吳珍珍 喬書杰

摘 要：本文首先簡要介紹了玻璃材料的理論基礎，闡述了光伏玻璃壓延成型過程中溫度對各物理參數(shù)的影響，并對玻璃成型中的一些邊界條件做了必要的假設，然后在此基礎上建立了玻璃壓延成型段的數(shù)值模型，借助數(shù)值模擬分析軟件，把玻璃成型段的相關數(shù)據設置到相應的邊界條件中，模擬得出光伏玻璃壓延成型的過程及光伏玻璃溫度場、速度場的分布情況。

關鍵詞：玻璃壓延成型；數(shù)值模擬；溫度場；速度場

中圖分類號：TQ171.633 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）14-0063-03

Simulation of Photovoltaic Glass Pressing

WU Zhenzhen QIAO Shujie

（School of Electrical and Mechanical Automotive Engineering， Zhengzhou Institute of Finance and Economics， Zhengzhou Henan 450044）

Abstract： In this paper， the theoretical basis of glass material was briefly introduced， and the influence of temperature on the physical parameters in the forming process of the photovoltaic glass was expounded， and some necessary assumptions were made on some boundary conditions in the glass molding. On this basis， a numerical model of the glass calendering section was set up， and the numerical simulation was used to analyze the soft. The related data of the glass forming section were set to the corresponding boundary conditions， and the process of the photovoltaic glass calendaring and the distribution of the temperature field and velocity field of the photovoltaic glass were simulated.

Keywords： glass pressing；numerical simulation；temperature field；speed field

1 玻璃材料的性能

1.1 玻璃的黏度

黏度是指面積為S的兩平行液面，以一定的速度梯度[dV/dx]移動時所需克服的內摩擦阻力f。

[f=ηsdVdx] （1）

式中，[η]表示黏度或黏性系數(shù)；S表示兩平行液面間的接觸面積；[dV/dx]表示沿垂直于液流方向液層間的速度梯度。

黏度是玻璃的重要物理性質之一，其貫穿于玻璃生產的整個過程。在成型過程中，不同的成形方法與成形速度要求不同的黏度和料性。影響玻璃黏度的主要因素是化學成分和溫度，在轉變溫度區(qū)內，還與時間有關。

由于結構特性的不同，玻璃熔體與晶體的黏度隨溫度的變化有顯著差別。晶體在高于熔點時，黏度變化很小，當?shù)竭_凝固點時，由于熔融態(tài)轉變成晶態(tài)的緣故，黏度呈直線上升。玻璃的黏度則隨溫度的降低而增大。從玻璃液到玻璃態(tài)物質的轉變，黏度是連續(xù)變化的，其間沒有數(shù)值上的突變。如圖1所示。

[16

14

12

10

8

6

4

2

0][lgη/（dPa·s）][鉛晶質

玻璃][硼硅酸鹽玻璃][鈉鈣硅玻璃][400][800][1 200][1 600][溫度/°C][14.6 應變點][13.0 退火點][7.65 軟化點][5.0 流動溫度][3.0 料滴溫度][2.0 熔融溫度]

圖1 各種玻璃的黏度-溫度曲線

對應圖1給出以下定義。

①流動溫度：為玻璃成形時應具備的溫度。黏度為105dPa·s，[lgη=5]。

②軟化點：一般作為玻璃成形操作結束時對應的溫度。操作范圍的下限溫度，黏度值為4.5×107dPa·s，[lgη=7.65]。

③退火點：玻璃在此溫度下保持15min后應力消失，對應黏度值1013dPa·s，[lgη=13]。

④操作范圍：指玻璃成形時玻璃液表面的溫度范圍，[T上限]指標準成形操作溫度103～104dPa·s，[lgη=3～4]；[T下限]指成形時可保持制品形狀的溫度，應保證此時黏度大于106dPa·s ，[lgη>6]。一般操作范圍為103～106dPa·s，[lgη=3～6.6]。也有文獻指出操作范圍為104～108dPa·s。

1.2 玻璃的導熱性

物質依靠質點的振動將熱能傳遞至較低溫度物質的能力稱為導熱性，以熱導率[λ]表示。玻璃是一種熱的不良導體，其內部的導熱是通過熱傳導和熱輻射來進行的。低溫時，熱傳導占主要地位，玻璃的導熱性主要取決于其化學組成；高溫時，玻璃主要通過熱轄射傳熱，這時玻璃的導熱性隨著溫度的升高而增加，加熱至軟化溫度時，玻璃的導熱性幾乎可增加1倍[1]。玻璃的熱導率在高溫輻射作用下，隨溫度的變化非常復雜，根據經驗公式給出本文所用玻璃的熱導率：

[λ=1.2+0.000 624t] （2）

其中，[t]表示溫度。

2 基于DEFORM-3D的模擬過程

2.1 模型的簡化與假設

進行仿真分析時，為了便于對模型的特征、性能進行更好的分析研究和計算，就要在實際情況的基礎上抓住主要特征，同時排除次要因素帶來的干擾，對一些次要因素進行簡化分析。考慮到光伏玻璃成型過程因素的多樣性和復雜性，我們在模擬過程中作了如下一些假設：①上下兩對輥中的下軋輥為光輥；②不考慮玻璃液傳到空氣中的熱量。

2.2 模型的建立

幾何建模就是生成工件和模具的幾何模型，為有限元網格的劃分和材料屬性的定義提供載體。由于DEFORM-3D不具備三維軟件造型功能，所以幾何模型要在其他三維軟件中建立。本文的幾何模型是在三維造型軟件SolidWorks中建立的，通過CAD數(shù)據轉換系統(tǒng)，將幾何模型加載到有限元軟件DEFORM-3D中。在幾何建模過程中，每一個零件都有自己獨自的坐標系，在模型中彼此獨立。因此，需要進行模型裝配，以在全局坐標系中確定各零件間的初始相對位置關系。

在三維造型軟件SolidWorks中分別建立工件和模具的三維實體模型，并保存為STL文件格式，然后通過DEFORM-3D前置處理器中的幾何模型輸入接口，即可將有限元軟件中的三維實體模型可視化，然后進行實體模型裝配[2]。在玻璃壓延過程中，由于不考慮上模和下模的變形情況，故把上模和下模定義為剛性體，把玻璃液定義為塑性體，其簡化模型如圖2所示。

圖2 玻璃壓延成型的簡化模型

2.3 網格劃分

在DEFROM-3D中，其能夠自行觸發(fā)自動網格重劃生成器，重新生成優(yōu)化的網格系統(tǒng)。在要求精度較高的區(qū)域，可以劃分細密的網格，從而降低單元格數(shù)量，并顯著提高計算效率。因此，結合DEFORM-3D中網格的特點，選用四節(jié)點四面體單元。

通常情況下，網格數(shù)量由給定的實體表面所劃分的單元數(shù)目和網格密度控制參數(shù)兩方面來決定。對于給定大小的擠壓件，網格密度增大，可以提高幾何模型的分辨率，并提高溫度、應力和應變等場變量的計算精度[3]。然而，一般來講，網格密度增大，計算求解所需要的時間也就延長。因而，最好是只在一些場變量分布變化梯度較大的區(qū)域，劃分較為致密的網格即可。反過來講，為了節(jié)約計算時間，期望一些發(fā)生變形較小或者各場量變化梯度較小的區(qū)域劃分較為稀疏的網格。由于不對模具進行分析，所以可將模具視為剛形體，無需進行網格劃分。在本文中對玻璃液進行網格劃分，如圖3所示。