光彈法檢測真空玻璃真空度是實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析中的一種基本方法，是基于力學(xué)基礎(chǔ)之上的，在介紹該方法前，首先對真空玻璃內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)作簡單的分析。

1、真空玻璃支撐應(yīng)力分析

　　雙層真空玻璃在外部大氣壓作用下，將產(chǎn)生很大的應(yīng)力和變形。為保證玻璃不因大氣壓而產(chǎn)生過大的應(yīng)力，在真空玻璃內(nèi)部放置許多金屬支撐物如圖1所示，玻璃與支撐物相互作用抵消了玻璃內(nèi)外大氣壓差帶來的附加外力。顯然，當(dāng)大氣壓差越大時(shí)，支撐物與玻璃的相互作用力越大，而且支撐力的大小與氣壓差成線性比例關(guān)系。為分析真空玻璃支撐點(diǎn)處的應(yīng)力分布特征，根據(jù)真空玻璃結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將真空玻璃每點(diǎn)支撐區(qū)域劃分為一個單元進(jìn)行受力分析，其一個單元的受力力學(xué)理論計(jì)算模型可簡化為圖2所示。

圖2 真空玻璃的支撐應(yīng)力模型圖

　　單元模型可認(rèn)為是四邊固支，在均布壓力q及支撐力F 的作用下，最大應(yīng)力將出現(xiàn)在玻璃與支撐物支撐點(diǎn)處，計(jì)算公式計(jì)算如下：

　　式中：a，b 分別為真空玻璃支撐點(diǎn)的橫向和縱向距離；F = qab；t為單片玻璃厚度；r 為支撐物半徑；A、B、B1 分別為系數(shù)，當(dāng)a /b= 1時(shí)，A= 0.0138，B= 0.1386，B1 = 0.1386。

　　根據(jù)上述計(jì)算公式，支撐點(diǎn)位置處產(chǎn)生的最大應(yīng)力與真空玻璃支撐物排列距離、方式、支撐物大小，真空玻璃單片玻璃厚度及真空度有關(guān)。顯然，當(dāng)真空玻璃結(jié)構(gòu)確定時(shí)，支撐處的最大應(yīng)力應(yīng)與玻璃的內(nèi)外壓差成正比。

　　根據(jù)上面的理論計(jì)算方法，筆者對一真空玻璃樣品進(jìn)行了計(jì)算，并同時(shí)對其進(jìn)行了有限元分析，真空玻璃為鈉鈣普通玻璃，E = 72 GPa，v =0.22，玻璃單片厚度為4 mm，支撐物為不銹鋼，直徑為0.4 mm，支撐物長寬間距分別為3 cm. 根據(jù)上面的理論公式進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為Rmax=11.057 MPa，有限元分析結(jié)果得到Rmax =11.9MPa，兩者誤差相差7.62%，有限元得到的等效應(yīng)力分布圖見圖3。由上面的計(jì)算及分析結(jié)果表明，支點(diǎn)處會產(chǎn)生應(yīng)力集中，該處應(yīng)力最大，由玻璃內(nèi)外壓差而帶來的附加力基本上呈均勻狀態(tài)分布于真空玻璃內(nèi)部的各個支點(diǎn)上，各支點(diǎn)處的最大應(yīng)力均在玻璃設(shè)計(jì)強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。

圖3 ANSYS模擬真空玻璃支撐等效應(yīng)力云圖

2、光彈法檢測真空度的基本原理

　　根據(jù)上面對真空玻璃應(yīng)力分析，我們知道在真空玻璃支撐物與玻璃支撐位置處會產(chǎn)生應(yīng)力集中，該位置玻璃應(yīng)力最大。而且最大應(yīng)力與玻璃的真空度有關(guān)，當(dāng)玻璃真空度完全損失時(shí)，它們之間的作用力也完全消失。根據(jù)光彈性原理，材料在外力作用下會產(chǎn)生臨時(shí)雙折射現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象是可以通過光彈儀觀測得到的。圖4為通過光彈儀觀測到一單片玻璃厚為4mm，支撐點(diǎn)間距為3 cm的雙層真空玻璃的應(yīng)力光斑，光斑為梅花形狀，應(yīng)力光斑的形狀與大小與該處的主應(yīng)力值有關(guān)。

圖4 通過光彈儀觀測到真空玻璃應(yīng)力光斑圖

　　我們知道，在支撐物與玻璃相互接觸位置點(diǎn)處為三向應(yīng)力狀態(tài)，在該接觸點(diǎn)取一微小單元體，在支撐物與玻璃的接觸面上，有接觸應(yīng)力R3，由于R3 的作用，單元體將向周圍膨脹，于是引起周圍玻璃對它的約束應(yīng)力R1 和R2。由于實(shí)際支撐物結(jié)構(gòu)尺寸很小，因此，支撐點(diǎn)處可以把支撐力看作為集中荷載，玻璃看作半無限大平面體。根據(jù)接觸理論，垂直作用在表面原點(diǎn)上的集中力P 在接觸點(diǎn)附近平面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力按如下公式計(jì)算：

　　顯然，接觸點(diǎn)附近處的應(yīng)力狀態(tài)中：R1 = Rx，R2 = Ry，R3 = Rz.根據(jù)光彈性原理，在等差線上，條紋存在如下關(guān)系

　　式中：C 為應(yīng)力光學(xué)常數(shù)；K為光波波長；d 為玻璃厚度；N 為條紋值。由公式(2)及(3)可知

　　由公式(6)可以看出，在x，y平面內(nèi)，當(dāng)x= y時(shí)，R -R2 = 0，沒有應(yīng)力條紋，R1-R2 分布形狀為梅花型分布，因而應(yīng)力光斑也應(yīng)是梅花形狀的，這與圖5見到的應(yīng)力光斑圖類似。光斑是因光程差產(chǎn)生的，其大小和形狀和該點(diǎn)的主應(yīng)力差值有關(guān)，也和玻璃厚度有關(guān)，當(dāng)用相同光源照射同樣品種的真空玻璃，只要真空玻璃真空度發(fā)生衰變，那么就會導(dǎo)致接觸點(diǎn)主應(yīng)力差值發(fā)生改變，從而導(dǎo)致光斑形貌大小改變。

3、光彈法在線檢測真空玻璃真空度操作方法及應(yīng)用

　　為實(shí)現(xiàn)在線對真空玻璃真空度檢測，本方法需要一臺便攜式光彈儀，將光彈儀置于真空玻璃表面上，用肉眼可以觀察到支撐應(yīng)力光斑的大小和分布形狀。通過橫向比較法和縱向比較法可以對真空玻璃的真空度進(jìn)行定性或半定量測量.一般情況下，同一真空玻璃工程各真空玻璃的尺寸、規(guī)格及實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)基本上是相同的，但當(dāng)某塊真空玻璃真空度衰變甚至完全損失時(shí)，則其應(yīng)力光斑大小將相對于其它真空玻璃會變小，圖5是通過試驗(yàn)觀測到不同真空度下同一真空玻璃對應(yīng)的應(yīng)力光斑圖，由圖可以看出，不同真空度下，觀測到的應(yīng)力光斑從分布狀態(tài)、尺寸大小和光斑亮度都不同. 真空度損失越大，則應(yīng)力光斑越小，越暗，有的支撐點(diǎn)處還看不到光斑。真空度完全失去時(shí)，應(yīng)力光斑完全消失。

圖5 不同真空度下的真空玻璃應(yīng)力光斑圖

　　因此，通過光斑的分布及形貌，并與相同條件下完好無損的真空玻璃的光斑進(jìn)行比較，就可以知道哪塊真空玻璃的真空度是否出現(xiàn)衰變及衰變程度，特別是對那些真空度衰變嚴(yán)重甚至完全損失的真空玻璃，更能一眼識別出來，從而對其進(jìn)行維修或更換。該方法最大的特點(diǎn)是操作簡單，結(jié)果直觀，檢測價(jià)格低廉，易于對工程在線適時(shí)觀測。