引言
随着时代的进步，人们的环保意识不断提升，节能减排在当今汽车发展方向上是一重大趋势。而真空玻璃作为一种新型结构，代替普通玻璃车窗应用于新能源汽车，符合国家大力推行的节能环保政策，市场前景广阔。弧面钢化真空玻璃的结构是：将两片钢化弧面玻璃四周密闭，并将其间隙抽成真空，两片弧面钢化玻璃之间的间隙为0.1—0.5mm，在间隙之间布放间距30一60mm的支撑柱，其直径为0.3一0.6mm 。弧面钢化真空玻璃所制成的汽车侧窗玻璃，由于中间存在一定的真空层，降低了传热系数并提升了隔音性能：也带来了一定的节能功效。但在汽车高速行驶过程中，由于车辆的震动和支撑柱布放制造工艺水平不高，支撑柱与弧面钢化真空玻璃的粘结性差，容易造成支撑柱的滑落与缺位。若弧面钢化真空玻璃部分位置支撑柱缺失，轻则损坏真空玻璃的保温隔音等性能，重则使两片弧面钢化玻璃直接接触，玻璃表面的永久残余应力上升，汽车侧窗弧面钢化真空玻璃的破碎风险增大，给车内乘客造成安全隐患。因此，支撑柱缺位是汽车侧窗弧面钢化真空玻璃制造企业须高度重视的一项质量检测项目。
支撑应力是弧面钢化真空玻璃重要的力学参数，且支撑缺位位置及数量对支撑应力的大小及分布影响显着，因此对其研究十分必要。本文开展汽车侧窗弧面钢化真空玻璃支撑应力研究，根据弹性力学和板壳理论，建立力学模型并开展ANSYS有限元分析，研究了某客车中部侧窗弧面钢化真空玻璃不同部位支撑柱缺位及不同缺位数量对弧面钢化真空玻璃弯曲应力和变形的影响，并对支撑柱缺位的许可范围给予界定。
1 弧面钢化真空玻璃力学模型建立
1.1 模型结构与假设
汽车侧窗弧面钢化真空玻璃由两块弧面钢化玻璃构成，四周密封，中间布放金属支撑柱，支撑柱摆放如图1(a）所示。两个曲面限定的曲面结构，若曲面的厚度远小于曲率半径，则称为薄壳体，若模型所示约薄壳在纵向（柱面的母线方向）没有曲率，则称为柱壳体。对于柱壳模型，采用曲面坐标系，通常把a坐际放在纵向，p坐标放在环向，弧面坐标轴如图1(b)所示。
弧面钢化真空玻璃在一个标准大气压下将产生弧面钢化真空玻璃表层由以一定的弯曲应力和表面变形有大气压施加的均布载荷，且支撑柱呈规则布置，由于对称性，对模型进行简化，可以做出如下假设：以任何一支撑柱为中心，取出一一个弧形单元，其边长为该支撑柱与相邻支撑柱最短距离的一半。由壳体理论可知：
（1）垂直于中面方向的正应变不计；
（3）与中面平行的截面上的正应力远小于其垂直面上的正应力，因而它对变形的影响可不计；
（4）体力与面力均可化为作用于中面的荷载。
1.2 理论计算
图2为四边简支的弧面单元受载情况，由图2可知，当环向开敞、四边简支的圆柱壳单元只受到法向荷载时，可以用重三角级数求解。设圆柱壳的纵向边长为a，环向边长为b，则边界条件为：
1 .3 参数选择
选用两块厚度为3mm，曲率半径为5000mm，纵向长度为700mm，横向长度为5OOmm的弧面钢化玻璃基片，最外排支撑柱与边缘最短距离为50mm，支撑柱间最短距离为50mm。四周有效封边宽度为10mm, 厚度为0.3mm。支撑柱直径为0.6mm，高度为0.3mm, 共有117个支撑柱有序排列在弧面钢化玻璃上。根据GB15763.2一2005《 建筑用安全玻璃第2部分：钢化玻璃》，设置钢化玻璃弹性模量为72GPa，泊松比为0.24, 玻璃密度为2500kg/m³。封边焊料采用玻璃粉焊剂，相关参数参照玻璃材料选取。支撑柱材料采用不锈钢，密度为 7800kg / m , ，弹性模量为 Z000Pa ，泊松比为 0 . 3 。接着划分网格，其中支撑柱网格大小为0.15mm，弧面玻璃板划分为1.5mm网格单元。对玻璃面板施加一个标准大气压的均布荷载。
2 支撑柱缺位的有限元分析
采用ANSYS软件中staticstructural模块分析支撑柱缺位对弧面钢化真空玻璃的弯曲应力和弯曲变形，在分析之前，需确定该分析忽略支撑柱变形，而对玻璃变形进行分析，因此在设置条件时，在弧面钢化真空玻璃四周围绕边框进行固定约束。在弧面钢化玻璃表面加载一个标准大气压，分析结果如图3一图5所示。
图3 中间缺位情况下弧面钢化真空玻璃应力和变形仿真结果
图4 角部缺位情况下弧面钢化真空玻璃应力和变形仿真结果
图5 边缘部位缺位情况下弧面钢化真空玻璃应力和变形仿真结果
和最大弯曲变形汇总至表1中，由表1制成点线，如图6所示。表中a—n对应图3一图5中的（a）一（n）。由图3一图5中的应力云图可以看出，支撑柱与玻璃板的接触部位产生应力集中现象。由图3(a）可知，无缺位条件下弧面钢化玻璃最大变形max出现在任意两支撑柱的中部区域。由图6可清晰得出，在弧面钢化真空玻中部区域，支撑柱连续缺位数未超过2时，未超过GB15763.2一2005《建筑用安全玻璃第2部分：钢化玻璃》中所规定的90MPa，且也未超过真空腔高度，但当连续缺位数量大于等于3时，应力集中和变形量都达到最大，图（d）中最大应力为117.7MPa ,图(e）中最大变形量为0.566mm。因弧面玻璃中央的曲率半径最大，变形产生的影响较大，连续缺位数量大于等于3时，两块弧面钢化玻璃可能产生接触，汽车侧窗弧面钢化真空玻璃有破碎的风险；在弧面钢化真空玻璃角落部位，支撑柱连续缺位数小于等于2时，未超过90MPa, 但在支撑柱连续缺位为3时，角落部位出现了显著的应力集中现象。其原因是角落部的玻璃封接材料起到了较大的支撑作用，但由于材料的不同，产生了较大的应力集中；在弧面钢化真空玻璃的边缘部位，支撑柱不超过3个连续缺位时，未超过90MPa，也相对较小，符合要求，但当连续缺位数量达到4及以上时，最大应力为96.183MPa，最大变形为0.217mm，最大应力值超过许用值，具有安全隐患。
图6 不同支撑柱缺位下弧面钢化真空玻璃特性
表1 不同支撑柱缺位下弧面钢化真空玻璃的支撑应力和弯曲变形结果
3 结论
（1）本文通过运用弹性力学、柱壳理论等方法，建立了弧面钢化真空玻璃的力学模型，分析了弧面钢化真空玻璃在法向载荷卜的表面挠度和应力分布模型，运用ANSYSWorkbench软件对弧面钢化真空玻璃不同支撑柱缺位下的支撑应力和弯曲变形进行了分析。
（2）研究结果显示，在中间部位支撑柱连续缺位数量不允许超过2个，在角落部位支撑柱连续缺位数量不允许超过2个，在边缘部位支撑柱连续缺位数量不允许超过3个。
（3）鉴于边缘部支撑柱缺位会造成钢化真空玻璃封边应力集中，易廿致钢化损伤发生，同时中间部位支撑柱缺位会导致弧面钢化真空玻璃的极大变形，建议边缘和中间部不得有支撑柱缺位，以保证汽车玻璃安全可靠性。
