汽车玻璃开裂机理分析及优化设计

勾玉涛，刘景亮，李爽

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

汽车玻璃开裂机理分析及优化设计

勾玉涛，刘景亮，李爽

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

通过分析玻璃自身内应力、生产工艺缺陷及外部应力的冲击，剖析造成汽车风挡玻璃开裂的可能因素。特别应用强度理论对玻璃内应力的产生与扩散形式进行了分析，利用有限元法分析了车身局部刚度及模态频率较低对汽车玻璃开裂的影响，并提出降低汽车玻璃破裂率的解决方案。

夹层玻璃；开裂；应力；模态分析；优化

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-08-04

引言

汽车玻璃是直接关系到乘客安全的重要零部件。如果出现开裂现象更会严重威胁驾驶员的安全，并且风挡玻璃的维修工时及难度也相对较大。为深入研究玻璃开裂的静态特性及破坏机理，文献[1]从玻璃杂质的应力释放所引起的自爆现象做了深入分析，文献[2]应有有限元法仿真验证了外力冲击对玻璃的破坏现象。

本文中，针对某款汽车前风挡玻璃发生批次性开裂现象，且均为夹层玻璃的外片、下边缘面起开裂。以此为案列，从玻璃自身材料与内应力入手，并通过排查以车身刚度及模态为主的外界因素，分析玻璃开裂的潜在因素并提出优化设计方案。

1、汽车玻璃自爆因素分析

1.1 玻璃自身因素

玻璃在成型过程中是一种经高温熔融、冷却而固化的非晶态产品。由于模具因素、加热参数的影响，会造成不同区域产生温度梯度的不同，最后形成玻璃内部热应力。玻璃表面及边缘面与空气接触冷却速度相对内部较快，因结构收缩而产生压应力层，内部则形成了平衡表面压应力的张应力层。如图1、图2所示，分别为局部玻璃热应力示意图及厚度方向截面a-a应力分布图。

图1中A区域就是风挡玻璃成型过程中托架模具与玻璃接触的地方，受模具温度影响，此处玻璃表面的冷却速度相对较慢，所以形成较小压力层，成为内部张应力最大处。

图1 局部断面内部热应力示意图

图2 厚度方向截面a-a应力层分布图

玻璃也会因其中存在结石、条纹或化学成分不均匀而产生结构应力。结构应力中属硫化镍结晶物(NiS)所产生的应力对玻璃开裂的影响最大[3]。其相变温度在379 ºC，不同于一般物质热胀冷缩的特性，硫化镍从高温状态的α-NiS六方晶系转变为低温状态β-NiS三方晶系过程中，伴随出现2%-4%的体积膨胀。玻璃在加热成型过程中，硫化镍全部转化为高温相，在随后的冷却过程中，高温相来不及转变为低温相，从而被冻结在玻璃基体内部。但在室温环境下，不稳定的高温相有逐渐转变为低温相的趋势，这种内部膨胀的转变使玻璃承受巨大的相变张应力。

根据线弹性理论，这种张应力主要由温差、膨胀系数及弹性系数所决定。其应力值可通过下式表示[1]：

式中：

n,m—分别代表颗粒和基体；

E,α,v,—弹性模量、膨胀系数与泊松比。

以上公式表明，玻璃在加热成型后的降温过程中，因为硫化镍结晶体受冷膨胀的物理特性，其周围的挤压应力逐渐增大，产生较大的应力集中。根据第一强度理论[4]，这些应力集中区域可能直接导致玻璃的自爆。由于该处的应力总是大于其它区域，即使没有达到强度极限，当受到一定的外力或变温时，破裂也总是会从该处开始。

因此玻璃的自然开裂一般情况下是由于内部热应力或结构应力超过强度极限所致。

式中：

σγ—径向应力；σt—切向应力；

a—颗粒半径；r—球对称的轴坐标；

P—颗粒与玻璃基体间正压力，可表示为：

1.2 外部因素

玻璃所承受的机械应力是指对其能产生应力冲击或引起内应力变化的外力作用。若受到的机械应力过大，就会直接造成玻璃的破裂。风挡玻璃接收机械应力的因素有很多，其中玻璃周围的车身局部刚度不足是主要风险点。如图3所示，为案例车的白车身加装风挡及周围件后，利用CAE分析手段进行模态分析[5]。

图3 车身模态分析

分析中，60Hz频率内模态为4阶，其中第4阶局部模态最明显，此时振动频率为56.0Hz。由仿真结果易知，如车辆在颠簸路面或高速行驶时，车身前端局部振动或扭曲严重，会导致玻璃受扭转力矩而发生形变。

如图4所示，玻璃受扭转力矩时受力简图，因玻璃边缘处受应力最大，所以取边缘表层单元体A-B-C-D，各面上的应力分布如图5所示[4]：

图4 玻璃受扭转力简图

图5 单元体各面应力图

假设σx=σy=0，τxy=τ（即内部无应力状态），讨论就变为了扭转力矩产生的纯剪切应力状态。切应力由下式得：

式中：Me—扭矩 单位，τ—切应力

Wt—抗扭截面系数

把式（4）代入式（5），得单元体主平面的极限应力值σmax与σmin。规定由x轴转到主平面法线的夹角为α（逆时针为正），由式：

得α0=-45°或α0=-135°。

即从x轴起，α0=-45°与α0=-135°度确定的主平面上应力为σmax与σmin。并按照主应力的记号规定，得σ1=σmax=τ，σ2=0，σ3=σmin= -τ。所以纯剪切应力状态下，两个主应力的绝对值相等，但一个为拉应力，一个为压应力。

以上证明，玻璃单元体可因外部扭转力矩的作用，产生附加拉应力。如扭转中心及应力发生方向恰与玻璃应力集中的区域重合，根据强度理论[5]，单元体最大拉应力达到了材料的强度极限，引起玻璃开裂。

另一种机械应力导致的断裂失效是其存在微裂纹的情况下，从断裂力学的角度讲，这里的微裂纹不仅指宏观的、肉眼可见的裂纹。材料中的一些内部缺陷如夹杂物、气孔等，也可近似地看作裂纹[6]。所以可以应用线弹性断裂力学的理论及公式来描述玻璃存在微裂纹时，受外力情况下的断裂行为[6]。应用公式：

式中：

K1—应力强度因子，单位为MPa·m1/2；

σn—与裂纹平面相垂直的外加应力；

Y —修正系数，如试样几何尺寸有关；

α—几何参数，如裂纹的半长。

由上式可知，外应力（机械应力）σn越大，裂纹尖端的应力强度因子K1也逐渐增大，当K1增大到临界应力强度因子KIC时，就能使裂纹前沿的内应力大到足以使材料分离，并使裂纹出现“失稳扩散”现象，导致试件断裂。

因此，不管玻璃是否存在微裂纹等失效因素，来自外界的机械应力达到材料的断裂韧性时都可能造成玻璃的开裂或断裂加剧。

2、优化措施

2.1 玻璃自身应力控制

抽取50片故障批次玻璃在未安装时，应用反射式边缘应力仪（仪器型号：VRP-100）对其进行应力检测[7,8]，检测点布局如图6所示，并根据《GB-9565 汽车安全玻璃》[9]中张应力≤7MPa，压应力≥4MPa的规定，对所有样本中各检测点的最大张应力值及最小压应力值进行统计，结果如图7所示。

图6 玻璃应力检测点示意图

由检测结果可知，张应力均符合设计标准≤7MPa，但处在检测点⑮左右的边缘张应力已基本接近标准极限，且此位置恰与故障车玻璃开裂位置吻合。为调整张应力尽量小于标准极限，通过调整模具加热温度及时间，特别是成型过程中玻璃在模具上的边缘留边量，使玻璃边缘应力远离极限值。

图7 应力检测曲线图

在原料及熔融设备中，少量镍或其它杂质元素会无意中引入熔融炉，使硫化镍等杂质的合成更加容易。所以受生产工艺的控制，完全消除结构应力很难实现。但通过除镍、少硫的工艺控制，尽量避免使用镍元素含量过高的合金机械及添加剂，用天然气代替重油作为燃料，可有效减少结晶杂质的合成[10]。

针对夹层玻璃仅外片开裂的故障现象，在文献[2]与文献[11]中已提到。外力冲击波在刚性过小的PVB层被大部分反射而成为拉伸波，使冲击侧玻璃拉伸应力超过强度极限而断裂。另一侧玻璃所承受冲击波所剩较少而不会发生断裂或断裂延时。

裂口发生过程如离散元模型图8所示：

图8 玻璃开裂的离散元仿真图

正是这种破坏机理与本文中案例车的破坏现象相同，更证明了本文查找的风挡玻璃开裂原因，一定还存在着外界因素的参与。

2.2 车身刚度及模态的优化

上文已提到车身局部刚度不足是可能的故障原因。因此对前挡玻璃周围车身进行局部加固，如图9所示，在风挡下端支撑梁上增加3组焊接支架，起到支撑加固的作用[12]。

图9 前端模块与局部放大图

加固后对车身进行局部模态分析，如图10所示，左、右侧分别为加固前、后的1到3阶模态分析对比图。由图可知，加固后的模态频率都有所增加，且60Hz内模态减少为3阶，其下端车身振动幅度都相对减小。

图10 加固后车身模态分析对比图

对于车身静刚度的检测，同样应用CAE分析手段，在整车上对风挡下端支撑梁，由Z负方向施加100N/m的均布载荷，对比支架安装前后的静刚度变化情况。其支撑梁在载荷作用下位置—位移曲线如图11所示：

图11 支撑梁局部静刚度变化曲线

经优化后，车身局部模态频率较低及静刚度不足的缺陷都得到有效改善，降低了前档玻璃因车身刚度不足而产生过大附加张应力的风险。

2.3 其它外界因素控制

车身振动过程中，周围附件(如进气格栅)随车身振动时，会瞬时冲击其与玻璃接触点，所以必要时应增加玻璃包边条，减少硬质件直接与玻璃接触的风险。

玻璃表面及边缘面易因加工过程或运输方式不当而造成划痕、炸口、微裂纹等应力集中的缺陷。所以使用正确的运输及保护措施、避免整车装配过程中的暴力操作、加强产品检验，避免风险产品流入市场等，也都是必须采用的有效措施。

因为可能导致玻璃开裂的因素很多，所以探索其根本原因是一个非常复杂的过程，包括密封胶的膨胀系数过大而收缩不均等本文中未提及的复杂因素[13]。

3、结论

（1）本文根据强度理论，通过分析玻璃内应力产生与扩散形式、外部应力冲击及生产工艺缺陷，分析出其开裂机理为玻璃所受各向应力达到其强度极限。

（2）通过分析热应力与结构应力的产生形式，从模具设计、工艺参数及设备选材上对生产过程进行控制，避免结晶杂质的产生，降低边缘张应力的大小。

（3）利用有限元法，证明了车身局部刚度与模态频率较低对玻璃裂纹的干扰，以及外应力达到材料断裂韧性时对玻璃开裂的较大影响，并提出了合理有效的优化方案。

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Analysis of automotive glass' cracking mechanism and optimal design

Gou Yutao, Liu Jingliang, Li Shuang
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

By analyzing internal stress of the glass, the production process defects and the impact of external stress, possible factors causing the crack of car windshields are studied. The theory of strength is especially applied to analyze the formation and diffusion mode of the internal stress of the glass. The local rigidity of the car body and low mode frequency also influence on the crack of automotive glass, which is analyzed by finite element method. And the way to reduce the crack of automotive glass is carried out.

laminated glass; crack; stress; modal analysis; optimize

U462.1

A

1671-7988 (2017)08-08-04

勾玉涛，就职于华晨汽车工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.004