（机械制造及其自动化专业论文）真空平板玻璃动力学研究.pdf

于两要 真空平板玻璃是新型玻璃深加工产品。作为新型透光保温材料，它以其优良的抗老化 性能、保温性能、可见光透过和红外光反射性能而独占鳌头。对真空平板玻璃展开系统的 研究，是使其在未来的节能降耗领域发挥巨大作用的关键。但另一方面由于真空平板玻璃 制造技术的难度高，目前国内外对其开展的理论研究还处于起步阶段。 本文对真空平板玻璃展开了较为系统的动力学研究，模拟真空平板玻璃在通常使用中 四边柔性夹支的工况，进行了静载荷下的响应、动载荷下的响应及模态研究。首先把真空 平板玻璃看作一个连续单层薄板模型，运用弹性力学和板壳理论分析和计算了真空平板玻 璃在静态载荷下的挠度变形和应力分布，运用弹性动力学方法分析和计算了真空平板玻璃 的模态和它在动态载荷下的响应特性；再者，运用a n s y s 有限元分析软件建立真空平板 玻璃的简化模型，分析并得出真空平板玻璃在静态载荷下的应力、应变场和其前六阶模态； 最后进行实际工况的静态响应试验、模态试验和动态响应试验，将试验数据和数值计算结 果及a n s y s 有限元分析结果进行对比分析，最终得出理论计算与软件分析及试验结果基 本一致的结论。 本文通过从理论到试验的详实研究得出了真空平板玻璃在静荷载作用下的最大应力 点，得出了真空平板玻璃前六阶准确频率及动载荷下的频响特性。这些研究将为真空平板 玻璃的应用校检及使用寿命预测提供了第一手的数据资料，也为真空平板玻璃结构改进设 计提供了重要的依据。 关键词：真空，平板玻璃，静荷载，应力，模态，动态响应 a b s t r a c t v a c u u mp l a t eg l a s si s8t y p eo fn e wd e e pp r o c e s s i n g p r o d u c to fg l a s s a m o n gn e w d i a p h a n o u st h e r m a li n s u l a t i o nm a t e r i a l s ，d e p e n d i n go ni t se x c e l l e n ta n t i a g i n gp e r f o n n a n c e ， n e a t - i n s u l a t i n gp r o p e r t y , t r a n s p a r e n c ea n di n f r a r e dr e f l e c t i o np e r f o r m a n c e ，v a c u u mp l a t eg l a s s l e a d st h ef i e l d t oc a r r yo u ts y s t e m i cr e s e a r c ho nv a c u u m p l a n tg l a s si st h ek e yf o rg i v i n gp l a y t oi t sg r e a te f f e c ti nt h ef u t u r ee n e r g y - s a v i n ga n dc o n s u m p t i o n 。r e d u c t i o nf i e l d s 0 nt h eo t h e r h a n d ，d u et ot h em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fv a c u u m p l a t eg l a s si sh i g h l yd i f f i c u l t 。a tp r e s 锑t t h e o r e t i c a lr e s e a r c hc a r r i e do u ta th o m ea n da b r o a di ss t i l la tt h ep r i m a r y s t a g e s y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h ed y n a m i c so fv a c u u mp l a t eg l a s si sc o n d u c t e di nt h i sp a p e r v a c u u mp l a t eg l a s su s e di nt h ec l a m p e d e d g e so ff l e x i b l ew o r k i n gc o n d i t i o n si ss i m 堪a l e d 。黻d t h er e s e a r c ho nt h es t a t i ca n dd y n a m i cl o a dr e s p o n s ea n d t h es t u d yo f m o d a l i t ya r ec o n d u c t e d 勰 w e l l f i r s to fa l l ，v a c u u mp l a t eg l a s si s r e g a r d e da sac o n t i n u o u ss i n g l e 1 a y e rs h e e tm o d e l e l a s t i c i t ya n ds h e l lt h e o r ya r ea p p l i e dt oa n a l y z ea n dc a l c u l a t et h ed e f l e c t i o nd e f o 潮a t i o na n d s t r e s sd i s t r i b u t i o no fv a c u u m p l a t eg l a s su n d e rt h es t a t i cl o a d ；i na d d i t i o n ，t h ed y n a m i ce l a s t i c i t y m e t h o di su t i l i z e dt oa n a l y z ea n dc a l c u l a t et h em o d a l i t yo f v a c u u mp l a t eg l a s sa n di t sr e s p o 藏s e u n d e rd y n a m i cl o a d m o r e o v e r , a n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ei su s e dt oe s t a b l i s h a s i m p l i f i e dm o d e lo f t h ev a c u u m p l a t eg l a s s ，w i t hi t ss t r e s s ，s t r a i nf i e l du n d e rt h es t a f t cl o a da n d i t sf o r es i x - o r d e rm o d a la n a l y z e da n d o b t a i n e d f i n a l l y , t h es t a t i cl o a dr e s p o n s et e s t 。m o d 越t e s t a n dd y n a m i cl o a dr e s p o n s ee x p e d m e n tu n d e rt h ea c t u a l o p e r a t i n gm o d ea r ec o n d u c t e d ，t h e e x p e r i m e n t a ld a t aa n dn u m e r i c a lr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so fa n s y sf i n i t ee l e l 瓣e 鑫 a n a l y s i s ，t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa r eb a s i c a l l yi na g r e e m e n tw i t ht h e r e s u l t so fs o f t w a r ea n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t t h r o u g ht h e o r e t i c a lr e s e a r c ht od e t a i l e de x p e r i m e n t , t h em a x i m u ms t r e s s p o i n to fv a c h 嘲 p l a t eg l a s su n d e rs t a t i cl o a d a n dt h ef o r es i x o r d e ra c c u r a t ef r e q u e n c ya n df r e q u e n c yr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c su n d e rd y n a m i cl o a do fv a c u u m p l a t eg l a s sa r eo b t a i n e di nt h i sp a p e r t h e s e s t u d i e sw i l lp r o v i d ef i r s t - h a n dd a t af o rt h ea p p l i c a t i o na n dc h e c ko fv a c u u m p l a t eg l a s s a n dt h e f o r e c a s to fi t ss e r v i c el i f e l i k e w i s e , i tw i l ls e r v ea sa ni m p o r t a n tb a s i sf o r t h ei m p r o v e m e n to f t h es t r u c t u r a ld e s i g no f v a c u u mp l a t eg l a s s + k e yw o r d s ：v a c u u m ，p l a t eg l a s s ，s t a t i cl o a d ，s t r e s s ，m o d a l ，d y n a m i cr e s p o n s e 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的 研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经 发表的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 一签名丑场维 签字日期：u 叶车岛t 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和 借阅。本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作五哆距 导师签 签字日期巾严钿咱签字日期。口7 年月l 己日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 王海耀真空平板玻璃动力学研究 第一章绪论 真空平板玻璃是一种透明、节能型高科技深加工产品，其生产技术涉及真空技术、 材料科学、机械与自动化技术、精密测量技术等科技领域。它可广泛应用于建筑物及车 船门窗、保温箱柜、平板式太阳能集热板等各种需要透明隔热材料的领域【l 】。由于真空平 板玻璃制造技术的高难度，和掌握制造技术的人数甚微，所以目前对其理论方面研究还 处于起步阶段。对它进行深入系统的研究将对其产业化及其推广应用具有重要意义。 1 1 真空平板玻璃简介 1 1 1 真空平板玻璃的发展史 1 8 9 3 年，英国物理学家、化学家占姆士杜瓦发明了保温瓶。人们为了纪念他，把保温 瓶又称作“杜瓦瓶”。从此以后，科学家们就有一个梦想，什么时候能将保温瓶技术应用到 建筑玻璃窗上，要实现从杜瓦瓶到真空平板玻璃的飞跃，三大难题摆在人们面前。 首先，真空平板玻璃是一个小容积、大表面积而狭窄扁平的玻璃腔体，怎样快速抽成 真空以使残余气体降到可以对传热忽略不计的程度，同时真空平板玻璃长期使用过程中保 持其真空腔的真空度；其次，与杜瓦瓶圆柱体本身结构容易抗压不同，真空平板玻璃怎样 使用支撑物来承受1 0 5 p a 的大气压，且支撑物怎样能使真空平板玻璃产品满足工程使用中玻 璃设计标准所要求的强度和力学特性；最后，更难的是，真空平板玻璃是门窗用透明材料， 在抽气口和支撑物的设计和选材上应怎样使之不影响透明和美观【2 】。 真空玻璃是中空玻璃的升级换代产品，运用了保温瓶的原理，在两片平行放置的玻璃 板之间形成空间，对该空间抽真空，使其形成真空层。实际上早在1 9 1 3 年就由z o l l e r 提出真 空平板玻璃的概念【3 1 4 1 ，并发布了世界第一个平板真空玻璃专利5 1 。科学家们相继进行了大 量的探索，但是平板真空不像杜瓦瓶那样由于真空所产生的大气压相互平衡，它必须要承 受每平方1 0 吨的大气压力而不至于使真空腔消失，平板真空保温技术与杜瓦瓶的另一个不 同点就是它不可能只在一侧让两块玻璃密封起来，它必顺在平板的四边大面积地封焊，且 不能漏气，这在生产工艺上要解决这些问题并非易事。 k i r l i n 6 】于1 9 2 1 年提出在两块玻璃板之间放许多支柱制造真空平板隔热玻璃，这种办法 的另一个特点是靠近玻璃板的一个边是波形或弯曲的，以便在窗户受热膨胀时抵消另一边 的移动【7 】【8 】。 w h a t t a n 和m y e r1 9 1 1 9 4 7 在1 9 4 7 年发表的专利全面地描述了真空平板玻璃的制造过程。它 是将熔点比玻璃板熔点低的小圆柱放在两块玻璃的间隙中，在抽真空时进行熔化。这样， 熔接时在真空平板玻璃中形成许多分开的小格，同时也提到可在玻璃内表面镀上一层减少 辐射传热的薄膜7 】【引。 c h a l o n s l l 0 1 在1 9 7 6 年提出真空管的结构，在真空玻璃抽真空后把抽真空的管密封。此外， 他还提出两块玻璃板之间的间隙尽量小，可以用“玻璃球做支撑物【7 】【钔。 l 扬州大学硕士学位论文 f a l b e l l l l l 】9 7 6 年的专利也提出了有真空管保温技术，支承物间相距2 5 m m ，内表面镀银。 他承认有内爆的危险，提出玻璃之间应留有小缝隙。隔层可以用云母制成，高0 7 5m i l l ，面 积为0 5 x 0 5m m 2 。他分析了应力状况，预言隔层内压缩应力为2 0 0 m p a ，3r a i n 厚玻璃板内 压缩应力o 7m p a ，声称传热性能是0 3 w 佃2 k 【7 1i s 。 h e r m a n n 和h o r s t c r 【1 2 j 在1 9 7 7 年描述了一种新的保温结构，由一排密封的真空玻璃管构 成，玻璃管相互靠近，内表面上有低发射率涂层。这种结构的透光性很好，但视觉畸变厉 害。c o p p l a t l 3 1 署 k e n n y 1 4 j 于1 9 8 0 年的专利中提出了类似的想法，发表的专利包括太能能集热 真空玻璃的制造方法，同样也存在着视觉畸变问题【7 】【8 】o a s s a r s s o n 【l 副于1 9 8 1 年在欧洲发表了制造真空玻璃窗的专利。其方法是把预先熔好的支 柱贴在两块玻璃板的内表面上：这样形成小玻璃室结构。玻璃板之间的距离很小( 大约为 0 3 m m ) ，支点也很小，在玻璃板面中占很小的比例，这样失透也很小。但文献中没有说明 真空玻璃如何抽成真空和怎样进行密封处理【7 】【引。 b e u t h e r l l 6 1 在1 9 8 8 年提出放置支柱的特殊方法：把玻璃球或聚氯乙烯球拌水先放在两块 玻璃板的一片上( 玻璃板水平放置) ，水要尽量少。水分被蒸发后球贴在玻璃板上，再把另 一块玻璃板放上，然后封边( 加放涂铅玻璃丝) ，最后加热熔融，再通过抽真空管抽真空【7 】i s 】。 b a c h l i 1 7 】在1 9 8 7 年发表的专利是真空窗玻璃最广泛的研究成果。在这篇专利文献中， b a c h l i 讲述了热膨胀、抽真空和封边等主要问题。他认为必须用弹性封边，这样可吸收热膨 胀差产生的应力【7 】i s 】。 d k b e n s o n 和其他研究者在c o l o r a d o 太阳能研究院( s e ) 所做的研究工作取得了广 泛的成果。1 9 8 7 年美国的一篇专利【l8 】详细介绍了真空玻璃窗。该专利提出用玻璃球做柱， 激光焊接封边，有低辐射膜，装有吸气剂，以便真空度保持多年。b e n s o n 、t r a e y 和j o r g e n s e n 在1 9 8 4 年【l9 j 的研究提出，用玻璃封边，玻璃球做支柱，加上低辐射膜可生产隔热效果好的 窗用真空玻璃。b e n s o n 和t r a c y t 2 0 】在1 9 8 5 年提出用c 0 2 激光器封边的可能性。他们也发现， 在高温熔接过程中只有少量的低辐射膜保留其特性。他们没有使用抽真空管，因为，这样 做产量和成本都是不可能接受的。他们在1 9 8 6 年的报告【2 1 1 中指出，玻璃球和玻璃板接触的 地方存在接触应力，这种应力是由于风负载、热膨胀和通过支撑球的热传导产生的；报告 中同时提出使用隔热性能好的窗框重要性。1 9 8 7 年他们建成了真空炉 2 2 1 ，这种炉子有五个 4 0 0 瓦的c 0 2 激光器和激光光束的转向机构。他们用大量的实践取得了在真空条件下激光封 边和制造隔热性好的窗用真空玻璃的经验。 s e r i 在1 9 9 0 年的报告【2 3 】广泛地研究在美国西北部地区的建筑物上使用窗用真空玻璃的 节能效果，每年每平方米窗可节能约7 0 0 m j 。这一研究成果表明，窗用真空玻璃的成功主要 取决于生产成本。研究结果还表明，设计和生产的每一个部分技术上是可行的。只要进一 步完成在真空中用激光焊接即可。 回顾近几十年真空玻璃研发史，有两个研究集体的成就和影响显著。一个是美国克罗 2 王海耀真空平板玻璃动力学研究 拉多太阳能研究所( s e r j ) 由d k b e n s o n 教授领导的真空玻璃研究所。他们早在1 9 8 5 年至 1 9 9 1 年期间就投入人力物力对真空玻璃进行研发，做了大量理论和实验工作。虽然最终未 能成功，但取得了宝贵的经验，提出的许多理论和思路都值得借鉴。他们的典型专利【2 4 j 提 出，用玻璃珠( 直径0 3 0 5 m m ，间距2 5 3 5 m r n ) 阵列作为支撑物把两块玻璃隔开，放进真 空加热炉中烘烤排气，达到要求的真空度后用二氧化碳激光束在红外探测照相机指引下沿 玻璃边缘加热，使两块玻璃熔合而制成真空玻璃。该设备己达到了很高的水平。 现在看来，该研究组未能制成真空玻璃的主要原因是玻璃边缘在激光束高温加热时产 生气泡，而这些气泡破坏了两片玻璃间隔在真空炉内己达到的高真空度。其次，该研究组 试图用普通玻璃珠阵列做支撑也是不可能成功的。后来的实验证明，在此条件下玻璃珠无 法承受极大的大气压而破碎，当初该研究组由于未制成真空玻璃而不可能深入认识到这一 点。 另一个继s e r i 之后的研究组是悉尼大学应用物理系r e c o l l i n s 教授领导的真空玻璃研 究组。在总结s e r i 经验基础上，他们又回到了传统的电真空器件( 如灯泡、显像管等) 制 作理念上。比如，两块玻璃边沿用低熔点玻璃粉熔封；设置一个抽气管对玻璃间隔内抽真 空；选用金属和陶瓷材料制作支撑物实验证明，上述方案是可行的。尽管真空玻璃腔 体狭窄，但由于腔体体积很小，通过小口径抽气口快速达到要求的真空度是可能的。后来 又用计算机模拟计算，从理论上证明了这一点，这就解决了前面提到的第一个难题的一个 方面( 如何快速获取高真空度) 。在此基础上，该研究组做了大量实验和理论工作，申请了 几个具有代表性的专利口5 】 1 6 】。1 9 9 2 年又发表的文章t r a n s p a r e n te v a c u a t e di n s u l a t i o n1 2 7 ，该 文虽然现在看来深度远远不够，但由于其极具开创性及后来该研究组的贡献，该文于1 9 9 7 年被国际太阳能协会授予“鲁道夫最佳论文奖”。应该指出的是，虽然该研究组在1 9 8 9 年以 后一再声称己研制成功真空玻璃【2 引，但实际上，真正称得上达到实用阶段的第一块l m l m 尺寸的真空玻璃是在1 9 9 3 年初才真正研制出来的【驯，如图1 1 所示。这是在对真空玻璃另一 个难题应力问题，特别是边缘应力有了较深入的认识之后才做到的。 图1 1 悉尼大学真空平板玻璃结构图 3 扬州人学硕士学位论文 1 9 9 4 年底，即在发明真空驶璃的第2 年，月本板硝子玻璃公司最先从澳太利亚引进专利 技术，并于1 9 9 6 年在京都工厂内建真空玻璃生产线，产量6 万平方米。1 9 9 8 年产量提高到2 4 万平米年，同年在日本茨城具建材中心投资2 0 亿r 元，建设2 4 万平方米年的真空玻璃工厂， 使该公司真空玻璃的年产量接近5 0 万甲米，销售额1 0 0 亿日元。到目前为止日本板梢子公司 是国外唯一一家将真空平板玻璃产业化的公司【捌1 3 0 l 3 1 i 。 “二 。 ，1 口 。”- 。 图i - 2 日本板硝于真空玻璃结构幽 同本板硝子玻璃公司的产品为两层单真空腔玻璃，采用的玻璃表面封焊工艺( 面封) 产品结构如图1 - 2 3 2 ，其产品的性能指标如表l i 吲。 嵌1 - 1日本板硝于产品性能 品种透明3透明4透明5不透明3 不透明5 总厚度m m1 0 真空腔厚度m m 02 传热系数w m 2 , k lsl5 隔音性能平均衰减d b ( a 1 3 03 03 03 0 母夫尺寸m m 2 2 4 0 0 1 3 5 01 8 0 0 x 1 2 0 0 最小尺寸m m 。 北京新立基真空玻璃技术有限公司是我国第一家专业致力于真空玻璃开发和应j | j 的高 新技术企业，目前是我国唯一一家具有全套自动化真空玻璃生产线并且能够规模化、产业 化生产真空玻璃的企业。公司于2 0 0 1 年3 月成立，并成立了我国第1 个真空玻璃技术研究所， 在进步改进工艺、设备自动化，提高产品质量和数量的基础上，2 0 0 4 年在北京建成了年 产量5 万平方米的真空玻璃自动化牛产线。2 0 0 5 年新建了第2 条生产线，年产量提高到1 5 万 平方米 3 3 。 扬卅【大学机械工程学院与中国农业大学生物环境与能源工程重点开放试验室，从 王海耀真空平板玻璃动力学研究 2 0 0 1 年开始联合攻关，通过近这些年的努力已解决了真空玻璃制造工艺中的关键技术， 并且首次提出侧边封头工艺，一方面解决了面封口( 抽气口封头) 的美观问题，另一方 面使真空烘烤排气封头工艺提高生产率1 0 多倍【3 4 】【3 5 】。目前产品已完成中试，并已与企业 签署协议，今年将实现产业化，这也是国内继北京新立基公司后第二家实现真空平板玻 璃产业化的单位。 1 1 2 真空平板玻璃的制造工艺简介 目前扬州大学真空试验室所使用的真空平板玻璃的制造工艺是将两片玻璃板( 可以是 浮法玻璃、夹丝玻璃、钢化玻璃、压延玻璃、喷砂玻璃、吸热玻璃、紫外线吸收玻璃、热 反射玻璃等) 洗净，在一片玻璃板上以3 5 - - - 4 0 m m 的间隔放置高度为0 2 0 4 m m ，直径为 0 6 - 0 8 m m 的圆柱状支撑物，并在该玻璃板的四周涂上焊接玻璃( 也可以是低熔点金属、 可挠性金属、有机粘接剂) ，同时要留有侧边抽气口，然后放上另一片玻璃板，再将其放入 真空烤箱中抽气加热。当整个真空烤箱中的压力降低至1 0 。3 - - , 1 0 4 p a 时，再通过加热装置加 热提高真空烤箱内的温度，使封边焊料融化，实现真空平板玻璃内部真空腔的密封，最终 经冷却后便可得到真空平板玻璃【3 4 1 【3 5 】。如图1 3 ，扬州大学实验室真空平板玻璃试样结构图。 焊接封边 抽真空孔 玻璃梗 图l - 3 扬州大学真空玻璃结构图 1 1 3 真空平板玻璃的性能 真空玻璃与中空玻璃相比保温性能更好，热阻更高，因此具有更好的防结露性能和 隔热节能。真空玻璃两片玻璃中间的真空层消除了传导与对流传热，使房间与外界的热 交换降到极限。真空玻璃有如下性能优点： ( 1 ) 保温隔热性能 热量传递通过传导、对流、辐射3 种方式进行。真空玻璃中间的真空层将传导和对 流传递的热量降至很低，以至于可以忽略不计，如镀上低辐射膜玻璃可进一步减少辐射 传热【1 1 。真空玻璃具有优异的保温隔热性能，其性能指标明显优于中空玻璃，一般的单片 玻璃传热系数是6 w m 2 k ，普通中空玻璃是3 4 w m 2 k ，而真空玻璃的传热系数可达到 1 2 w m 2 k 。一片只有8 2 r a m 厚的真空玻璃，隔热性能相当于3 7 0 m m 的实心黏土砖墙。 由于隔热保温性能好，真空玻璃在建筑上的应用将达到节能和环保的双重效果。据统计， 5 扬州大学硕士学位论文 使用真空玻璃后空调节能就达5 0 ，与单层玻璃相比，每年每平方米幕墙、窗户可节约 7 0 0 兆焦耳的能源，相当于一年节约1 9 2 千瓦小时电、1 0 0 0 吨标准煤3 6 】 3 7 】。真空平板玻 璃是目前世界上节能效果最好的玻璃。 ( 2 ) 防雾防露 由于普通单片玻璃遇冷发生结露时，玻璃窗湿淋淋容易弄脏墙壁与地面，损伤窗框， 还为霉菌提供了生存空间，所以它已跟不上建筑市场的发展。中空玻璃虽比单片玻璃有 所进步，但因经常产生雾气或结露，影响采光和视野的清晰又无法擦去而不能满足人们 生活质量日益提高的要求。真空玻璃的出现则很好地解决了这个问题。真空玻璃具有较 好的隔热性能，室内一侧玻璃表面温度不易下降，即使室外温度很低，也不易形成雾结 露。此外，真空玻璃中间是真空层，绝不会发生中空玻璃由于间隔中含有湿气，在降温 时出现的内结露现象【3 。 ( 3 ) 隔声性能 由于真空玻璃特有的构造，对于声音的传播可大幅度降低，在整个音域范围都可实 现良好的隔音。在降低外界噪音传入同时，室内声音也不易外传，总的隔音效果要比中 空玻璃好，容易给人们创造一个温馨恬适的港湾环境【3 7 】。而且由于真空玻璃特有的结构， 它能有效克服中空玻璃在中低频段容易产生共鸣的弱点，发挥其良好的隔声效果。在大 多数频段，特别是中低频段，真空玻璃的隔声性能优于中空玻剥。 ( 4 ) 抗风压性能 由于真空玻璃是将二片玻璃牢固结合成的结合整体，其刚性很好，一般来说它的抗风 压性能是同样玻璃厚度制成的中空玻璃的1 5 倍1 1 3 7 1 。 ( 5 ) 超长的耐久性 真空玻璃是一种新产品，目前国内外尚无相应标准，更无相应的测试方法。真空玻 璃又不同于中空玻璃。因此，不能完全按中空玻璃试验方法进行，而主要参照g b l l 9 4 4 8 9 中空玻璃标准而拟定紫外线照射、气候循环、高温高湿度试验。试验表明即使是在苛刻 的条件下真空玻璃同样具有长期稳定耐久性能【37 1 。 1 2 真空平板玻璃国内外研究现状 r e c o l l i n s 等19 9 2 年在s o l a re n e r g y 杂志上发表题为t r a n s p a r e n te v a c u a t e di n s u l a t i o n 的论 文【2 7 1 ，从理论上和实践上介绍了真空玻璃的原理和制造方法，文中对支柱的导热计算公式 进行了详细介绍，并提出了支撑柱的排列间距及封边料的选择是设计和制造透光保温玻璃 的关键的观点。但论文未能对支撑柱的排列间距及排列形式进行深入研究。 谭志明、金蒲明等用有限元法对玻璃啤酒瓶、玻璃瓶进行了应力分析和测试，利用 分析软件a n s y s 对啤酒瓶和普通玻璃瓶建立了精确的模型，在模拟内加压的情况下对其 进行了静力分析，清晰地反映了它的应力分布。平板真空和玻璃瓶的情况正好相反，它 的外加压平面受力状态，但文章的分析方法值得本文借鉴 3 8 1 3 9 1 。 6 王海耀真空平板玻璃动力学研究 石豪等1 9 9 4 年在新能源杂志上发表题为“透明真空保温技术”论文【7 】，论文对真空 玻璃的传热过程、抽真空、温差应力分析、支柱的应力分析、支撑柱的摆放及真空玻璃 的传热系数测量和加工制作方法作了阐述，描述了支撑柱四周真空玻璃内表面的应力场， 并认为该应力场与经典赫兹球印器系统的应力场的差别不大，文章尚未就真空玻璃整体 的应力分布作研究，且文章仍然认为每个支撑柱的应力一致，整个大气压平分于每一个 支撑柱。 冯德纯、贾玉英1 9 9 9 年在玻璃杂志上发表题为“真空玻璃”论文m 】，文中对真空玻璃的 结构、真空玻璃的性能、辐射传热、支柱传热、真空对传热的影响、镀膜对传热影响及真 空玻璃的生产制造、应力、应变作了阐述，但未尚未涉及真空玻璃的外载荷应力研究。文 中提及支撑柱间距为2 3 m m ，显然这一间距让人感到支撑柱太密，有视觉异差感。 郑宏飞、吴裕远等2 0 0 1 年在西安交通大学学报发表窄缝高真空平面玻璃的研制论文1 4 l 】， 文中对真空玻璃的设计研制作了简要介绍，对平面真空玻璃的传热及应力作了分析，对其 性能测试作了研究。文中提及所设计及制造的真空玻璃支柱尺寸为4 n b - n x 4 n u n 方形，间距为 4 0 m m ，尚未对支撑柱进行特别研究。文中的支撑柱4 r m - n x 4 n - u - n 也显过大，间距亦较密，视 觉异物感及热桥作用更为明显。 张瑞宏、马承伟等2 0 0 3 年在玻璃与搪瓷杂志上发表真空玻璃中试方案研究论文【3 4 1 ，详 细地对真空玻璃的中试生产工艺进行阐述及对每一中试工艺的生产成本进行核算，文中叙 述了真空玻璃中试生产中采用了扁圆柱型玻璃支撑柱和矩形排列支撑方案，但文章未涉及 真空平板玻璃力学方面的理论研究。 d e g u i r e ，b r o w n 于1 9 8 4 年心】，k o z l o v s k a y a 于1 9 8 9 发表文章【4 3 1 ，描述了玻璃的杨 氏模量e 与玻璃疲劳寿命的关系，对玻璃的疲劳破坏形式作了研究，但文章并未涉及真 空玻璃这一特殊结构。 t a k a h a s h ik 等人 4 4 1 1 9 8 3 年做了玻璃应力与断裂形式关系的各种试验，并得到了很多有 价值的结论，但文章的试验对象均为单层玻璃，对于两层玻璃的叠加并封接的结构尚未涉 及。 林宗寿等1 9 9 9 年出版的无机非金属材料工学一书提出：玻璃的实际强度要比理论 强度低好几个数量级，这种偏差的出现是由于实际玻璃材料中存在着表面裂纹、裂痕、残 余应力等【4 5 1 。这说明玻璃的残余应力和永久应力均是降低其寿命的原因。 k e r k h o f f 4 6 1 提出在玻璃表层产生永久压应力的方法可以提高玻璃强度，但未就一面受 拉一面受压或局部受拉另局部受压这一具体情况做出具体研究。 张瑞宏2 0 0 5 年撰写的博士论文真空平板玻璃传热性能及支撑应力研究 3 5 】中方面主 要进行了下列研究工作：( 1 ) 用结点法建立真空玻璃支承压应力分布数学模型，弯应力和 剪应力分布数学模型。( 2 ) 用有限元方法分析已建立的数学模型得出整块真空玻璃的支撑 应力分布。( 3 ) 对真空平板玻璃传热模型进行了分析与实验研究。 7 扬州大学硕士学位论文 张瑞宏，高建和，顾乡等2 0 0 6 年在真空科学与技术学报上发表的真空平板玻璃支撑 应力试验研究【4 7 】叙述了抽真空状态下玻璃的应力变化。 通过检索国内外的大量文献，关于真空平板玻璃力学方面的研究也仅限于真空平板玻 璃在大气压作用下的支撑应力及真空玻璃两玻璃面板受热不均后的温差应力研究，而对于 真空玻璃这样的特殊支撑形式的整体在外载荷下的整体宏观动力学研究尚未发现。 1 3 课题研究意义、方法及内容 1 3 1 课题研究意义 由上述与本文相关的全面搜索结果可以看出尚未有关于真空平板玻璃作为宏观体在 静载荷动载荷作用下响应的研究论文的发表。作为真空平板玻璃在实际使用中会受到各 种载荷的作用，这些都会对真空平板玻璃的结构破坏及使用特性产生影响，因此将载荷 定量化，从理论上分析真空平板玻璃在静动态载荷下的响应特性对真空平板玻璃应用及 其结构设计改进是至关重要的。 本文模拟真空玻璃的实际使用工况，对其进行了较深层次的力学研究，把有限元分 析方法、试验方法应用到该领域，解决真空平板玻璃设计应用中的难点问题，使理论计 算、软件分析、试验分析与实际应用设计更加紧密地结合，在实际工程中得到新的应用。 这些研究将为真空平板玻璃的应用校检及使用寿命预测提供了第一手的数据资料，也为 真空平板玻璃结构改进设计提供了重要的依据。 由于真空玻璃制造技术的高难度，和掌握制造技术的人数甚微，所以对真空平板玻 璃系统的理论研究刚刚开始。本文在掌握了其制造技术的基础上开展了对其系统的理论 研究，这可望填补这方面的空白。 1 3 2 课题研究方法 ( 1 ) 运用弹性力学、板壳理论、弹性动力学对静、动载条件下的真空平板玻璃响应特性 进行理论数值计算。 ( 2 ) 运用a n s y s 有限元分析对对静动载条件下的真空平板玻璃响应进行分析计算，得 出应力云图及各阶频率及振型。 ( 3 ) 进行实际工况静态载荷试验、模态试验、动态响应试验，得出试验数据与数值计算 及有限元结果进行分析对比，得出最终结论。 1 3 3 课题研究内容 本文模拟真空平板玻璃在通常使用中的四边柔性夹支的工况，对其进行了静载荷响 应、动载荷响应及模态研究。首先，把真空平板玻璃看作一个连续单层薄板模型，运用 数学微分的方法对其进行分析计算；再者，运用a n s y s 有限元分析软件建立真空平板玻 璃的双层板简化模型，分析计算；最后，针对真空平板的实体结构进行实际工况的试验， 将试验数据结果与理论计算及有限元分析结果对比分析，导出结论。 本课题具体研究内容如下： 2 王海耀真空平板玻璃动力学研究 ( 1 ) 介绍了真空平板玻璃制造研究的进展过程和它制造的工艺流程，简述了真空平 板玻璃的结构特点和它相对于其他材料( 如普通玻璃、中空玻璃) 在性能上的优越性。 检索国内外文献，列出目前为止国内外对于平板玻璃相关的力学研究的进展情况。 ( 2 ) 将真空平板玻璃作为一个连续单层薄板模型，运用弹性力学、板壳理论分析和 计算了真空平板玻璃在四边简支和夹支的情况下，作用静态载荷后的挠度变形和应力分 布，推导出了真空平板玻璃在静态载荷下的挠度及应力准确计算公式及经验公式。 ( 3 ) 将真空平板玻璃作为一个连续单层薄板模型，运用弹性动力学方法分析和计算 了真空平板玻璃在四边简支和夹支的情况下各阶自然频率及振型，探讨了在动态激振力 作用下真空平板玻璃的挠度及应力响应。 ( 4 ) 运用a n s y s 有限元分析软件详细分析了真空平板玻璃在四边夹支状态下受均 布载荷或集中载荷时的应力应变场，得出了精确的应力云图，直观地表达了真空平板玻 璃各处的应力分布；运用a n s y s 有限元分析软件详细分析了真空平板玻璃的各阶频率及 振型。 ( 5 ) 进行三个试验：真空平板玻璃在静态载荷下的响应试验；真空平板玻璃模 态试验；真空平板玻璃在动态载荷下的响应试验。通过试验得出较为精确的实际参数 值，将试验结果与数值计算结果及有限元计算结果进行对比分析，并且得出理论计算与 软件分析及试验结果基本一致的结论。 9 扬州大学硕士学位论文 第二章薄板理论 真空平板玻璃有中间一层厚度为0 2 m m 的真空腔，对于这种特殊的不连续结构，我 们不太易于使用数学微分的方法来对其进行理论分析，故我们可以把真空平板玻璃近似 看成一块等效厚度矩形薄板，建立模型，利用弹性力学理论分析它在静态载荷下的应变 与应力响应。 2 1 基本概念和假设 薄板实际上指的是中等厚度板，它区别于薄膜和厚板。板的厚度h 与板的最小尺寸b 之比，大约在如下范围内就定义为薄板 4 e l ： f ，土上1 m ，则整块板最大弯曲应力为o y ) 础( 宽度方向) ， ：k l ：挚争学 协 = 警 ( 3 = k ) 咄= 乌譬( 在口 6 时) ( 3 川) 表3 2 四边简支矩形板作用均布载荷时系数 c l | b1 01 21 41 61 82 o3 o4 05 0 口 0 0 4 4 40 0 6 1 6 0 0 7 7 00 0 9 0 6 0 1 0 1 7o 1 1 1 00 1 3 3 50 1 4 0 00 1 4 1 70 1 4 2 1 b 0 2 8 7 4 0 3 7 6 20 4 5 3 0o 5 1 7 2 0 5 6 8 80 6 1 0 20 7 1 3 40 7 4 1 00 7 4 7 6 0 7 5 0 0 对于本试样真空平板玻璃，a b = 4 3 ，用插值法计算出载荷系数口= 0 0 7 1 8 7 、 = 0 4 2 7 4 。将载荷系数及真空平板玻璃参数一并代入式( 3 1 6 ) 、( 3 1 7 ) 后得： 最大挠度( 位于中心) w m a x = 簪= 塑罴逝= 1 3 2 3 1 x 1 0 - 6 q 0 5 51 2 8 ( 3 - 旧)= 二l = 二二= l ，- 1 0j 励3 扬州大学硕士学位论文 最大应力( 位于中心y 方向) = k ) 咄= 学= 背面唧3 川3 吼 俘， 将经验公式计算结果式( 3 1 6 ) 、式( 3 1 7 7 ) 对比数值计算结果式( 3 1 0 ) 、式( 3 1 5 ) 可以发现，误差是比较小的。一般情况下完全可以使用经验公式直接进行计算，以下几 种工况不再详述数值计算过程，而直接引用罗氏应力应变公式。 3 2 2 承受集中载荷的简支真空平板玻璃 图3 - 4 四边简支真空平板玻璃受集中载荷图示 如图3 _ 4 简支真空平板玻璃，中心受集中载荷尸，若集中力p 均匀分布在真空平板玻 璃半径为r 的小同心圆上。 最大挠度出现在真空平板玻璃中心 = 簪 ( 3 - 1 8 ) 最大应力同样出现在真空平板玻璃中心y 方向+ 一( 叫一= 旦2 n h 2 m 灿- + 2 b 川 ( 3 - 1 9 ) 当， b 时，整块真空平板玻璃最大应力出现在长边a 中心，即q = k ) 麟= 一等 而在真空平板玻璃的中心，最大应力同样为q ，即 咯懈= q = 尾譬 ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) 表3 4 四边夹支矩形板作用均布荷载时系数 a b1 01 21 41 61 82 0 届 0 3 0 7 80 3 8 3 40 4 3 5 60 4 6 8 00 4 8 7 20 4 9 7 40 5 0 0 0 尾 0 1 3 8 60 1 7 9 40 2 0 9 40 2 2 8 60 2 4 0 60 2 4 7 20 2 5 0 0 口 0 0 1 3 80 0 1 8 80 0 2 2 60 0 2 5 10 0 2 6 70 0 2 7 70 0 2 8 4 对于本试样真空平板玻璃，a b = 4 3 ，用插值法计算出载荷系数口= 0 0 2 1 3 、 届= 0 4 1 8 2 、岛= 0 1 9 9 4 。将载荷系数及真空平板玻璃参数一并代入式( 3 - 2 0 ) 、( 3 - 2 1 ) 、 ( 3 2 2 ) 后得： 最大挠度( 位于中心) w 螂= 簪= 等一旷吼 2 2 5 扬州大学硕士学位论文 最大应力( 位于长边中心y 方向) = h ) 雌= 一学= 一 中心处最大应力( 位于中心y 方向) 0 4 1 8 2 0 6 2 5 9 2 6 9 x1 0 3 q o( 3 2 17 ) q 一= q = 厦譬= 嬲蚪舵6 0 3 9 0 ( 3 - 2 2 ) 3 2 4 承受集中载荷的夹支真空平板玻璃 图3 - 6 四边夹支真空平板玻璃承受集中载荷 如图3 - 6 所示，整块真空平板玻璃中心受集中载荷p ，若集中力p 均匀分布在真空平 板玻璃半径为r 为2 c m 的小同心圆上。 最大挠度出现在真空平板玻璃中心 w 眦= 口鲁 ( 3 2 3 ) 真空平板玻璃的最大应力出现在中心，最大应力为盯。 仃咖= 唧眦= ( 盯y ) 一= 互3 翮1 , 一 0 + ) h 等+ 届 c 3 - 2 4 ， 当， 1 0 号点( 即以喇) ( 7 、1 2 号点) ( 2 、1 7 号点) ( 8 、 l l 、5 、1 4 号点) ( 4 、6 、1 3 、1 5 号点) ( 1 、3 、1 6 、1 8 号点) 由于，真空平板玻璃的支撑方式采用柔性夹支( 边界未完全限削它的位移与挠度) ， 4 7 扬州大学硕士学位论文 故实测的边界部分应力值与理论计算与有限元分析结果有误差( 数值计算与有限元分析 时看作完全夹支) ，这里着重对比真空平板玻璃中心点( 9 号点) 即最大应力点。 实测9 号点应力值，以l k g 为例盯= 西= 5 5 x1 0 9 3 1