Эта статья основана на презентации [1], сделанной автором в ходе научной конференции «Инженерная прозрачность», которая проходила во время Международной выставки стекольной промышленности GLASTEC 20–21 октября 2016 года в Дюссельдорфе [2].
В настоящее время гнутое стекло пользуется большим интересом и широко используется в современной архитектуре, оно позволяет создавать прозрачные фасады и покрытия любой формы [3-17]. В последние годы панели значительных размеров изогнутые (в двух плоскостях) также привлекают внимание представителей морской индустрии. Это в первую очередь относится к дизайнерам роскошных яхт, которые уделяют особое внимание как внешней форме корпуса, так и эстетике интерьера.
Кроме того, современные тенденции направлены на использование большого остекления, беспрепятственного обзора из интерьеров роскошных комнат и в то же время современных округлых внешних форм.
Традиционное остекление на яхтах сводится к небольшим размерам окон, плоских, обычно монтируемых в прочных, «тяжелых» стальных рамах (фото 1). Напротив, гнутые панели, изготовленные по современным технологиям, позволяют создавать остекление, не нарушаемое оконными рамами, которые своей формой в то же время вписываются в округлую форму корпуса (фото 2).
Рис. 1. Традиционное остекление на яхтах
Рис. 2. Современные стеклянные панели значительных размеров
Правила оформления стеклянных окон на яхтах существенно отличаются от конструкции стеклянных фасадных элементов зданий. Например, конструкция здания опирается на монолитные железобетонные фундаменты, а стеклянный фасад является лишь наполнителем для этой конструкции [7]. Даже в случае повреждения здание сохраняет свою целостность и, после надлежащей защиты поврежденного фасада, не представляет угрозы для его использования. В случае яхты повреждение остекления является гораздо более серьезной проблемой, так как это может привести к потере герметичности и даже к потоплению установки.
Кроме того, требования к безопасности и путям эвакуации на судах, безусловно, являются более строгими, поэтому конструктивные элементы, которые также могут включать в себя все остекление, должны характеризоваться адекватной несущей способностью и достаточно высокими факторами безопасности.
Однако самая большая разница между зданиями и судами заключается в нагрузке, действующей на их внешние элементы. В основных стандартах проектирования яхт можно найти ударные нагрузки от морских волн, которые могут быть даже в сто раз выше, чем типичные ветровые нагрузки для зданий [1, 18-21].
Поэтому стеклянные элементы пломб на яхтах должны быть очень долговечными не только при их нормальной эксплуатации, но и в случае повреждения одного (или нескольких стекол) в стеклянном ламинате. Как и в случае со зданиями, существуют также документы для их проектирования для других компонентов яхты.
Вопрос о правилах проектирования стеклянных элементов сосудов очень сложен. Существуют международные документы, которые, согласно названию, применяются во всем мире, но вы можете найти ряд противоречивых документов, опубликованных отдельными странами и различными морскими организациями. Учитывая, что устройство может быть произведено в стране, отличной от флага страны, в которой оно работает, а также с учетом того факта, что оно может плавать в разных водах по всему земному шару, выбор соответствующих правил имеет решающее значение и в то же время очень сложный.
Обзор стандартов и правил
Соответствующая классификация судна определяет последующие правила, которые, в зависимости от его размера, могут сильно различаться. Предметом статьи являются крупные морские яхты, поэтому в этом разделе в основном будут обсуждаться положения, касающиеся этих судов.
Для начала необходимо определить, что, согласно регламенту, лежит в концепции большой яхты. А именно, в соответствии с положениями Международной конвенции по тоннажу [22], крупные яхты — это те, у которых длина корпуса больше (или равна) 24 м. Кроме того, в этом документе определяются требования к их использованию в спорте и отдыхе и требования к водоизмещению до 3000 тонн.
Общие положения, касающиеся остекления больших морских яхт, цитируются в двух документах: Международная конвенция о грузовой марке (ICLL), опубликованная Международной морской организацией в 1966 году [23], и ISO-11336-1: 2012 Большие яхты. Стандарт прочности, атмосферостойкости и водонепроницаемость остекленных проемов [21], опубликованная в 2012 году Международной организацией по стандартизации.
Последний был создан в результате сотрудничества специалистов по дизайну яхт, представителей стекольной промышленности и членов различных морских организаций. Это произошло в основном из-за отсутствия соответствующих правил и в то же время растущего интереса к крупногабаритным стеклянным пломбам на больших яхтах.
Документ ICLL содержит многочисленные требования к коммерчески используемым судам. В то же время ст. 5 исключает прогулочные яхты, не занятые в коммерческих целях. Следовательно, можно сделать вывод, что эти положения не распространяются на крупные частные яхты. Однако в большинстве случаев крупные яхты арендуются из-за их высокой цены, поэтому следует предположить, что они используются в коммерческих целях. Поэтому применение положений к ним наиболее оправдано.
Что касается стекла, в документе обычно указывается, что сплошные или открытые порталы и другие остекленные отверстия в корпусе должны иметь соответствующую толщину в зависимости от их размера и расположения на судне. Кроме того, эти элементы должны иметь сертификат, выданный соответствующими учреждениями.
По сравнению с ICLL ISO 11336-1 предоставляет более подробную информацию о стеклянных пломбах. Прежде всего, он дает подробные спецификации для элементов в зависимости от их расположения в корпусе. Стандарт также дает значения нагрузки, для которых должны быть разработаны отдельные элементы. Он включает в себя разделение на зоны нагрузки и значения нагрузки, которые зависят от типа и длины устройства (рис. 1, таблица 1). Минимальная нагрузка от воздействия волны составляет 15 кНм 2 (для верхней палубы), в то время как для носа и борта яхты это значение может достигать 100 кНм 2 (для парусной яхты длиной 70 м).
Табл. 1. Значения нагрузки, вызванные ударом волны, в зависимости от типа яхты и длины устройства (для носа и сбоку устройства) [21]
Рис. 1. Различные зоны нагрузки от воздействия морской волны [21]
Стандарт ISO 11336-1 представляет подход к проектированию с высоким запасом прочности (таблица 2). Например, для закаленного стекла, наиболее часто используемого в морской промышленности, предел прочности при растяжении составляет всего 40 МПа. Для сравнения, европейские стандарты (для зданий), для кратковременных нагрузок, дают значения порядка 80 МПа [18-20].
Табл. 2. Прочность материалов, используемых на яхтах [21]
Кроме того, значение прочности, согласно ISO 11336-1, зависит только от типа стекла, независимо от продолжительности нагрузки и местоположения максимального напряжения (поверхность или кромка). Таким образом, можно считать, что документ относится к наименее благоприятному случаю расположения напряжений (на краю стекла и длительной загрузке). Однако, несмотря на очень консервативный подход, стандарт ISO 11336-1 допускает аттестацию стекла посредством лабораторных испытаний. Таким образом, анализ предполагает прочность стекла, что является результатом исследований [18-20].
Использование стекла в морской промышленности
Стеклянные панели, используемые на больших яхтах, должны соответствовать трем основным критериям: грузоподъемность, эстетичность и удобство использования. На рис. 2 представлена схема этих аспектов в зависимости от типа стекла, доступных размеров, возможностей изгиба и использования функциональных покрытий.
Рис. 2. Критерии для стеклянных панелей в зависимости от типа стекла, доступных размеров, вариантов изгиба и использования функциональных покрытий
В зависимости от прочности материала мы различаем стекло: отожженное, термически упрочненное, термически упрочненное и химически упрочненное. Для нагрузок, действующих на яхты, только термостойкое и химически закаленное стекло обладает достаточной прочностью. Однако функциональные покрытия нельзя наносить на поверхность химически закаленного стекла, что ограничивает его использование. Кроме того, производство этого стекла очень дорогое.
Поэтому в морской отрасли практически единственно возможным решением является термически закаленное стекло, которое едва соответствует другим, упомянутым ранее критериям. Он доступен только в изогнутой плоскости и изготавливается по технологии дорогостоящего горячекатаного стекла.
Технология холодного гнутого и многослойного стекла, которая является предметом данной статьи, была создана в ответ на потребности клиентов в качестве более дешевой альтернативы горячему гнутому стеклу, которое дополнительно предлагает свободу формы панели. Этот метод включает в себя первоначальный изгиб закаленного стекла (термически) вместе с неактивной фольгой в специальной, предварительно подготовленной форме (рис. 3а, 3б).
Следующим этапом является помещение пакета в автоклав, где пленка активируется во время процесса ламинирования и сохраняет свою форму после высвобождения пакета из формы. Панели, изготовленные по этой технологии, характеризуются любой формой, с ограниченным размером панелей, который определяется размером закалочной печи и размером автоклава. В этой технологии можно использовать стекло с ранее нанесенными функциональными покрытиями, которое идеально соответствует критериям для стеклянных панелей, применимых на яхтах (рис. 2).
Рис. 3. Дальнейшие этапы технологии гнутого и многослойного стекла [1]
Холодное сгибание и многослойное стекло — это новая технология, поэтому все еще требуются исследования и анализ, чтобы узнать о механизмах, которые возникают не только во время высвобождения упаковки из формы после ламинирования, но, прежде всего, поведения при длительном использовании.
Наиболее важным явлением, которое наблюдалось до настоящего времени, является потеря исходной криволинейной геометрии после освобождения пакета от формы и последующей релаксации. Первым эффектом, который можно наблюдать, является эффект отскока ламината после удаления его из формы (рис. 3в). Позднее со временем наблюдается медленная потеря геометрии (уплощение) панели. Этот эффект еще более ускоряется при повышенных температурах.
Причиной этого явления являются вязкоупругие свойства материала пленки, используемой для ламинирования стекла. Поэтому, чтобы правильно спроектировать элемент с желаемой формой, необходимо провести численное моделирование, учитывающее эти механизмы.
Численный анализ
В этой части статьи представлены допущения и результаты численного анализа стеклянной панели (изогнутой в одной плоскости), изготовленной по технологии холодногнутого стекла и ламинированной. Предполагается, что эта панель заполнит сторону яхты на верхней палубе.
Особое внимание было уделено анализу эффекта упругого возврата и изменения модуля Юнга (жесткости) пленки SentryGlas (SGP) под воздействием повышенной температуры и длительной нагрузки, возникающей в результате первоначального изгиба листа, который имеет тенденцию возвращаться к своей первоначальной (плоской) форме. Кроме того, моделирование учитывает одновременное напряженное состояние, возникающее в результате остаточных напряжений и воздействия внешней волны.
В анализах принималась упаковка 5 × 12 мм с пленкой SGP толщиной 1,52 мм. На рис. 4 показана геометрия рассматриваемой панели.
Рис. 4 Геометрия и структура панели [1].
Анализ описывает поведение стекла с использованием соединений с линейной упругостью (E = 70 ГПа, ν = 0,23). Пленка SGP обладает очень вязко-упругим поведением, что означает, что ее механические параметры сильно зависят от температуры и продолжительности нагрузки. На рис. 5 показана зависимость модуля Юнга от этих параметров. Тогда как на рис. 6 представлена зависимость коэффициентов, рассчитанных как ESGP / 628 МПа, от температуры, где ESGP означает модуль Юнга для диапазона температур 20 ÷ 80 ° C для нагрузок продолжительностью 10 лет, тогда как значение 628 МПа является начальным значением модуля упругости, используемого в II этап анализа (при условии температуры 20 ° С и продолжительности нагрузки 1 с).
В технологии холодного изгиба и многослойного стекла кривизна элемента полностью зависит от жесткости слоя пленки, поэтому предполагается, что это нагрузка, которая длится все время. Коэффициент Пуассона был выбран опытным путем, в зависимости от температуры и продолжительности нагрузки, основываясь на литературных источниках.
Рис. 5. Значение модуля Юнга для ПГП пленки в зависимости от температуры и продолжительности нагрузки [1]
Рис. 6. Изменение коэффициента, рассчитанного как ESGP / 628 МПа, в зависимости от температуры [1]
Задача моделировалась в плоском напряженном состоянии, а симметрия модели использовалась для уменьшения числа конечных элементов и сокращения времени расчета. Первоначальный изгиб стеклянной панели (до процесса ламинирования) был выполнен с помощью изгибающего момента, приложенного к оси симметрии модели. Предполагалось, что расчетная модель поддерживается свободно, это упрощение по отношению к реальным условиям поддержки панели (зажимы и другие способы иммобилизации панели в форме). Чтобы проанализировать процесс ламинирования и последующее поведение рассматриваемой панели в течение длительного времени использования, было использовано несколько этапов:
Этап I — Изгибание элемента для достижения предполагаемой формы (с использованием примененного изгибающего момента). Стеклянные панели и фольга работают независимо друг от друга. Принимая во внимание эффекта весенних оК , начальная кривизну , чтобы быть больше , чем приблизительно от 20 до 25% от мишени в соответствии с соотношением M = EI / R. Значение кривизны определялось методом проб и ошибок. На данном этапе пленка имеет нулевую жесткость.
Этап II — Моделирование процесса ламинирования. Фольга активируется, ее механические параметры материала (модуль упругости и коэффициент Пуассона) устанавливаются на 1 с и температура 20 ° С. На этом этапе в фильме нет изгибающих напряжений.
Этап III — освобождение элемента от формы. На этом этапе изгибающий момент (примененный ранее) освобождается.
Этап IV — Моделирование процесса релаксации (длительная нагрузка).
Этап V — Моделирование удара волны. Соответствующая нагрузка применяется к элементу. Результаты и обсуждение
Изменение радиуса кривизны и высоты дуги является мерой изменений, которые происходят после того, как ламинат высвобождается из формы (эффект возврата), а также последующей релаксации пленки с течением времени. Эти показатели были проанализированы на всех этапах анализа. Изменения представлены для диапазона температур 20 ÷ 80 ° C, то есть условий, которые могут возникнуть во время использования панели (рис. 7). Кроме того, на рис. 8 показан процент потери высоты дуги при тех же условиях.
Рис. 7. Изменение радиуса изгиба панели и высоты дуги на последующих этапах анализа [1]
Первое наблюдение, которое нужно сделать, — это анализ величины эффекта возврата. Этот анализ показывает, что его значение составило 2,3 мм, что соответствует 3,2% от исходного значения. Такое небольшое изменение может удивлять, но оно согласуется с результатами исследований, доступными в литературе [24]. Тем не менее, дальнейший анализ и проверка с помощью лабораторных испытаний являются оправданными.
Анализируя график на фиг. 7 и 8, можно увидеть, что высота арки сильно зависит от изменения температуры. При температуре около 50 ° С его потеря составляет около 3,7%, что соответствует значению 4,8 мм. Однако при температуре выше 60 ° C эта величина увеличивается до 15,3%, что связано с резким уменьшением модуля Юнга пленки SGP.
Рис. 8. Потеря высоты арки при повышенных температурах [1]
На последнем этапе анализа была применена нагрузка от воздействия морской волны. Его значение (32 кПа) было определено на основе [21]. На этом этапе консервативно предполагалось, что температура ламината составляет 70 ° C, а продолжительность нагрузки от удара — 1 с. Такая ситуация может возникнуть при обычном использовании яхты, например, во время шторма.
На рис. 9 представлен график профиля напряжения изгиба по толщине элемента, напряжения от начального изгиба листа (в процессе его изготовления) и действие внешней нагрузки представлены отдельно. Кроме того, конечные напряжения были рассчитаны как суперпозиция их значений.
Рис. 9 Профиль напряжения после толщины ламината [1]
Максимальное значение растягивающего напряжения, полученного в результате анализа, составляет 59 МПа, что является безопасным значением по сравнению со значением допустимого напряжения для стекла, равным 80 МПа [18-20].
Дополнительные численные моделирования были проведены для анализа вопроса о том, как толщина панели влияет на значение высоты дуги (количество панелей в ламинате). Анализ показал, что более толстые панели показывают более низкие значения пружинения и релаксации с течением времени. Это наблюдение подтверждается лабораторными исследованиями.
Вывод
Представленные в статье исследования посвящены анализу гнутых стеклянных панелей по технологии холодного гнутого и многослойного стекла. В основном они касаются анализа эффекта упругости и релаксации пленки под воздействием повышенной температуры и длительной нагрузки.
Кроме того, был проведен анализ состояния стресса во время кратковременной нагрузки, которая является воздействием морской волны. На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:
- стеклянные панели, изготовленные по технологии холодного изгиба и многослойного стекла, обладают желаемыми характеристиками: высокая прозрачность, высокие эстетические показатели и высокая несущая способность;
- из-за остаточного напряжения, создаваемого в процессе производства, эта технология используется для панелей с небольшим радиусом изгиба;
- численный анализ панели размером 5 × 12 мм показал, что комбинированный эффект упругого возврата и последующая релаксация панели под воздействием высокой температуры и длительной нагрузки составили соответственно 3,2% и 15,2%;
- при разработке элементов в этой технологии следует одновременно учитывать действие остаточных напряжений (возникающих в результате производственного процесса) и напряжений, возникающих в результате воздействия внешних нагрузок;
- Анализ показал, что меньшее количество панелей в ламинате приводит к снижению значения потери формы (эффект возврата и релаксация панели с течением времени).
В численном анализе использовалась упрощенная модель панели, согнутой в одной плоскости. При этом учитывалось плоское напряженное состояние и линейно упругий пленочный материал. Чтобы полностью понять потенциал и поведение изогнутых панелей в двух плоскостях, необходимо выполнить полный трехмерный анализ наряду с продвинутыми моделями материалов. Результаты, представленные в статье, основаны на упрощенной численной модели и определенных допущениях, поэтому эту модель следует проверить лабораторными испытаниями.
