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1、TP盖板玻璃强度分析 结构部CAE小组主要内容 玻璃强度简介 研究目的和意义 实验条件和仿真模型 结果及分析 结论 参考文献2主要内容 玻璃强度简介 研究目的和意义 实验条件和仿真模型 结果及分析 结论 参考文献3 玻璃微裂纹 随着智能手机屏幕的不断增大，玻璃成为整机结构设计中重要的结构件之一。而在破坏性 实验过程中，整机跌落测试常会出现TP盖板玻璃破裂的情况 普通平板玻璃的理论强度大于10000MPa，但测试结果表明，玻璃的实际强度只有30 80MPa。影响玻璃实际强度的因素:如存放环境、表面机械加工、样品尺寸、机械划伤以及 内部缺陷气泡、结石等，其中微裂纹的存在对玻璃实际强度影响最大12
2、微裂纹产生的原因可归纳为内部缺陷、表面反应和表面磨损，但对强度影响较大的主要是 玻璃外表面的微裂纹12 玻璃切割过程中边缘 产生的微裂纹 4玻璃微裂纹的产生 玻璃表面 玻璃原片采用熔融溢流法或浮法工艺制备，新制备玻璃的天然表面微裂纹数 量很少，尺寸很小 机械加工减薄研磨，抛光，致使表面微裂纹的大量产生 环境大气中的H2O，致使玻璃表面发生应力腐蚀而产生微裂纹3 玻璃表面 开裂 水分子 玻璃表面 5玻璃微裂纹的产生 玻璃边缘 机械加工所致，其中包括切，磨，CNC ，钻孔及抛光等。尤其是对玻璃进行机 械切割，钻孔将导致边缘产生尺寸较大 的微裂纹2 环境大气中的H2O，致使玻璃表面 发生应力腐蚀 高
3、质量的抛光能有效减小玻璃表面微裂纹尺 寸，高质量的抛光与不抛光玻璃原片的强度 差异可达到1050左右2 一般而论，上下表面经过精抛光减薄后，微 裂纹尺寸较小且数量较少，而边缘由于机械 加工导致裂纹尺寸相对玻璃表面较大，且数 量相对较多，因而要重点关注边缘裂纹情况化学钢化玻璃 TP盖板玻璃是玻璃原片经过化学增加处理后得到的 化学增强法是在一定的温度下把玻璃浸入到高温熔盐中，玻璃中的碱金属离子与 熔盐中的碱金属离子因扩散而发生相互交换，使玻璃表面（边缘）形成一定厚度 的压应力层，压应力层使裂纹不易扩展，从而提高了玻璃的强度16 CS：表面压应力值 国际大厂TP玻璃参数 DOL：压应力层深度 CT：
4、中心张应力值 CS700MPa CS DOL40um DOL 厚 CT在40 80Mpa之间 度 CS CT DOL 化学钢化玻璃厚度方向应力分布图 7化学钢化玻璃 f：失效应力 KIC/Yc：玻璃本征强度，受微裂纹尺寸最大值和化学钢化玻璃表面和边缘理论许用强度 尖端曲率半径影响，与裂纹数量无关 CS：表面压应力 CT：中心张应力 K IC X：未知量 f CS X 对于表面强度，X与DOL CT 厚度及裂纹形貌等 Y c 因素有关 对于边缘强度，X与DOL CT及裂纹形貌等因素有 关 注：化学钢化玻璃强度影响因素繁多，无法用具体的公 式来衡量；CT如何影响玻璃强度尚未收集到相关资料 各大厂家
5、TP玻璃主要为铝硅酸盐玻璃，组分差别不大，影响本征强度的主要是微裂纹尺寸 微裂纹尺寸的离散分布导致了玻璃强度大小不一，离散度较大3 玻璃厚度一定，则CS值越大，玻璃表面和边缘强度越高7。但CS值不能无限增大。根据CS与CT之间的 关系（见下式），CS在增大的同时，CT值也在不断增大，玻璃产生“自爆”的几率也会变大 CT值大于玻璃的本征强度时，玻璃将发生自爆 由于边缘微裂纹尺寸大于表面，因而当DOL值大于边缘微裂纹尺寸最大值时，则DOL对表面和边缘强度 影响不大。当DOL值小于边缘裂纹尺寸最大值时则对强度有较大影响7 CS DOL CT t 2 DOL t为玻璃厚度 8化学钢化玻璃 根据 P t
6、 2 7，构件在受到相同载荷的情况下，其所受的应力值与构件厚度平方成反 比 对于TP玻璃，若要求两种不同厚度的玻璃具有相同的最大承载能力（承受外力冲击能力 ），则厚度小的玻璃应该提高许用强度值。假设某种0.7mm厚TP玻璃的许用强度值为 700MPa，则其他厚度玻璃的许用强度值如下表所示 厚度（mm） 0.7 0.6 0.55 0.5 0.4 具有相同许用强度时所能 承受最大载荷（a.u.） 1 0.73 0.62 0.51 0.33 具有相同最大承载能力时 所要求的许用强度（MPa） 700 959 1129 1373 2121 提高TP玻璃许用强度的途径： 1. 在一定范围内提高CS值 2
7、. 提高表面和边缘加工质量，减小裂纹尺寸最大值，增大裂纹尖端曲率半径 3. 其他 9 厂家根据不同的钢化工艺可以控制CSCT及DOL值，在这三个数值的控制上各个厂家都相 对成熟，可在满足三者关系的前提下（按前述公式）控制三者的数值大小8 TP玻璃表面和边缘的裂纹分布情况因各厂家加工水平而异，受各厂家加工设备和加工工艺 影响。上述因素将共同影响TP玻璃的许用强度值 就TP玻璃而言，上下表面经过精抛光减薄后，微裂纹尺寸较小，而边缘由于机械加工导致 裂纹尺寸相对玻璃表面较大，导致玻璃边缘的强度要比表面强度低 综上所述，对于玻璃整体而言，边缘失效强度要低于表面失效强度。整机自由跌落实验过 程中TP玻璃
8、的失效大多数是由边缘裂纹受力扩展所致。在用户实际使用过程中则TP玻璃的 失效有边缘裂纹受力扩展情况，亦有表面裂纹扩展的情况情况。因此需分别研究玻璃的表 面强度和边缘强度 10市场出现的TP玻璃破裂案例 表面微裂纹受力扩展 裂纹起始源 整机受扭而出现的裂纹 裂纹起始源 边缘微裂纹受力扩展11主要内容 玻璃强度简介 研究目的和意义 实验条件和仿真模型 结果及分析 结论 参考文献12研究目的意义 在我司先前的整机跌落仿真计算中，TP盖板玻璃的失效判据没有明确，致使仿真结果不 能很好地指导实际整机设计。因而有必要对TP盖板玻璃的仿真失效判据进行研究 本文通过对0.69mm和0.6mm两种厚度的TP盖板
9、玻璃进行落球冲击实验，四点弯曲实验 及相应的仿真模拟，得出了TP盖板玻璃在相应实验条件下的失效应力应变，可在后续 相关破坏性实验仿真中作为失效判断的大体依据。 本文还对不同厚度玻璃的落球冲击强度及四点弯曲强度的差异进行分析，为后续TP玻璃 的选择提供了依据 如前所述，TP玻璃强度受CSCTDOL及裂纹分布等因素影响，不同厂家样品的这些数值 都不一致。本文实验中所用样品来自不同厂家，故本文得出的强度数据是在特定样品条 件下得出，并不具有普遍性 13主要内容 玻璃强度简介 研究目的和意义 实验条件和仿真模型 结果及分析 结论 参考文献14尺寸测定 本文实验中所用的玻璃样品为康宁2319，小片强化工
10、艺 根据相关技术资料，该玻璃原片的2.42g/cm3，u0.21，E71.5GPa。化学钢化之后玻 璃的，u，E值均有微小变化，为简化研究过程，在本实验中这些细微变化不予以考虑 0.69mm和0.6mm玻璃样品（T069和T060）外形一致（如图所示），只是厚度不一致。打 样厂家分别为广州星星光电和惠州比亚迪 T069玻璃样品5pcs，利用三次元测量三围尺寸并求均值，为125590.7（其中油墨厚度 0.01，玻璃实际厚度0.69）。考虑到油墨对强度几乎没有影响，因而在后续仿真模拟中玻 璃的整体厚度以0.69计算 T060玻璃样品5pcs，利用三次元测量厚度求均值，为0.6 15表面应力测定
11、T069和T060玻璃样品的CS，DOL值采用表面应力仪测定，CT值通过CS和DOL值按前述 公式计算得出，测试样品数量为5pcs，结果取均值，如下表所示 从测试结果可知T069和T060玻璃样品CS均值相差80.2MPa，CS值得差异会对强度结果产 生一定影响 T069玻璃CTDOL及CS值 T060玻璃CTDOL及CS值 T069编号 CSMPa DOL（m） CTMPa T060编号 CSMPa DOL（m） CTMPa 1 764.90 46.20 59.13 1 844.70 38.20 61.63 2 756.10 46.50 58.89 2 840.30 38.20 61.31
12、3 761.30 46.50 59.30 3 841.10 38.10 61.18 4 763.20 47.30 60.63 4 839.30 38.00 60.87 5 759.60 46.30 58.87 5 840.70 38.10 61.15 均值 761.02 46.56 59.36 均值 841.22 38.12 61.23 标准差 3.40 0.43 0.73 标准差 2.06 0.08 0.28 16边缘质量 T060玻璃边缘显微图片 T069玻璃边缘显微图片 某ATT玻璃边缘显微图片 放大倍数 100 放大倍数 100 放大倍数 100 纯粹从显微图片中很难看出T060和T0
13、69两种不同厂家玻璃边缘质量的差异，但 从上图可以看出，小片钢化玻璃的边缘质量要比大片钢化（ATTTOLOGS）玻璃 边缘质量好 17测试方法 玻璃强度常用测试方法5 三点弯曲：准静态测试，玻璃常规抗折强度表征 四点弯曲：准静态测试，弯曲强度表征，强度数值主要由玻璃边缘加工质量决定 双环强度测试：准静态测试，玻璃表面强度表征，不受边缘加工质量影响 落球冲击：动态测试，玻璃表面冲击强度表征 整机自由跌落过程中TP玻璃处于动态运动的过程，因而在本实验中，利用落球 冲击试验对玻璃表面强度进行研究。由于没有很好的动态测试方法表征玻璃的边 缘强度，因此在本实验中利用四点弯曲强度值表征玻璃的边缘强度 18
14、四点弯曲强度实验 玻璃放置时与支撑，加载杆垂直 每片玻璃实验完后用毛刷清理支撑杆 和加载杆上的碎玻璃颗粒，以免对下次实 验造成影响 测定边缘强度时将玻璃压碎为止，记 录此时加压治具加压载荷（弹力）和加压 距离 注： 20mm 四点弯曲强度公式是在应力应变呈线性分布时推 导出来的。 Glass 本实验中使用的支撑加载杆跨距为40-20，若使 用64-32跨距则由于加载的位移力曲线不成线性而 导致公式和仿真计算值出现较大误差 40mm 随着玻璃厚度的减薄则应注意再减小治具的跨距 19四点弯曲强度测试仿真模型 四点弯曲仿真模型 按照实验条件建立四点弯曲模型 支撑治具和加压治具设为刚体属性 玻璃赋值相应材料属性 玻璃单元类型：C3D8I 玻璃网格划分MESH值0.8，层数为2 20