)当p作用在圆面(r=20mm)时,应力值为σ′max=[3p/(2πh2)]{(1+μ)ln[2b/(πr′)]+β1}=6.8952×104p,(11)σmax=-β2p/h2=-3.6990×104p.(12)2真空平板模型的有限分析2.1材料和模型的选用采用节点法建立真空平板玻璃的简化模型.根据玻璃窗的材料特性及其形状尺寸,单元类型选用SHELL63,支撑柱采用BEAM188,各向同性材料的弹性模量E=55GPa,泊松比μ=0.25,密度为2500kg·m-3.模型采用四边夹支,类似于真空平板玻璃正常使用时柔性夹支的工况.2.2玻璃应力应变云图对真空平板玻璃施加1000Pa均布载荷,通过有限元分析求解可得真空平板玻璃应力应变云图.当真空平板玻璃承受1000Pa均布载荷时,最大挠度出现在中心,最大值如图4所示,wmax=0.39298mm;最大应力出现在长边中心,如图5所示,σmax=4.187MPa,两结果与理论分析一致.2.3平板玻璃应力应变曲线对真空平板玻璃施加117000Pa(15kg)集中载荷,通过有限元分析求解可得真空平板玻璃应力应变云图.真空平板玻璃在中心r=20mm圆形区域承受117000