（载运工具运用工程专业论文）青藏客车新型自呼吸车窗研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 青藏铁路特殊的地理环境对客车的设计提出了新的要求。对于 车窗来说，主要应解决高海拔带来的低气压、强紫外线、冬季寒冷 低温三大问题。 论文首先通过理论计算分析了低压( o 5 4 个大气压) 状态下中 空玻璃的应力分布，并结合低压舱试验、高原试验的结果，分析了 低压对中空玻璃冲击强度的影响。经过查阅大量的相关资料和论证 分析，提出了四种解决低压问题的方案。经过高原试验的检验，并 综合考虑制造、成本等方面的因素，最终确定了自呼吸中空玻璃的 方案。 由于目前铁路行业没有关于中空玻璃紫外线透过率的标准，本 文根据气象部门对紫外线强度的分类，提出中空玻璃紫外线透过率 小于1 0 的建议标准。以此为标准，确定了采用l o w - e 玻璃( 低辐 射玻璃) 作为降低紫外线辐射的措施。至此，基本确定了中空玻璃 的结构。 论文分析了国内外车窗的隔热现状，研究提高车窗隔热性能的 途径：车窗密封性、中空玻璃k 值、隔断热桥窗框，并主要围绕中 空玻璃k 值、隔断热桥窗框提出解决方案。 最后，根据上述研究结果展开设计，并制作中空玻璃样件及样窗。 为了验证方案的有效性，进行了中空玻璃疲劳寿命试验、紫外线透 过率试验、车窗k 值试验。试验结果表明：青藏客车车窗能有效解 决低气压问题，防紫外线性能、隔热性能优良，车窗k 值降低至 2 8 5 ( 2 5 型车k 值在3 4 3 8 之间) ，达到了产品开发所提出的目 标。 关键词：青藏铁路，车窗，低压，紫外线，隔热 硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w ef a c eu ps o m en e wr e q u i r e m e n t sf o rn b e tc a rd e s i g nb e c a u s eo f t h es p e c i a le n v i r o n m e n t so fq i n g h a i t i b e t f o rt r a i nw i n d o w , w em a i n l y n e e dt os o l v et h r e eb i gp r o b l e m so fl o wp r e s s u r e ，s t r o n gu l t r a v i o l e t r a d i a t i o na n dc h i l l n e s sb e c a u s eo f t h eh i g ha l t i t u d e f i r s t , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h es t r e s sd i s t r i b u t i n go fh o l l o w g l a s s i nl o wp r e s s u r e ( o 5 4 a t m o s p h e r i cp r e s s u r e ) t h r o u g ht h e o r e t i c c a l c u l a t i o na n da n a l y z e st h el o wp r e s s u r ee f f e c tt ot h eh o l l o wg l a s s s i m p a c ti n t e n s i t ya c c o r d i n gt ol o w - p r e s s u r ec a b i nt e s ta n da l t i p l a n ot e s t w ep u tf o r w a r df o u rp r o p o s a l st os o l v el o wp r e s s u r eq u e s t i o nt h r o u g h r e a d i n ga l o to fr e l a t i v ed a t aa n da r g u m e n t a t i o n f i n a l ，w ed e c i d et o a d o p t “b r e a t h i n g h o l l o wg l a s st h r o u g ha l t i p l a n ot e s ta n di nt h es a m e t i m et h i n k i n go v e rt h ef a c t o ro f c o ga n dm a n u f a c t u r e b e c a u s et h e r ei sn ou l t r a v i o l e tt r a n s m i s s i o ns t a n d a r da b o u th o l l o w g l a s s i n r a i l w a yi n d u s t r y , w es u g g e s tt h eu l t r a v i o l e t t r a n s m i s s i o n s t a n d a r do fn om o r et h a n1 0 a c c o r d i n gt ot h ed a t aa b o u tu l t r a v i o l e t i n t e n s i t y c l a s sf r o mw e a t h e rs t a t i o n w ed e c i d et o a d o p tl o w e g l a s s ( 1 0 we r a d i a t i n gg l a s s ) t od e d u c eu l t r a v i o l e tr a d i a t i o na c c o r d i n gt o t h i sa b o v es t a n d a r d t h es t r u c t u r eo f t h eh o l l o wg l a s si sb a s i cd e c i d e da s s o f a r t h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y z e s t h eh e a ti n s u l a t i o n a c t u a l i t yo ft h e d o m e s t i ca n df o r e i g nt r a i nw i n d o w , p u tf o r w a r dt h r e ew a y st oe n h a n c e t h eh e a ti n s u l a t i o nc a p a b i l i t yo fw i n d o w ：t h es e a lo fw i n d o wv a l u eo f h o l l o wg l a s sa n dh e a ti n s u l a t i o nw i n d o wf r a m e a n db r i n gf o r w a r d p r o p o s a l st oe n h a n c et h eh e a ti n s u l a t i o nc a p a b i l i t yo fw i n d o wm a i n l y f o c u s i n go nkv a l u eo f h o l l o wg l a s sa n dh e a ti n s u l a t i o nw i n d o wf r a m e l a s t w ed e s i g nt h et i b e tw i n d o wa n dp r o d u c tt h es p e c i m e no f h o l l o wg l a s sa n dt h es p e c i m e no fw i n d o w w eh a v et h et e s to fh o l l o w g l a s sf a t i g u el i f e ，t h et e s to f u l t r a v i o l e tr a d i a t i o nt h r o n gh o l l o wg l a s sa n d t h et e s to fw i n d o wkv a l u ei no r d e rt o t e s t i f y o u r p r o p o s a l s e f f i c i e n c y t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e ：t h et i b e tw i n d o wc a ns o l v et h el o w p r e s s u r eq u e s t i o nw e l l ，i t sc a p a c i t yo fu l t r a v i o l e ti n s u l a t i o na n dh e a t i n s u l a t i o ni sv e r yg o o d i t skv a l u ei s2 8 5 ( i t s3 4 3 8f o r2 5t y p e i i 硕士学位论文 a b s t r a c t n o r m a lt r a i n ) w ea c h i e v e do u ra i mt od e v e l o pt i b e tw i n d o w k e yw o r d s ：q i n g h a i t i b e tr a i l w a y , t r a i nw i d o w , l o wp r e s s u r e ， u l t r a v i o l e tr a d i a t i o n ，h e a ti n s u l a t i o n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学 或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究 所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部 分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家 或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：必名：竭隰丝趔月刍 硕士学位论文第一章绪论 1 1 项目来源 第一章绪论 随着国家西部大开发的实施，西藏地区以公路为主体的格尔木至拉萨段主 通道已不能满足经济发展的需要，铁路运输通道建设势在必行。加强我国西部 地区铁路建设是国家实施西部大开发战略的重要组成部分，建设进藏铁路具有 深远的战略、经济和政治意义。青藏铁路是我国铁路网的重要组成部分，由青海 省会西宁至西藏自治区首府拉萨，全长1 9 6 3 k m 。一期工程，由青海省省会西宁 市至青海西部重镇格尔木( 简称西格段) ，长约8 4 5 k r a ，已于1 9 8 4 年建成通车。 二期工程，由格尔木至西藏自治区首府拉萨( 简称格拉段) 长约1 1 1 8 k m ，于2 0 0 6 年建成通车。 青藏铁路( 格拉段) 位于青藏高原腹地，是世界上海拔最高、高海拔段最 长的高原铁路，其沿线地区自然环境恶劣，具有低压缺氧、气温低且日较差大、 太阳辐射强度大、风沙大、空气干燥等气候特点。由于青藏高原地区海拔高、 气压低、空气含氧量低、紫外线、气温严寒等特点，给客车的设计提出了许多 新的课题，比如制氧、低压、电气绝缘等问题。对于客车车窗来说，普通的2 5 g 、 2 5 k 、2 5 t 车窗显然不能适应高原的环境，它必须解决低气压、紫外线、隔热等 问题。到目前为止，世界上尚无在海拔4 0 0 0 米以上运营的客车，如何解决上述 问题，对我们来说是一个全新的课题。 1 2 青藏线环境 1 2 1 简况 青藏线格拉段位于青藏高原腹地，跨越青海、西藏两省区，地处北纬2 9 。 3 07 3 6 。2 57 、东经9 0 。3 07 9 4 。5 57 之间，线路北起青海省西部重镇格 尔木市，基本沿青藏公路南行，途经纳赤台、五道梁、沱沱河、雁石坪，翻越 唐古拉山进入西藏自治区境内后，经安多、那曲、当雄至西藏自治区首府拉萨 市，全长约1 1 4 2 k m ，其中新线建筑长度约1 1 0 8 k m ，位于多年冻土区线路长约 5 4 7 l ( i i l ，占全长的4 8 ，海拔高程4 0 0 0 m 以上线路长约9 6 0 k m ，占全长的8 4 。 最高点为唐古拉站，海拔5 0 7 2 m 。 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 气象条件 线路通过地区深居大陆内部，具有独特的冰缘干寒气候特征。区内寒冷干 旱，气候多变，四季不明，空气稀薄，气压低，一年内冻结期长达7 8 个月( 每 年9 月至次年4 、5 月间) 。年平均降水量2 印4 3 0 哪，年平均蒸发量1 3 3 0 1 7 6 0 m m ；年平均大风日数1 0 1 7 8 天，风向以西北、西风为主，大风( 8 级) 多集中在1 0 月至次年4 月间；沿线全段年平均气温一7 8 5 2 c ，7 月份气温 最高，平均5 6 1 7 8 c ，1 月份( 有时1 2 月次年2 月份) 最低，平均一1 8 1 6 7 ，极端最低气温- - 4 5 2 c ；平均雷暴日数6 8 8 2 天；大气透明度良好， 云量少，太阳直射量大，日照时数较大，一般为2 6 0 0 3 0 0 0 h a 。格拉段气象 资料见表卜1 。 表1 一i 格拉段气象资料汇总表 气象台站格尔木五道梁沱沱河安多 那曲当雄拉萨 海拔高度 2 8 0 7 64 6 1 2 24 5 3 3 14 8 0 0 04 5 0 7 0 4 2 0 1 13 6 4 8 7 平均气压 7 2 4 9 5 7 8 9 5 8 5 05 7 4 05 8 7 46 0 4 46 5 2 2 年平均气 6 75 2- 4 0- 2 91 31 67 8 温( ) 极端最高 3 5 5 2 3 2 2 4 72 3 32 4 22 6 52 9 6 气温( 口c ) 极端最低 一3 3 73 7 74 5 23 6 74 1 2 3 5 9一1 6 5 气温( o c ) 相对平均 3 25 75 3 5 15 45 44 1 湿度( ) 平均雷暴 3 33 6 74 7 87 4 88 0 6 7 5 5 6 8 日数 含氧量 2 1 5 6 1 7 6 1 7 6 1 7 01 7 61 8 02 0 3 紫外线强 海拔每升高1 0 0 嘶紫外绣鲤宅增强1 蹦 度 海拔高度：青藏线格拉段的海拔高程为2 8 2 8 5 0 7 2 m ，大于4 0 0 0 m 的占8 4 。 气压：年平均气压为5 8 0 m b ，最低气压为5 4 4 m b ( 即唐古拉山垭口处) 。 环境温度：青藏线格拉段的极限气温为一4 5 2 + 3 5 5 c 。 特殊气象条件：风沙、风暴、大雪、雷电、冰雹以及风吹雪等条件。最大风速 2 硕士学位论文 第一章绪论 达2 0 2 8 m s 。 该地区的主要气候特点如下： ( 1 ) 低气压、缺氧 青藏铁路全线海拔高于4 0 0 0 m 地段长达9 6 5 k m ，大气压力及大气含氧量大大 低于平原地区( 见表卜2 ) ，藏北高原的平均气压相当于平原的6 0 左右；在沿 线最高海拔5 0 7 2 m 的唐吉拉山口，大气压力及含氧量分别为5 4 4 k p a 和1 6 5 9 m 3 ，仅相当于平原的5 4 左右。 表1 2 高度，气压，空气密度与含氧量对照 海拔高度m气压k p a空气密度g m 3含氧量g m 3 o1 0 1 31 2 9 22 6 0 3 0 0 07 0 78 9 22 0 6 4 0 0 06 2 48 0 21 8 6 5 0 0 05 4 97 1 91 6 6 6 0 0 04 8 16 4 41 4 9 ( 2 ) 太阳辐射强度大、日照时间长 青藏高原海拔高，空气稀薄洁净，尘埃和含水量少，透明度好，因此太阳 辐射强度大，年辐射大部分在7 0 m j m 2 以上，而纬度相近的成都和上海分别相 当于拉萨的1 2 和2 3 。日照时间也比我国同纬度的其它地区长，例如拉萨全 年日照数达2 8 9 2 3 0 1 5 h ，而成都为1 1 8 7 h ，上海为1 9 3 3 h 。该地区属于紫外线 高辐射区。 ( 3 ) 平均气温低，昼夜温差大，年温差小。 青藏高原年均气温o 以下，极端高温为2 5 2 6 ，极端低温为一3 6 一 4 5 ，海拔4 5 0 0 m 以上区域其夏季最高气温也可能低于o 。天中的最大温 差接近2 0 c 。以最高温度七月份和最低温度一月份温差对比见表1 - 3 。 表1 - 3 青藏铁路沿线气温 1 月份7 月份1 月份7 月份年温 地点海拔高年均温平均温平均温日温差 日温差差 度m度度度 西大滩 4 4 6 06 o- 1 7 。35 01 6 31 4 62 2 3 沱沱河 4 5 3 34 31 6 67 51 7 91 2 62 4 1 五道梁 4 6 1 25 6一1 6 95 41 5 21 1 92 2 3 温泉 4 8 8 94 11 4 57 01 3 61 2 22 1 5 那曲 4 5 0 71 9- 1 3 98 92 2 8 拉萨 3 6 4 97 5_ 2 21 5 11 7 3 3 硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 相对湿度小、风速大 青藏铁路沿线1 月份的相对湿度基本在5 0 以下。平均风速在4 m s 以上， 空气较干燥。而7 月份相对湿度则大于6 0 ，空气较湿润，可以满足人体舒适 性要求，但平均风速也基本上在3m s 以上。如表卜4 所示。 表i - 4 青藏铁路沿线相对湿度及风速 1 月份平7 月份平全年平均1 月份平7 月份平全年平 地点均相对湿 均相对湿相对湿度 均风速均风速均风速 度度 m sm sm s 西大滩 3 6 6 3 4 64 42 63 4 沱沱河 4 6 6 2 5 3 4 73 8 4 4 五道梁 5 l7 05 76 o4 04 8 温泉 4 1 6 6 4 9 3 83 4 3 5 1 2 3 青藏铁路沿线地区地理环境 规划中的青藏铁路，自青海省格尔木市南山口起，途经纳赤台、西大滩， 翻越昆仑山，跨楚玛尔河、过五道梁，越可可西里山、风火山，经二道沟、跨 沱沱河，经雁石坪、温泉，翻越唐古拉山至安多，经错那，沿那曲而下向南至 桑雄、九子纳垭口，经当雄、宁中，沿藏布曲，穿羊八井峡谷，经德庆至拉萨。 青藏铁路沿线地形在整体上呈现中间高两端低、线路长、平均海拔高、个 别地段坡度大的地形分布特点( 如图i - i 所示) 。其中全线海拔最高处的唐古拉 山口海拔高度为5 0 7 2 m ；格尔木至望昆段全长仅1 4 6 6 k m ，海拔高差近1 7 0 0 i n ， 羊八井至拉萨段海拔亦从4 2 6 0 m 陡降至3 6 8 0 m 。 舶e 赤仑 自m 口 1 3 国内外概况 图i - i 青藏铁路沿线地形 j拉 t萨 1 3 1 关于低压问题 青藏铁路海拔最高处的唐古拉山口海拔高度为5 0 7 2 m ，最低气压为0 5 4 4 4 k 安争 离距的书a 曩尔i 坪格距萨拉 = t 内遗照 硕士学位论文 第一章绪论 个大气压。目前，在世界范围内在海拔高度为4 0 0 0 米以上运营的客车还没有， 没有可以借鉴的资料及结构。如何解决青藏客车车窗面临的低压问题，对我们 来说，是一个全新的课题。 1 3 2 关于强紫外线问题 经过查闭大量的资科，发现国内外客车没有一个明确的关于车窗中空玻璃 紫外线透过率的标准。所以，必须对紫外线的相关性能进行分析，首先制定一 个合理的标准，然后再考虑防范措施。 1 3 3 关于车窗隔热问题 ( 1 ) 国内 目前国内铁路客室车窗按铁道部统型窗分类有2 5 g 、2 5 b 、2 5 k 、2 5 t 四种类 型，其他还有2 7 0 k m h 高速车窗等。从隔热性能看，2 5 b 最差，2 5 g 次之，2 5 k 和2 5 t 较好，其k 值基本在3 3 3 8 之间。2 5 g 车窗的k 值约3 6 5 ，2 5 k 车窗 的k 值约为3 3 6 ，2 5 t 车窗的k 值约为3 4 0 。 2 5 g 型车窗结构因密封性能较差，隔热性能一般，且其盒簧均衡机构易出 故障，维护、检修、更换都非常麻烦，故该窗型目前正处于淘汰阶段。2 5 g 型 车窗虽存在上述些不足，但2 5 g 型窗中的k c 3 型窗的型材结构仍有可借鉴之 处。k c 3 型材设计的初衷就是为解决北方地区冬季车辆运行时窗框上结冰的问 题，其内外型材之间增加了一层p v c 工程塑料，然后用自攻螺钉将其连接在一 起，减少了热传递，虽然热桥并未完全隔断，隔热效果也并不十分理想，但可 以说k c 3 型材是我国最早的隔热型材的雏形。 2 5 8 型车窗为下窗上开式结构，无固定窗，对隔热性能要求不高。2 5 b 型车 窗降温作用较好，适用于非空调客车，目前2 5 b 型车窗在管内线路及非主要干 线上仍在大量使用。 2 5 k 、2 5 t 型活动车窗采用上窗内翻式，取消了2 5 g 、2 5 b 的均衡机构，增 强了密封性能，隔热性能有所提高，目前己普遍应用于空调客车。 国内统型的2 5 型车窗，除原k c 3 采取了些隔热措施外，2 5 g 、2 5 b 、2 5 k 、 2 5 t 型车窗均未采取任何隔热措施。二十世纪九十年代中期，铁道部专运处曾 有一批t s k l 2 3 公务车窗也设计了类似k c 3 结构的型材，对隔热起到了一定作用。 ( 2 ) 国外 国外普通低速客车其活动车窗基本上采用上窗内翻式结构，除少数较高档 的车窗采取了部分隔热措施外，大多均未采取任何隔热措施。即使是采取隔热 措施的车窗也并未完全隔断热桥。如德国公务车窗其外框用特制的胶条将内外 两部分连接起来，达到了隔热的效果，而活动窗扇和横梁均未采取任何措施， 5 硕士学位论文 第一章绪论 虽然玻璃也采用了夹层中空玻璃，但单层玻璃厚度仅为3 咖，且中空层只有6 岫，因此该窗k 值虽有下降，但仍在3 w m 2 k 以上，而且仍然没有解决结霜、 结露问题。 国外以日本及欧洲铁路技术为代表的高速铁路技术目前已趋于成熟。由于 车辆运行速度已达到3 0 0 k m h 以上，故车窗主要以固定窗为主，只有极少量的 活动窗。高速车车窗没有窗外框，直接将玻璃用高强度胶粘剂粘于钢结构上。 窗内框在内侧粘于窗玻璃上，窗内框通过压板压紧固定于窗四周的钢立柱上。 高速车窗的玻璃一般为玻璃+ 聚碳工程塑料+ 玻璃复合结构或聚碳工程塑料+ 高 强度玻璃复合结构。由于其取消了窗外框，所以就不存在铝框造成的热损失， 而且由于最外层为一层i 咖厚的聚碳酸脂板，因此，此类车窗具有良好的隔热 性能。 i 4 本文的研究目的、研究内容和研究方法 1 4 1 研究目的 举世瞩目的青藏铁路将于2 0 0 6 年7 月1 日正式开通，届时，将开通北京一 拉萨、西宁一拉萨、成都一拉萨、上海一拉萨的列车。列车上的所有部件包括车窗 都将受到高原强烈紫外线、0 5 4 1 个大气压的交变压力、低温的作用。青藏 客车项目属国家重点项目，青藏铁路的开通具有重大的政治意义，铁道部对此 高度重视。为确保青藏客车顺利交付和上线安全可靠运行，必须尽快研制适应 交变压力作用、防紫外线、耐低温的新型高原客车车窗。 基于上述事实，本文的研究目的是：研究交变的大气压力对中空玻璃的影 响，确定适应交变压力的中空玻璃结构；研究安全的紫外线防护标准，制定车 窗防紫外线的措施：研究提高车窗隔热性能的措施，提高车窗的隔热性能；最 终研制出适应青藏高原地区环境的新型车窗并装车试验、改进，以保证2 0 0 6 年7 月1 日青藏铁路的顺利开通。 1 4 2 研究内容和研究方法 本文的研究内容如下： 低压状态下中空玻璃的变形和应力分布，中空玻璃内外压差与中空玻璃厚 度的关系，指导中空玻璃的设计； 交变大气压力对中空玻璃的影响，确定适应交变压力的中空玻璃结构； 制定安全的紫外线防护标准，提出车窗防紫外线的措施： 提高车窗隔热性能措旋研究，开发隔断热桥铝窗框； 6 硕士学位论文第一章绪论 本文采用试验和数值计算相结合的方法，针对普通车窗应用在青藏铁路所 存在的问题，研究解决问题的措施，最终研制出适应青藏高原地区环境的新型 车窗。 1 5 本文主要章节 本文主要分五章进行讨论，具体如下： 第一章绪论 简要介绍了项目来源，青藏线环境条件概况，以及本文的研究目的、研究 内容和研究方法。 第二章中空玻璃结构型式研究 介绍了普通中空玻璃的机构形式，对普通中空玻璃进行理论计算以及低压 舱、青藏线实地试验，分析低压对中空玻璃的影响，研究应对低气压、强 紫外线的措施，确定中空玻璃的结构型式。 第三章整窗隔热性能研究 分析普通车窗的隔热性能现状及改进措旌，确定整窗的结构型式。 第四章车窗设计制作及试验验证 根据上述研究结论，进行高原车窗工程图纸设计并制作样窗。对车窗的疲 劳寿命试验、防紫外线、隔热性能迸行试验，并对试验数据进行分析。 第五章结束语 得出本文的结论，指出其中的不足，对今后进一步开展的工作提出建议。 7 硕士学位论文第二章中空玻璃结构型式研究 第二章中空玻璃结构型式研究 2 1 普通中空玻璃结构简介 两片平板玻璃用间隔框架隔开，中间形成空腔，四周用密封性好的胶黏剂将 玻璃与间隔框密封，空腔内充入干燥空气，间隔框内填入一定量的分子筛作为干 燥剂，就构成了双层中空玻璃“1 。双层中空玻璃的结构见下图2 - 1 。 岁 图 图2 - 1 双层中空玻璃结构示意图 由三片或三片以上的平板玻璃构成的具有两个或两个以上空腔的中空玻璃 为多层中空玻璃。中间的空腔充满气体，压力与中空玻璃制造地的大气压相等( 一 般为1 个大气压) 。所充气体一般为普通空气，为了提高中空玻璃的隔热、隔音 性能，也可以充入惰性气体，如氮气、氩气、氪气和氙气等。由于空腔内的气体 或多或少含水蒸气，所以必须在间隔框内加入干燥剂( 分子筛) ，以吸收隔层内 的水蒸气，防止隔层内结露蚴。 间隔框的四周与内外层玻璃相接触的表面涂丁基橡胶，进行压合( 俗成合 片) ，然后在间隔框的周圈与内外层玻璃的缝隙处涂密封胶( 一般为聚硫橡胶) 进行密封”1 。成品后的中空玻璃其空腔内的气体与外界的气体是完全隔绝的，一 旦中空玻璃的周圈密封失效，空腔内的气体与外界产生交换，中空玻璃也就宣布 失效。 中空玻璃与单片平板玻璃相比具有如下优点脚： 隔热性能好 6 m m 厚单片平板玻璃其传热系数为6 6 9 w m z k 咧，双层中空玻璃( 3 + a 6 + 3 ) 的传热系数为3 5 9w m 2 k ，可见中空玻璃的传热系数比普通平板玻璃的传 热系数低得多。 防结露性能 8 硕士学位论文 第二章中空玻璃结构型式研究 、中空玻璃比普通单层玻璃的热阻大得多，所以可大大降低结露的温度，而且 中空玻璃密封，空腔的水分被于燥剂吸收，也不会在蹋层出现露水。例如， 采用5 m m 厚单层玻璃，当室外风速为5 m s ，温度为8 c ，室内温度为2 0 ， 相对湿度为6 0 时，玻璃朝向室内的侧就开始结露；而同样条件下，1 6 咖 ( 5 + a 6 + 5 ) 双层中空玻璃在室外温度降至一2 时才开始结露。 隔音性能 中空玻璃的隔音性能与玻璃的厚度和空气隔层有关，一般情况下可以降低 3 0 4 0 d b ，隔音效果比单片玻璃有明显的改善。 普通铁路客车车窗所用的中空玻璃结构与图2 - i 相同，但所用的内外层玻璃 必须是安全玻璃( 一般是钢化玻璃，也有夹层玻璃、防弹玻璃) 。 2 2 低压对中空玻璃的影响 z z 1 空气层体积变化 我们把中空玻璃内腔中的封闭气体看作理想气体，计算中空玻璃从海平面到 青藏线最高海拔唐古拉山5 0 7 2 m 的体积随气压的变化情况。 根据理想气体状态方程p v t = r ，其中r 为气体常数，可知： 只巧正= 最巧疋 ( 2 1 ) 其中： 只中空玻璃制造地大气压强，取1 0 1 3 x 1 0 5 ( p a ) ； k 中空玻璃内腔体积，v l = 9 x 1 1 9 2 x 9 4 2 = 1 0 1 ( l ) ； z 中空玻璃制造地温度，取2 3 ； 只青藏线最低气压，取唐古拉山垭口处压力0 5 4 4 x 1 0 5 ( p a ) ； k 膨胀后的气体体积； 只青藏线最低气压处的最高温度，取安多( 海拔4 8 0 0 m ) 2 3 3 c ； 由( 2 1 ) 式可以得出： k ：型互：! ：! ! ! ! ! 旦：兰! ! ：! 丝! 盐霉2 ：1 8 8 ( l ) 瓦只( 2 7 3 + 2 3 ) x o 5 4 4 x 1 0 体积变化： y - v 2 一v l = 8 7 ( l ) 体积变化率：v v 1 = 8 7 1 0 1 = 8 6 由上述结果可以看出，中空玻璃内部的封闭气体，如果在自由状态下，在青 藏线上海拔最离处体积将膨胀接近1 倍。由于气体是封闭的，其膨胀必然受到内 外层钢化玻璃的阻碍，钢化玻璃将膨胀变形，直至达到压力平衡。如果不考虑中 9 硕士学位论文第二章中空玻璃结构型式研究 空玻璃变形，1 2 1 2 m i n x 9 6 2 m m 中空玻璃的内外层钢化玻璃受到的气体压力p ： ( 1 0 1 3 0 5 4 4 ) 1 0 5 1 1 9 2 x 9 4 2 x 1 0 。6 = 5 2 6 6 2 n 。相当于在1 1 平方米的玻璃 上承受了5 3 吨的压力。由于青藏客车是在北京、上海、成都等地与拉萨之间往 返运行，中空玻璃将受到交变压力作用：1 个大气压一0 5 4 个大气压一1 个大气 压- - 0 5 4 个大气压，中空玻璃也相应发生复原一膨胀一复原一膨胀的 交替变形。 交变气压的作用，将对中空玻璃造成如下三方面影响： 反复的膨胀变形，将对中空玻璃四周的密封造成破坏，导致中空玻璃失效； 反复的膨胀变形，将大大增加钢化玻璃自爆的可能性； 中空玻璃的膨胀变形，有可能降低钢化玻璃的强度，达不到设计要求， 2 2 2 中空玻璃低压试验 为了从直观上了解低压对中空玻璃的影响，将中空玻璃放在低压舱进行降压 试验，并跟随两辆青藏试验车到青藏线进行了高原实地实验。 ( 1 ) 低压舱简介 为了模拟高原状态的低气压，研究中空玻璃及其他高原设备在低压下的性 能，建立了低压舱。低压舱由舱门、舱体、抽气系统、观察窗及相关设备组成。 舱体由钢板焊接而成，舱壁和舱门上设有观察窗，供观察舱内情况之用。在舱壁 的适当位置上安装有压力仪表和气密接嘴。低压舱的抽气系统包括有足够量的真 空泵和有关管路及阀门。低压舱外形尺寸为：长( 6 m ) x 宽( 2 5 m ) x 高( 2 m ) 。 低压舱的各项性能指标为： 最低工作负压值：0 0 4 m p a s 最大抽气时间：2 0 r a i n 。 试验设各见图2 2 。 图2 - 2 低压舱试验 1 0 硕士学位论文第二章中空玻璃结构型式研究 ( 2 ) 低压舱试验 实验对象：利用现有2 5 t 普通车窗( 1 0 6 4 ) 玻璃，组合为外层8 m 钢化+ 6 中空层 + 5 m 钢化。 实验设备：低压舱、百分表。 实验过程：将百分表预先固定在待测中空玻璃上，然后放进低压舱的实验台架上。 关闭低压舱。启动抽气泵开始抽气，观察低压舱上的压力表，每隔5k p a 记录玻 璃的变形量。 中空玻璃在低压舱的试验结果见下表2 一l ，本表所测的数据为5 m 钢化玻璃 在受到压力后发生的最大变形量。 表2 - 1 中空玻璃低压舱试验变形表 减压舱与外 界气压差值 51 01 52 02 53 03 54 04 55 0 k p a 普通中空玻 璃的最大变 0 3 2o 7 41 1 4 1 6 0 2 0 2 2 5 73 0 43 8 2 4 4 25 1 0 形值咖 ( 3 ) 高原试验 实验对象： 利用现有2 5 t 普通车窗( 1 0 6 4 ) 玻璃，组合为外层8 m m 钢化+ 6 中空层+ 5 m m 钢化。 实验结果： 在格尔木地区( 海拔2 8 0 0 m ，气压约0 0 7 m p a ) ，玻璃的最大变形为： 外侧1 1 m m ；内侧3 4 m m 。 在玉珠峰( 海拔4 6 8 0 m 高度，气压约0 0 5 8 m p a ) ，内侧玻璃的最大变形为7 m m 。 实验设备为百分表和尺杆，见下图2 - 3 。 图2 - 3 高原环境下钢化玻璃变形测量 l l 硕士学位论文第二章中空玻璃结构型式研究 ( 4 ) 中空玻璃高原冲击试验 为了验证低压对中空玻璃强度的影响，在高原地区对两块2 5 1 的中空玻璃进 行了对比冲击试验。试验情况如下： 试验对象： 两块普通2 5 t 中空玻璃，一块大小为1 0 6 4 窗玻璃，中空层为1 个大气压， 另一块为1 2 6 4 窗玻璃，中空层大气压为当地大气压( 破坏了中空层的密封) ； 试验地点： 玉珠峰，海拔4 6 8 0 m ，气压约为0 6 个大气压： 试验过程： 将玻璃放在跨度约8 0 0 m m 的沟渠上，采用6 0 0 9 的钢球，先从4 m 高度起作自 由落体运动，每次高度抬高2 0 c m ，苴至玻璃破碎。参见图2 4 ，2 5 、2 6 、2 _ 7 。 图2 - 4 圉2 - 5 试验结果见下表： 图2 - 5 图2 - 7 表2 - 2 中空玻璃低压冲击强度试验结果 玻璃规格6 0 0 9 钢球6 0 0 9 钢球 1 0 6 4 窗玻璃4 m 高度落下不破碎5 4 m 高度落下破碎l 1 2 6 4 窗玻璃4 m 高度落下不破碎6 8 m 高度落下破碎j 1 2 硕士学位论文第二章中空玻璃结构型式研究 由上表可以看出，由于1 0 6 4 m m 的窗玻璃存在内外压力差，内外层钢化玻璃 存在一定的预应力，所以其冲击强度远小于1 2 6 4 m m 的窗玻璃。 根据以上理论计算及试验结果，对于应用在青藏线的车窗，中空玻璃必须采 取相关措施，减少或消除玻璃中空层内外压力差，防止由于低压导致中空玻璃提 前失效或强度降低。 2 3 低压状态下对中空玻璃的有限元强度分析 2 3 1 静强度分析理论”1 却1 嘲 中空玻璃的低压舱实验、高原实验及高原冲击强度实验，只能定性的分析中 空玻璃的强度，无法准确的获得玻璃在低压状态下的应力情况，因此不能判断低 压状态下中空玻璃的强度是否满足安全的要求。有必要通过数值计算对中空玻璃 在低压下的变形及应力分布进行相关计算，以指导低压情况下中空玻璃的设计。 在实际问题中，由于物体几何形状的不规则或介质的不均匀性等原因，要得 到问题的解析解，除一些简单问题外，往往是十分困难的，甚至是不可能的。因 此各种数值方法和近似方法是处理该类问题的重要手段，如有限差分法、里兹法 以及有限单元法。 弹性力学有限单元法的基本思想是将实际上连续的弹性体进行离散化处理， 即用一些假想的面或线将物体所占据的空间区域分割成一系列的子区域，每个子 区域就叫做单元。各单元彼此之间仅在有限的指定点( 称为节点) 处相互联结。 我们在每个子区域上选取一些简单函数的组合作为位移模型，对于三维弹性体， 选取以下的多项式作为位移模型1 。 以五儿z ) = q + a 2 x + a 3 y + a 4 z + a s z x + + 日i z ”i v k 弘z ) = + l + + 2 x + + + + 4 z + a + 5 荔+ + 吒。， ( 2 2 ) m b 乃z ) = a 2 m + 1 + a 2 _ + 2 x + 吒m + 3 y + c h m + 4 z + 啦。+ 5 2 x + + 码m ，i 此处u ，v , w 是单元内部任意一点的位移分量，令缸 表示位移矢量，则 1 = p ，v ，w 】 ( 2 3 ) 将式( 2 2 ) 写成矩阵的形式，则有 p ，* m = 疙) r o r o 7 o 7 欢 7 o 7 o 7 晚 7 1 3 ( 2 4 ) 硕士学位论文 第二章中空玻璃结构型式研究 冥中 咿l x _ ，z a r l( 2 5 ) 矿 7 = 【q 啦码码。1j 式( 2 2 ) 中的多项式可以在任一需要的阶次处截断，以得到各种阶次的位移模 式。上述这种位移模型是以 矿) 的元素作为广义坐标的，称为广义坐标位移模型。 通过位移模型可以把节点位移同广义坐标联系起来。实际上，只要把节点的坐标 值代入位移模型表达式，就能算出节点位移，即 p =豺 阮 【矿】： ! 眵k = p 此处m 为所考虑单元的节点总数。 量 矿 来表示广义坐标矢量 矿 ， 矿 = 【爿】- 1 p ( 2 6 ) 由上式( 2 6 ) 我们可以反过来用节点位移矢 即 ( 2 7 ) 将上式( 2 7 ) 代入( 2 4 ) 可得 沙 = 彳】- l 扩) - - i n 8 p ( 2 8 ) 上式( 2 8 ) 是用节点位移矢量缶 来表达单元内部任意一点的位移矢量函 。此 处 】称为形函数矩阵，它的元素是所求位移处的点的坐标的函数。将式( 2 8 ) 代入以下几何方程 斟= o u 防 加 加 挑 韶 o u 加 一j - 一 勿叙 a v 却 一j - 一 勿勿 新o u l o x 瑟 ( 2 9 ) 通过对形函数矩阵的求导运算，可以得到单元内部任一点处应变矢量 矿 和节点 位移矢量 矿 之间的关系。 1 4 毛q乞比 硕士学位论文 第二章中空玻璃结构型式研究 = p ( 2 1 0 ) 其中 伊 为单元应交矩阵。再利用虎克定律可以写出单元内部任意一点处的应 力矢量 矿 与节点位移矢量 ) 之间的关系 o , e = 其中 d f 为材料的弹性矩阵。 2 丽e ( 2 1 i ) 1 一a 000 i - as 000 l 一a 0 00 丝丝oo 2 丝丝o 2 1 2 t 2 ( 2 1 2 ) 假定单元的所有结点都产生一单位虚位移，表示为：p + r ：k ，“，j 7 。由 应变矩阵得到结点位移与应变之间的关系，则对应于结点虚位移产生的虚应变 有： 譬宁：b e 】p p ，且醅r 1 7 ：呤e 】 1 7 ：盼+ r 】7 k e l 7 ( 2 1 3 ) 作用在弹性体上的外力在虚位移上所作的功为：黔r 1 7 p r 式中：p r = k 8 彳r ，为单元结点等效载荷列矩阵，它童将单元的体力 和面力按照我们规定的位移模式的要求移植到节点上来。单元内的应力在虚应变 k + r 】7 p a e d x = l 眙+ 翻7 眵1 7 d 。】陋8 】r 二8 出( 。) ：b r fj 囟e 1 7 d e 】陋e 】p t 4 e 凼“” 盼+ r 】7 i 陋e 】7 【d e 】囟。】p r 一e 出：眙y 】7 妒) c ( 2 1 5 ) 硕士学位论文第二章中空玻璃结构型式研究 由于虚位移是任意的，要使等式成立，等式两边与陋y f 相乘的矩阵必须 相等，即： f 陋。j 7 d 8 】陋1 p 。彳。出= k r p 。= f p r ( 2 1 6 ) 上式表征了单元结点等效载荷与结点单位位移之间的关系。如果弹性体在 外载荷作用下处于平衡状态，则弹性体中每一个单元应满足上述等式。从而得到： k r = c 【8 叶7 【d 。】陋。】a 8 出 ( 2 1 7 ) 式( 2 1 7 ) 称为单元刚度矩阵，组成矩阵的元素为单位位移分量产生的结 点力分量，为单元在各结点处对应于不同载荷的刚度系数，其物理意义是单元上 某一节点位移为单位值时，在该节点位移方向或其他节点位移方向上所引起的 力。如表示单元的第j 个节点位移取单位值时，而其他节点位移为零时，在第 i 个节点位移方向上所引起的力。对于线弹性物体刚度矩阵是对称矩阵。所有各 种类型单元的单元剐度矩阵均为扫。r f d 8 】陋2 】三个矩阵的乘积在整个单元求 解域积分的结果，但不同单元，矩阵的内涵不同。 由各个单元的方程建立总体方程的过程称为整体集合。整体集合的物理基 础是考虑节点的力学平衡，即根据每个节点位移方向上的弹性力和外力载荷的代 数和等于零的条件，在每个节点位移方向上，把与该节点位移方向有关的刚度和 载荷进行代数相加。 结构计算不能对组成结构的每个单元单独计算，必须对整体结构进行。通 过总体分柝将用于离散结构的各个单元在相同结点处进行组合，组集结构整体刚 度矩阵；应用变形协调条件( 或称位移连续条件) 和结点力的平衡条件建立结构 整体剐度方程组。 设单元总数为e 而节点自由度总数为n 。整体集合的做法是先将每个单元 刚度矩阵、单元节点等效载荷列阵和单元节点位移列阵转换到整体坐标系，然后 在相同结点处，按相同自由度“对号入座”方法，对相关单元刚度矩阵的元素和 单元结点等效载荷