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1、TP盖板玻璃强度分析,结构部CAE小组,主要内容,2,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,主要内容,3,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,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3080MPa。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1,2微裂纹产生的原因
2、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1,2,4,玻璃切割过程中边缘产生的微裂纹,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3,5,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10
3、%50%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,玻璃微裂纹的产生,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1,6,7,化学钢化玻璃,国际大厂TP玻璃参数 CS700MPa DOL40um CT在40 80Mpa之间,各大厂家TP玻璃主要为铝硅酸盐玻璃，组分差别不大，影响本征强度
4、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7,8,化学钢化玻璃,化学钢化玻璃表面和边缘理论许用强度,f：失效应力 KIC/(Y*c)：玻璃本征强度，受微裂纹尺寸最大值和尖端曲率半径影响，与裂
5、纹数量无关 CS：表面压应力 CT：中心张应力 X：未知量 对于表面强度，X与DOL,CT,厚度及裂纹形貌等因素有关 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,t为玻璃厚度,化学钢化玻璃,根据 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,9,提高TP玻璃许用强度
6、的途径：在一定范围内提高CS值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其他,厂家根据不同的钢化工艺可以控制CS,CT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8TP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
7、璃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,11,边缘微裂纹受力扩展,裂纹起始源,表面微裂纹受力扩展,整机受扭而出现的裂纹,主要内容,12,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,研究目的意义,13,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盖板玻璃进行落球
8、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CS,CT,DOL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,主要内容,14,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,尺寸测定,本文实验中所用的玻璃样品为康宁2319，小片强化工艺根据相关技术资料，该玻璃原
9、片的=2.42g/cm3，u=0.21，E=71.5GPa。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125*59*0.7（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,T069和T060玻璃样品的CS，DOL值采用
10、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,16,表面应力测定,T069玻璃CT,DOL及CS值,T060玻璃CT,DOL及CS值,边缘质量,17,纯粹从显微图片中很难看出T060和T069两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（ATT,TOL,OGS）玻璃边缘质量好,T060玻璃边缘显微图片 放大倍数 100,T069玻璃边缘显微图片 放大倍数 100,某ATT玻璃边缘显微图片 放
11、大倍数 100,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,测试方法,19,四点弯曲强度实验,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
12、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：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。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 随着玻璃厚度的减薄则应注意再减小治具的跨距,20,四点弯曲强度测试仿真模型,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2,四点弯曲仿真模型,21,落球冲击强度实验,玻璃平放在水平铁块上，钢球按预设高度落在玻璃中部 钢球直径30mm，质
13、量110g 冲击高度为小球底部到玻璃上表面的距离,22,落球冲击强度测试仿真模型,仿真模型中设置钢球距离玻璃上表面0.05mm，按照预设落球高度计算此时钢球的初速度以简化计算机运算过程 钢球和地面设为刚体属性 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4,落球冲击仿真模型,主要内容,23,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,24,TP玻璃材料性能仿真验证（弹性模量验证）,根据上述实验数据，当E=71.5GPa时，模拟得到的弹力与实测弹力误差值很小，与康宁公司提供的材料数据比较符合，可在后续仿真模型中直接使用,取T069玻璃
14、样品6pcs，加压1mm，加压后记录载荷并求均值,25,四点弯曲实验,四点弯曲实验值如下表所示，加载距离为玻璃破碎时的距离，实测弹力为设备传感器读出数值，失效应力按下述公式计算得出,其中P为载荷（实测弹力），L为支撑治具跨距，l为加压治具跨距w为样品宽度，t为样品厚度,T069玻璃四点弯曲实验值,T060玻璃四点弯曲实验值,四点弯曲仿真,26,根据四点弯曲实验玻璃破碎时的加载治具下压量的均值，玻璃的三维尺寸及玻璃的弹性模量E(71.5GPa)值，用有限元仿真的方法进行模拟，得出仿真结果从下图中可以看出：仿真结果与实验结果在整个加载过程的力位移曲线具有比较好的一致性,T069玻璃仿真与实验结果,
15、T060玻璃仿真与实验结果,27,TP玻璃实验与仿真失效应力,从应力云图分布中可以发现，四点弯曲实验时玻璃下表面的边缘处受到最大拉应力，导致边缘微裂纹发生扩展而引起玻璃失效，因而玻璃边缘加工质量对四点弯曲强度值有很大影响,T069玻璃失效时玻璃的应力分布云图,28,四点弯曲,对上述实验结果进行分析可以发现：T069玻璃的实验与仿真失效应力值误差为5.03%，T060玻璃的实验与仿真值误差很小，为0.56%。造成误差的原因包括实验本身，也包括软件本身T069玻璃实验失效强度比T060大60MPa，T069玻璃仿真失效强度比T060大93.1MPa根据第一章节对玻璃强度的分析可知，TP玻璃的边缘失
16、效强度受CS,CT,DOL和裂纹分布等因素的影响，而与厚度无关。四点弯曲实验过程中玻璃下表面的边缘处受到最大拉应力，导致边缘微裂纹发生扩展而引起玻璃失效。（在不考虑“尺寸效应”2,3的前提下）从理论上分析四点弯曲强度与厚度无关。造成T069和T060玻璃边缘失效强度的不同主要原因是二者CS和边缘加工质量不一致，由于T060玻璃CS值比T069大，因而推断T060边缘加工质量要比T069玻璃差应该注意到，在相同破坏强度的前提下，构件所能承受的外力与构件厚度的平方成正比。T069玻璃失效时受到外力为599.79N，T060玻璃失效时受到外力为382.17N。理论上两厚度所受外力的比例关系为(0.6
17、92/0.62)=1.32，实际所受外力比值为599.79/382.17=1.47。在设计时需要注意，若要两者边缘具有相同的抵抗外力冲击能力，则应提高薄玻璃的边缘许用强度值,四点弯曲试验为准静态试验，而实际整机跌落为动态过程多数研究表明，脆性材料在瞬态冲击载荷下的断裂强度要比常规的静态强度高得多9，故一般瞬态应力的峰值达到材料的静态强度并不发生开裂。因而本文在仿真中以四点弯曲得出的准静态边缘强度值来作为动态强度的判据则存在一定不合理的地方但如果将安全系数考虑在内，则本文中得出的边缘强度值仍具有参考价值特别需要注意，上述试验得出的边缘强度范围对小片钢化的TP盖板玻璃适用，但对大片钢化（ATT,T
18、OL或OGS）的TP玻璃不适用,四点弯曲,29,考虑到各厂家TP玻璃钢化程度不一致以及加工水平的差异，结合本文仿真结果，将安全系数考虑在内，则在整机自由跌落仿真过程中，小片钢化TP玻璃边缘最小失效强度范围为：,四点弯曲结论,验证得出康宁2319玻璃的E为71.5GPa四点弯曲实验中应注意选择合适的跨距，使加载的位移力曲线呈线性分布，从而减小实验误差。（我司测试时应使用20-40跨距）实验中T069四点弯曲强度值比T060大60MPa，仿真中四点弯曲强度比T060玻璃大93.1MPa。造成差异的原因主要是二者CS和边缘加工质量不一致从理论分析，玻璃边缘许用强度值与厚度无关，而与CS,CT,DOL
19、及边缘裂纹分布有关若要不同厚度玻璃边缘具有相同的抵抗外力冲击能力，则应提高薄玻璃的边缘许用强度值将安全系数考虑在内，小片钢化TP玻璃边缘最小失效强度范围为：,30,落球冲击实验,31,T069玻璃落球冲击结果,每次实验所用玻璃都为全新玻璃 每个高度样品数为10pcs，共80pcs,落球冲击实验,32,T060玻璃落球冲击结果,每次实验所用玻璃都为全新玻璃 每个高度样品数为10pcs，共80pcs,落球冲击实验,33,65%,TP玻璃冲击高度 破碎概率曲线,TP玻璃冲击能量 破碎概率曲线,从实验结果中可以看出，TP玻璃的落球冲击强度存在一定的离散性，这与脆性材料的强度特点是一致的 T069玻璃的
20、平均冲击高度要明显高于T060玻璃 实验中破碎概率为0%时T060玻璃最大冲击高度为90mm，T069为200mm 钢球的冲击能量为mgh=0.11*9.81*h。从右图中可以看出，在出现破碎时两种厚度的玻璃在相同的冲击能量下破碎概率相差约65%,落球冲击仿真,脆性材料的拉伸强度通常远低于抗压和剪切强度,裂纹的产生和扩展大都是由于拉应力所致。根据赫兹理论9,10，最大拉应力发生在接触圈的法线方向在接触圈的外部，径向应力为拉应力，且在边界r=a处达到最大值，这是各处产生的应力中最大的拉应力。因此，封闭的圆形裂纹从此处开始进行产生和扩展9,10,34,钢球冲击接触玻璃瞬间示意图,冲击高度240mm
21、时T060玻璃表面应力云图,接触圈,落球冲击仿真,35,T069玻璃冲击高度 应力、应变曲线,T060玻璃冲击高度 应力、应变曲线,破碎概率0%,破碎概率0%,仿真分析中我们统计了不同冲击高度下钢球对T069和T060玻璃表面产生的拉应力和拉应变值 从仿真结果中可以看出，对于T069玻璃，冲击破碎概率为0%时表面所产生的最大拉应力和拉应变值分别为686.3MPa和0.98%对于T060玻璃，冲击破碎概率为0%时表面所产生的最大拉应力和拉应变值分别为550MPa和0.75%相同的冲击高度下，钢球对T060玻璃产生的拉应力值比T069玻璃约大34MPa，拉应变值约大0.23%,36,落球冲击,T0
22、69和T060在安全系数很高时（即破碎概率都为0%时）两者应力差值为686.3-550=136.3MPa，即两者许用强度差值为136.3MPa 根据理论推导的TP玻璃表面许用强度公式为，造成T069和T060玻璃许用强度差异的原因与表面加工质量，CS及X值有关。这里的X与不仅与DOL,CT有关，还与厚度有一定关系。由于TP玻璃Z方向厚度很薄，所以冲击造成的表面微小形变对TP玻璃Z方向的应力分布平衡有较大影响，玻璃越薄，这种影响可能越明显。因此对于玻璃表面失效的表征，也需适当参考表面应变值的变化。除了CT值的影响外，从数据分析，T060玻璃比T069玻璃的表面加工质量要差。在相同的冲击力下，钢球
23、对玻璃产生的应力值与玻璃厚度的平方成反比7。假设0.69mm厚的玻璃表面许用强度为750MPa，则0.6mm的玻璃的设计表面许用强度应该达到992MPa，才能使两者承受相同的最大冲击力而不破碎，两者许用强度差值为242MPa。许用强度的提高在第一章节进行过相关介绍，此处不再重复,落球冲击,考虑到各厂家TP玻璃钢化程度不一致以及加工水平的差异，结合本文仿真结果，在安全系数很高时，在整机自由跌落仿真过程中：厚度为0.6mm的TP玻璃表面最小失效强度和应变分别为厚度为0.69mm的TP玻璃表面最小失效强度和应变分别为 随着TP厚度的减小，表面许用强度中的CT值的影响可能会增大，因而应适当减小最小失效
24、强度和应变判据值,37,落球冲击结论,TP玻璃的表面强度相比边缘强度存在较大离散性T069玻璃的平均冲击高度要明显高于T060玻璃，在相同的冲击高度（能量）下二者破碎概率相差约65%在安全系数很高时（即破碎概率都为0%时），T069比T060玻璃的表面许用强度大136.3MPa，这与表面加工质量，CS，CT，DOL及厚度等因素有关仿真中0.6mmTP玻璃表面最小失效强度和应变分别为仿真中0.69mmTP玻璃表面最小失效强度和应变分别为随着厚度的减小，表面许用强度中的CT值的影响可能会增大，因而应适当减小最小失效强度和应变判据值,38,主要内容,39,玻璃强度简介研究目的和意义实验条件和仿真模型
25、结果及分析结论参考文献,实验结合仿真验证得出康宁2319玻璃的E（弹性模量）为71.5GPa造成T069和T060玻璃落球冲击强度差异的原因与表面加工质量，CS，CT，DOL及厚度等因素有关。不考虑尺寸效应的前提下，造成T069和T060玻璃四点弯曲强度差异的原因主要是二者CS和边缘加工质量不一致从理论分析，玻璃边缘许用强度值与厚度无关，而与CS,CT,DOL及边缘裂纹分布等因素有关。玻璃表面许用强度值与表面加工质量，CS，CT，DOL及厚度等因素有关若不同厚度玻璃的许用强度一致，则其抵抗外力的能力与厚度的平方成正比。若要不同厚度玻璃具有相同的抵抗外力冲击能力，则应提高薄玻璃的许用强度值若将安
26、全系数考虑在内，则仿真过程中小片钢化TP玻璃边缘最小失效强度范围为：仿真中0.6mmTP玻璃表面最小失效强度和应变分别为：仿真中0.69mmTP玻璃表面最小失效强度和应变分别为：随着厚度的减小，表面许用强度中的CT值的影响可能会增大，因而在仿真中应适当减小最小失效强度和应变判据值,40,全文结论,主要内容,41,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,参考文献,玻璃工艺学M,西北轻工业学院,1982玻璃表面微缺陷与离子交换表面改性的研究D,付静,中国建筑材料研究院,2001无机材料物理性能M,清华大学,1992CORNING Gorilla Glass Produc
27、t Information(2319)RGlass Strength and FailureR,Corning technology Center,2005Introduction of“Dragontrail”GlassR,ACG ElectronicsConsideration of Thickness and Strength for Cover GlassRIntroduction of AGCs New Glass（Dragontrail TM)R等效冲击方法研究硬质颗粒对玻璃的冲击损伤J,包亦望,航空材料学报,1998冲击载荷作用下陶瓷面板破碎机理的研究J,杜忠华,弹箭与制导学报,2006,42,The End,结构部CAE小组,
