温湿交变和紫外淋雨作用下钢化玻璃受风沙侵蚀试验研究及有限元模拟

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1、分类号:学校代码:10128UDC:学号:20151100232硕士学位论文（学生类别：全日制学术型硕士研究生学科名称：结构工程论文题目：温湿交变和紫外淋雨作用下钢化玻璃受风沙侵蚀试验研究及有限元模拟英文题目：Experimentalstudyandfiniteelementsimulationonsanderosionoftemperedglassundertemperatureandhumidityfluctuationsandultravioletrain学生姓名：李慧导师姓名：郝贠洪教授二○一八年六月内蒙古工业大学硕士学位论文摘要内蒙古地区温湿变化幅度大、紫外线强

2、和沙尘暴频发等区域特殊自然环境对该地区服役的建筑玻璃幕墙、太阳能电池板和列车车窗玻璃等的耐久性造成威胁，严重影响其服役寿命。本研究在对该地区温度、湿度及紫外环境特征统计分析的基础上，对钢化玻璃进行环境老化试验，采用能谱法（EDS）分析老化后玻璃表面产物化学元素含量的变化情况，确定产物类型。采用气流挟沙喷射法，研究钢化玻璃在环境老化前后冲蚀率随冲蚀参数的变化规律，结合扫描电镜和激光共聚显微镜损伤形貌图分析冲蚀损伤过程及损伤机理。采用田口方法研究各影响因素对冲蚀率的贡献程度。建立钢化玻璃的二维模型，通过Fluent软件模拟气固两相流冲蚀过程，得到不同冲蚀参数下钢化玻璃冲蚀率的

3、变化规律，并与试验结果进行对照分析。本课题受国家自然科学基金项目《区域特殊环境下高铁前风挡玻璃受侵蚀力学行为与损伤机理研究》（No.11662012）、《风沙环境下钢结构涂层侵蚀力学行为及损伤评价研究》（No.11162011）、《严寒环境下西部盐渍区道面混凝土受风沙侵蚀损伤机理研究》（No.51468049）的资助，具体内容如下：1、研究了钢化玻璃的基本光学和力学性能，得到钢化玻璃的透光率、硬度和弹性模量等。分析了内蒙古地区温度、湿度和紫外及风沙环境特征，设计四种不同的试验工况。2、对钢化玻璃进行温湿交变循环和紫外淋雨条件下的环境老化试验。试验表明：（1）钢化玻璃的透光

4、率随温湿交变循环次数的增加而逐渐减小。玻璃表面有白色物质生成，由SEM图可见，温湿交变循环后玻璃表面有分散且大小不一的白斑，通过EDS分析，得到该物质主要是钠盐。（2）钢化玻璃的透光率随模拟紫外淋雨年限的增加而逐渐减小。SEM图中可见，试验模拟紫外淋雨3年的钢化玻璃表面有成片的白色物质，且局部有龟裂现象，损伤表面经去离子水清洗后有微小的腐蚀坑。这是由于玻璃表面的离子交换及交换后形成的碱液对玻璃结构的破坏，共同促进了玻璃表面的损伤。3、通过模拟风沙环境侵蚀实验系统对温湿交变循环和紫外淋雨后的钢化玻璃进行风沙冲蚀试验，对冲蚀试验数据进行分析，结合扫描电子显微镜（SEM）和激光

5、共聚焦显微镜（LSCM）对冲蚀试件表面形貌的观测，分析老化前后的冲蚀损伤机理。结果表明：（1）在试验条件下，温湿交变循环和紫外淋雨对玻璃表面的作用较小，冲蚀率均随冲蚀角度的增加近似呈线性增长，随冲蚀速度的增加呈幂指数增加；在试验设定沙流量范围内，冲蚀率随沙流量的增加而减小。（2）钢化玻璃冲蚀率随温湿交变循环次数的增加而增大，而随模拟紫外淋雨年限的延长先减小后增大，但总体变化幅度较小。（3）在紫外淋雨条件下，冲蚀率随冲蚀时间的延长，出现上升和稳态冲蚀两I内蒙古工业大学硕士学位论文个阶段。在低角度冲蚀时，不同模拟紫外年限下冲蚀率相继在30min~40min时进入稳态阶段；高角

6、度冲蚀时，相继在20~30min时进入稳态阶段。（4）通过对紫外光照和未进行紫外光照玻璃的冲蚀试验结果显示，不同冲蚀参数下两者的冲蚀率接近。因此，可不考虑温湿环境下紫外对玻璃冲蚀率的影响。（5）低角度冲蚀时，玻璃损伤主要以切削为主，SEM图中有顺风向的沟槽产生，经环境老化后的冲蚀沟槽深且长；高角度冲蚀时，玻璃的损伤形貌图中出现不规则的断裂凹坑，坑底部及周围出现大量裂纹，经老化后玻璃冲蚀凹坑呈粉碎性断裂，裂纹宽且长。由激光共聚焦显微镜（LSCM）得到不同冲蚀角度下，温湿交变循环后玻璃的冲蚀坑参数均大于未循环玻璃的冲蚀坑参数，冲蚀损伤面随冲蚀角度的增加由椭圆逐渐变为圆形。4、

7、通过田口正交试验分别对温湿交变循环和紫外淋雨作用下的风沙冲蚀试验进行研究，得到冲蚀角度是影响钢化玻璃冲蚀磨损的最主要因素，对冲蚀率的贡献率最大；其次是冲蚀速度，沙流量、循环次数和紫外淋雨年限（试验范围内）对冲蚀率影响最小。5、通过Fluent软件对钢化玻璃的二维模型进行风沙冲蚀模拟，得到不同冲蚀角度下的冲蚀云图、流场速度云图、冲蚀沙粒速度及轨迹图，结合激光共聚焦显微镜（LSCM）的冲蚀轮廓图，分析高速气流对试件的冲蚀过程，并对模拟冲蚀率和试验冲蚀进行对比分析，该模拟结果可为材料的防护提供一定的依据。关键词：温湿交变；紫外淋雨；