CN107657089B - 一种考虑残余应力的化学钢化玻璃有限元模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑残余应力的化学钢化玻璃有限元模型建立方法，包括步骤：1)建立钢化玻璃几何模型，将几何模型导入Hypermesh中，采用壳单元和六面体实体单元划分网格，设置材料参数和tied接触；2)建立壳单元的等效模型并加载，输出应力，接着将等效模型载荷修正为F_c，重新加载，输出应力值，采用插值法计算积分点应力值；3)建立实体单元等效模型并采用F_c对六面体实体单元加载，计算六面体实体单元自然坐标(0,0,0)处的x、y方向应力值σ_x、σ_y并输出；4)采用有限元计算软件对应力值进行修正后作为初始应力。本发明可缩短初始应力加载时间，减小计算结果不收敛的概率，提高化学钢化玻璃有限元模型的精确度。

Description

一种考虑残余应力的化学钢化玻璃有限元模型建立方法

技术领域

本发明涉及一种考虑残余应力的化学钢化玻璃有限元模型建立方法，具体为一种含初始应力有限元模型较高精度的建立方法。

背景技术

钢化玻璃是一种由普通玻璃通过物理或化学手段，致使外部受压，内部受拉的加强玻璃。钢化玻璃具有很高的力学承载能力，并能承受250度以上温度的变化。目前在化学钢化玻璃的研发方面，以法国圣戈班(Saint-Gobain)、日本旭硝子(Asahi Glass)、美国PPG和康宁(Corning)等企业研发水平最高；国内化学钢化的研发，主要有中国建材总院、武汉理工大等机构，他们主要研究化学钢化工艺及熔盐配方，其研发成果已应用于建筑、家电、机车等领域，引领了我国玻璃技术的进步和发展。

化学钢化玻璃的研究主要停留在实验研究方面，高厚度钢化玻璃的制备和通过镀膜以减少表面微裂纹的影响，是高强耐磨玻璃的主要研发途径。化学钢化玻璃的表面压应力层厚度通常为15-20μm，受到沙砾等冲击后容易产生微裂纹。研究表明，钢化层的微小损伤，可引起强度急剧下降。Carturan等利用溶胶凝胶法在化学钢化玻璃表面制备一层0.6-0.89μm的SiO2增强薄膜，样品在300℃热处理1小时后，平均抗弯强度增加了90MPa，达到430MPa。Zhang等通过溶胶凝胶、提拉法在化学钢化钠钙硅玻璃表面镀45nm厚的ZrO2和ZrO2-SiO2增强薄膜，结果显示ZrO2-SiO2薄膜的耐磨效果优于ZrO2薄膜，且随薄膜中SiO2含量的增大而提高，说明SiO2薄膜与玻璃结合力更强，修复裂纹尖端效果更好。这些研究工作为高耐磨性前挡玻璃提供了研发思路。但在实验研究方法中存在周期长、成本高、过程复杂等缺点。近年来，随着计算机技术的飞速发展，仿真方法被越来越多的应用于该领域的研究。有限元方法作为一种传统的仿真方法，被广泛应用于该领域的研究。

化学钢化玻璃是通过离子置换方法在玻璃表层形成一层受压钢化层，该钢化层的厚度为微米级，与钢化玻璃的尺寸毫米级相差太大。化学钢化玻璃内部应力分布如图1所示，由图可知沿厚度方向应力在钢化层与非钢化层交界处急剧下降。若单纯的将钢化玻璃用尺寸较大的单元离散，初始应力无法正确添加，计算结果必然不准确，若采用微米级尺寸网格，必然使模型太大，导致无法计算。因此本方案采用尺寸较小的壳单元和尺寸较大的实体单元对钢化玻璃进行离散。

发明内容

本发明的目的在于提出一种考虑残余应力的化学钢化玻璃有限元模型建立方法，根据钢化玻璃内部实际应力分布规律，提出一种等效方案，通过对等效计算后的应力修正，建立较为精确的化学钢化玻璃有限元模型。

为了解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种考虑残余应力的化学钢化玻璃有限元模型建立方法，包括步骤：

1)在三维制图软件中建立钢化玻璃几何模型，将几何模型导入Hypermesh中，采用壳单元和六面体实体单元划分网格，设置材料参数和tied接触，得到无初始应力的化学钢化玻璃有限元模型；

2)建立壳单元的等效模型，对壳单元模型加载，输出应力，接着将等效模型载荷修正为F_c，重新加载，输出应力值，采用插值法计算积分点应力值；

3)建立实体单元等效模型，采用修正的等效模型载荷F_c对六面体实体单元加载，计算六面体实体单元自然坐标(0,0,0)处的x、y方向应力值σ_x、σ_y并输出；

4)将步骤2)和3)计算所得积分点和单元中心处应力值读入有限元计算软件中进行修正后作为初始应力建立化学钢化玻璃有限元模型。

进一步地，步骤1)中，所述无初始应力的化学钢化玻璃有限元模型的钢化层采用微米级厚度的壳单元离散，壳单元可选用BT或HL壳单元，壳单元方程选用单点积分，全积分或缩减积分，厚度方向采用多点高斯积分，设置每个高斯点不同的初始应力值以描述应力沿厚度方向的变化；实体单元的尺寸为毫米级，用于离散非钢化层部分，实体单元的初始应力为拉应力，且数值沿厚度方向变化较小。

进一步地，所述步骤2)具体包括：

21)将每个壳单元离散成5×5×5的六面体实体单元；

22)因在初始状态下，每个节点力所受合力，每个单元节点处所受合力及合力矩均为零，因此对壳单元模型所加载荷分布满足条件：

∑F_x＝0，∑F_y＝0，∑F_z＝0，∑M_x＝0，∑M_y＝0，∑M_z＝0；

23)加载后，计算出5×5×5的六面体实体单元的顶层单元xy方向的应力平均值σ_x、σ_y；

24)若实验所测得钢化玻璃表面初始应力值为σ₀，等效模型载荷可修正为：

F_c＝F·σ_x/σ₀

其中，F为等效模型载荷，F_c为修正后的等效模型载荷；

25)重新加载，调整载荷大小直至顶层单元x，y方向的应力平均值σ_x、σ_y，当顶层单元x、y方向的应力平均值σ_x、σ_y等于实验测得的钢化层表面应力σ₀时，计算各层x、y方向的应力平均值作为该层中心点所在厚度方向的应力值；

26)采用插值法计算出积分点所在处的应力值并在有限元计算软件中相应位置存储。

进一步地，所述步骤3)具体包括：

31)将玻璃中层面以上的部分划分为n层六面体实体单元；

32)采用修正的等效模型载荷F_c对该n层六面体实体单元加载；

33)加载后输出各层单元自然坐标(0,0,0)处的x、y方向的平均应力值并输出，将该平均应力值作为该层的初始应力值。

进一步地，步骤4)中，所述将步骤2)和3)计算所得积分点和单元中心处应力值读入有限元计算软件中进行修正后作为初始应力的步骤具体包括：

步骤41)将步骤2)和3)计算所得积分点和单元中心处应力值读入有限元计算软件中；

步骤42)设置阻尼，在无载荷无约束条件下进行有限元计算；

步骤43)判断所有节点最大速度是否小于设定速度，若小于设定速度，计算结束，从有限元计算软件中读出壳单元和六面体实体单元的应力值，并将该应力值作为初始应力。

进一步地，所述的有限元计算软件为DYNA3D。

相比现有技术，本方案可缩短初始应力加载时间，减小计算结果不收敛的概率，提高化学钢化玻璃有限元模型的精确度。

附图说明

图1为化学钢化玻璃厚度方向残余应力分布示意图。

图2为壳单元等效模型示意图。

图3为壳单元等效模型左视图的加载形式示意图。

图4为壳单元等效模型俯视图的加载形式示意图。

图5为六面体实体单元等效模型。

图6为六面体实体单元等效模型左视图的加载形式。

图7为六面体实体单元等效模型俯视图的加载形式。

图8为本发明实施例的初始应力计算流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图8所示，一种考虑残余应力的化学钢化玻璃有限元模型建立方法，包括步骤：

1)在三维制图软件中建立钢化玻璃几何模型，将几何模型导入Hypermesh中，采用壳单元和六面体实体单元划分网格，设置材料参数和tied接触，得到无初始应力的化学钢化玻璃有限元模型；

2)建立壳单元的等效模型，对壳单元模型加载，输出应力，接着将等效模型载荷修正为F_c，重新加载，输出应力值，采用插值法计算积分点应力值；

3)建立实体单元等效模型，采用修正的等效模型载荷F_c对六面体实体单元加载，计算六面体实体单元自然坐标(0,0,0)处的x、y方向应力值σ_x、σ_y并输出；

4)将步骤2)和3)计算所得积分点和单元中心处应力值读入DYNA3D中进行修正后作为初始应力建立化学钢化玻璃有限元模型。

具体而言，步骤1)中，所述无初始应力的化学钢化玻璃有限元模型的钢化层采用微米级厚度的壳单元离散，壳单元可选用BT或HL壳单元，壳单元方程选用单点积分，全积分或缩减积分，厚度方向采用多点高斯积分，设置每个高斯点不同的初始应力值以描述应力沿厚度方向的变化；实体单元的尺寸为毫米级，用于离散非钢化层部分，实体单元的初始应力为拉应力，且数值沿厚度方向变化较小。

具体而言，所述步骤2)具体包括：

21)将每个壳单元离散成5×5×5的六面体实体单元(见图2)；

22)因在初始状态下，每个节点力所受合力，每个单元节点处所受合力及合力矩均为零，因此对壳单元模型所加载荷分布满足条件(见图3和图4)：

∑F_x＝0，∑F_y＝0，∑F_z＝0，∑M_x＝0，∑M_y＝0，∑M_z＝0；

23)加载后，计算出5×5×5的六面体实体单元的顶层单元xy方向的应力平均值σ_x、σ_y；

24)若实验所测得钢化玻璃表面初始应力值为σ₀，等效模型载荷可修正为：

F_c＝F·σ_x/σ₀

其中，F为等效模型载荷，F_c为修正后的等效模型载荷；

25)重新加载，调整载荷大小直至顶层单元x，y方向的应力平均值σ_x、σ_y，当顶层单元x、y方向的应力平均值σ_x、σ_y等于实验测得的钢化层表面应力σ₀时，计算各层x、y方向的应力平均值作为该层中心点所在厚度方向的应力值；

26)采用插值法计算出积分点所在处的应力值并在DYNA3D中相应位置存储。

具体而言，所述步骤3)具体包括：

31)将玻璃中层面以上的部分划分为n层六面体实体单元(见图5)；

32)采用修正的等效模型载荷F_c对该n层六面体实体单元加载，载荷分布如图6和图7所示；

33)加载后输出各层单元自然坐标(0,0,0)处的x、y方向的平均应力值并输出，将该平均应力值作为该层的初始应力值。

具体而言，步骤4)中，所述将步骤2)和3)计算所得积分点和单元中心处应力值读入DYNA3D中进行修正后作为初始应力的步骤具体包括：

步骤41)将步骤2)和3)计算所得积分点和单元中心处应力值读入DYNA3D中；

步骤42)设置阻尼，在无载荷无约束条件下进行有限元计算；

步骤43)判断所有节点最大速度是否小于设定速度，若小于设定速度，计算结束，从DYNA3D中读出壳单元和六面体实体单元的应力值，并将该应力值作为初始应力。

壳单元积分点处应力及六面体实体单元中心点处的应力只能近似表达各单元的受力状态，若将其作为初始应力，根据有限元原理进行节点力计算，结果必会显示节点和单元受力不平衡，因此完全精确的考虑残余应力的钢化玻璃有限元模型并不存在。为建立较为精确的有限元模型，须对等效计算的初始应力修正，本实施例是将等效后计算的初始应力值赋值有限元模型中，在无载荷和无边界约束条件下，设置阻尼进行有限元计算，直至各节点速度衰减至足够小时停止计算，将计算后的应力作为初始应力。

钢化玻璃沿厚度方向应力在钢化层与非钢化层交界处急剧下降。若单纯的将钢化玻璃用尺寸较大的单元离散，不能正确描述这一现象，初始应力也无法正确添加，计算结果必然不准确。若采用微米级尺寸网格离散钢化玻璃，必然由于模型太大而导致无法计算。采用本实施例中的壳单元和六面体实体单元对钢化玻璃离散后，若直接将实验测得的表面应力作为初始应力直接导入有限元计算软件中设置阻尼计算，会导致计算时间过长，并极可能发生计算不收敛现象，因此，本实施例通过对等效计算后的初始应力修正，修正方法为：将等效后的模型导入有限元计算软件(如DYNA3D)中，在无载荷无约束条件下设置阻尼进行计算，直至节点速度衰减至足够小时停止计算，将新计算的单元应力作为初始应力。本实施例可缩短初始应力加载时间，减小计算结果不收敛的概率，提高化学钢化玻璃有限元模型的精确度。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种考虑残余应力的化学钢化玻璃有限元模型建立方法，其特征在于，包括步骤：

1)在三维制图软件中建立钢化玻璃几何模型，将几何模型导入Hypermesh中，采用壳单元和六面体实体单元划分网格，设置材料参数和tied接触，得到无初始应力的化学钢化玻璃有限元模型；所述无初始应力的化学钢化玻璃有限元模型的钢化层采用微米级厚度的壳单元离散，壳单元可选用BT或HL壳单元，壳单元方程选用单点积分，全积分或缩减积分，厚度方向采用多点高斯积分，设置每个高斯积分点不同的初始应力值以描述应力沿厚度方向的变化，高斯积分点位置由高斯积分点个数及壳单元厚度确定；实体单元的尺寸为毫米级，用于离散非钢化层部分，实体单元的初始应力为拉应力，且数值沿厚度方向变化较小；

2)建立壳单元的等效模型，对壳单元模型加载，输出应力，接着将等效模型载荷修正为F_c，重新加载，输出应力值，采用插值法计算高斯积分点应力值，具体包括：

21)将每个壳单元离散成5×5×5的六面体实体单元；

22)因在初始状态下，每个节点力所受合力，每个单元节点处所受合力及合力矩均为零，因此对壳单元模型所加载荷分布满足条件：

∑F_x＝0，∑F_y＝0，∑F_z＝0，∑M_x＝0，∑M_y＝0，∑M_z＝0；

23)加载后，计算出5×5×5的六面体实体单元的顶层单元x，y方向的应力平均值σ_x、σ_y；

24)若实验所测得钢化玻璃表面初始应力值为σ₀，等效模型载荷可修正为：

F_c＝F·σ_x/σ₀

其中，F为等效模型载荷，F_c为修正后的等效模型载荷；

25)重新加载，调整载荷大小直至顶层单元x，y方向的应力平均值σ_x、σ_y，当顶层单元x、y方向的应力平均值σ_x、σ_y等于实验测得的钢化层表面应力σ₀时，计算各层x、y方向的应力平均值作为该层中心点所在厚度方向的应力值；

26)采用插值法计算出高斯积分点所在处的应力值并在有限元计算软件中相应位置存储；

3)建立实体单元等效模型，采用修正的等效模型载荷F_c对六面体实体单元加载，计算六面体实体单元自然坐标(0，0，0)处的x、y方向应力值σ_x、σ_y并输出，具体包括：

31)将玻璃中层面以上的部分划分为n层六面体实体单元；

32)采用修正的等效模型载荷F_c对该n层六面体实体单元加载；

33)加载后输出各层单元自然坐标(0，0，0)处的x、y方向的平均应力值并输出，将该平均应力值作为该层的初始应力值；

4)将步骤2)和3)计算所得高斯积分点应力值和六面体实体单元自然坐标(0，0，0)处的x、y方向应力值σ_x、σ_y读入有限元计算软件中进行修正后作为初始应力建立化学钢化玻璃有限元模型。

2.根据权利要求1所述的考虑残余应力的化学钢化玻璃有限元模型建立方法，其特征在于，步骤4)中，所述将步骤2)和3)计算所得高斯积分点应力值和六面体实体单元自然坐标(0，0，0)处的x、y方向应力值σ_x、σ_y读入有限元计算软件中进行修正后作为初始应力的步骤具体包括：

步骤41)将步骤2)和3)计算所得高斯积分点应力值和六面体实体单元自然坐标(0，0，0)处的x、y方向应力值σ_x、σ_y读入有限元计算软件中；

步骤42)设置阻尼，在无载荷无约束条件下进行有限元计算；

步骤43)判断所有节点最大速度是否小于设定速度，若小于设定速度，计算结束，从有限元计算软件中读出壳单元和六面体实体单元的应力值，并将该应力值作为初始应力，反之则按照步骤42)中设定的阻尼继续在在无载荷无约束条件下进行有限元计算。

3.根据权利要求1所述的考虑残余应力的化学钢化玻璃有限元模型建立方法，其特征在于，所述的有限元计算软件为DYNA3D。

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