水族箱玻璃厚度计算

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首刊在《Aquarium World》 2001年2月刊

介绍

本文中文翻译版权归水族驿站相关译者所有。鱼友免费参阅,如将本文中文版用于任何商业用途,请联系水族驿站相关译者,译者将从中获益。 长期以来,水族箱到底需要多厚的玻璃,一直没有明确的答案。有很多针对特定尺寸水族箱玻璃厚度的表格和指导意见,这些建议的主要缺陷在于没有对玻璃的安全厚度给出计算方法。本文是针对那些考虑水族箱玻璃安全厚度的读者的,包括计算的公式。不过本文也只是给大家建议,并不能保证所有的公式都适用。因为我们只是基于压力的计算,而没有考虑水族箱在设计和粘贴过程中的失误。

玻璃的特性

玻璃是非常脆的材料,弯曲变形的能力远远低于金属材料。当弯曲到一定程度就会破裂。因此,使其弯曲的力的大小就是我们计算玻璃厚度的因素。玻璃的拉伸强度也有很大变数,针对统一制造样本的检验就证明了这一点(see specifications for glass, – Tensile Strength 19.3 to 28.4MPa)。玻璃的张力也很弱,超过临界值后即会形成破裂,没有延展性。玻璃不能永久变形,在其破裂之前也不会给我们什么征兆。 玻璃还有个重要的特性,它能承受的冲击性载荷是其能承受一般载荷的两倍,(例如:用手十分用力的敲击)。这个特性使很多水族箱在偶然的冲击下不会被破坏。 基于上述特性,制造玻璃水族箱时要考虑很多安全因素,才能决定其厚度。一般要考虑的因素在3.8(安全因素值在后面的计算中要引入)。当然,这里没有考虑玻璃质量问题的因素。划痕和破碎处是导致破碎的主要因素,某点应力过于集中也是很危险的。因此我们常会在水族箱底部垫一张聚苯乙烯泡沫。 再有,粘贴水族箱时,粘贴处玻璃至少要留出0.5-1毫米的距离,因为玻璃在被切割后边缘时不整齐的,除非经过特殊的工艺。如果玻璃质量很好,没有内部应力,设计者可以降低玻璃的风险系数。 钢化玻璃(Toughened glass)比标准玻璃要坚固很多。然而,钢化玻璃不能被切割,因此如果使用钢化玻璃就要在最开始定制所需尺寸的钢化玻璃。普通玻璃在21度时的破裂温差大约是55度。钢化玻璃的破裂温差大约是250度。钢化玻璃的拉伸强度也是普通玻璃的5倍。然而普通玻璃制作水族箱也有优势,当破裂时,它一般会垂直或对角破裂,而钢化玻璃则会像汽车风挡玻璃一样完全破碎。 玻璃比大多数金属的线性膨胀系数低得多。当水族箱使用金属边框时,了解这一点很重要。它们需要在相近的温度下制作和使用。水族箱的长度将决定粘合剂的使用。硅胶是最常用的粘合物。粘合处硅胶的厚度要根据粘合长度决定。一般的经验法则是每米增加2-3mm厚度。这能弥补玻璃和金属之间膨胀系数的差别。

玻璃物理特性:

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密度:约2.5在21°C

线膨胀系数:86×10-7M/°C

软化点:730°C 弹性模量:E=69GPa(69×109帕)在稍后的计算公式中药引入

泊松比:0.22〜0.23浮法玻璃

抗压强度:25毫米体积:248MPa(248×106帕)

拉伸强度:19.328.4MPa持续载荷 计算中会用到

(钢化玻璃)拉伸强度:175MPa。

设计考虑:

以下的计算方法是根据水族箱四个侧面的压力来计算的,没有计算玻璃黏贴处的硅胶的厚度是否适当。典型的玻璃水族箱是完全用硅胶粘贴的,因此所有黏贴处都在无时不刻的承受所有压力,但用金属框架的水族箱就完全没有这方面的压力,硅胶只用于密封。

底部玻璃计算方法是另一种算法。这种算法是基于水族箱底部无良好均匀支持的情况。一般情况下,水族箱底部很难达到超平,需要用泡沫一类物质垫一下,这样使得重量显得不太重要了。 在蓄水前有个问题一定要搞清楚。如果水族箱底部玻璃的支撑只是四个边框的话,则需要使用第二组计算方法。当然,这种设计也可以用在水族箱底部有较好的面支撑,而且可以显著提高安全系数。如果底部足够均匀,底部玻璃可以与侧面最厚的玻璃采用同样厚度。这样的设计需要水族箱底部支撑承担很大一部分压力,因此,底部支撑必须很坚固。 注意:本文中所提及玻璃厚度是基于水面不超过玻璃上边缘,如果玻璃是作为水族箱的窗体,则不在本文描述范围内。

计算:

22 使用的术语:

长度(L)(mm)

宽度(W)(mm):水族箱由前至后。

高度(H)(mm):水的总深度,但不超过玻璃的上边缘。

厚度(T)(mm):厚度的玻璃。

水压力(P):在牛顿(N)的力。

允许的弯曲应力(B):拉伸强度/安全系数

弹性模量(E):弹性强

长度与高度的比值影响力的玻璃的强度。下表列出了α和β常数是基于长度与高度的比值。

计算中使用的α和β常数 33副本 当比值小于0.5,使用0.5 当比值大于3,使用3。 水的压力(p)直接与高度(H)成正比,系数是重力加速度,约值是10,如果想更精确些就用9.81。 p = H x 10 in N/mm2 允许的弯曲应力(B)是相等的拉伸强度的玻璃/安全系数。 B = 19.2 / 3.8 = 5.05N/mm2 (安全因素Safety factor = 3.8)

前面和侧面玻璃计算: 玻璃的厚度(t)=(宽度因子(β)×高度(H)立方x0.00001/许用弯曲应力(B)的平方根。

t = SQR (βx H三次方 x 0.00001 / 5.05) in mm.

在之前的表中选择α、β

弯曲Deflection =

(α x water pressure (p) x 0.000001 x Height四次方) (Modulus of elasticity (E=69000) x Thickness (t) cubed).

弯曲Deflection =

(α x p x 0.000001 x H四次方) / (69000 x t三次方) in mm.

例如: (Warren的新缸) 长 = 3000mm 高 = 950mm

安全因子 = 3.8 L/H >3 因此β = 0.37 α= 0.067

p = 950 x 10 = 9500N/m2

侧面厚度:

t = (0.37 x 950三次方 x 0.00001 / 5.05)的平方根 = 25.06mm

挠度(弯曲)

Deflection = (0.067 x 9500 x 0.000001 x 950四次方) / (69000 x 25三次方) = 0.48mm

底部玻璃计算: 计算底部玻璃厚度时稍有不同。β变成了长度和宽度的比值。Length/Width (因为长度总是最大的边,所以,这个值应该总是大于等于1). 高度H依旧用来计算压力。计算时要确认使用了底部的α、β查表值。

底部厚度(t)

t = (βx H三次方 x 0.00001 / 5.05) 平方根in mm 从表中查得值代入。

挠度(弯曲)Deflection

Deflection = (α x p x 0.000001 x H四次方) / (69000 x t三次方) in mm.

例如: (Warren的新缸) 长L = 3000mm 宽W = 900mm 高H = 950mm

安全因子 = 3.8 L/W >3 因此 β = 0.7134 and α= 0.1335

p = 950 x 10 = 9500N/m2

底部玻璃厚度:

t = ((0.7134 x 950三次方 x 0.00001) / 5.05)平方根 = 34.8mm

挠度(弯曲)

Deflection = (0.1335 x 9500 x 0.000001 x 950四次方) / (69000 x 34.8三次方) = 0.355mm

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自动计算的excel表格下载地址:http://fnzas.org.nz/uploads/media/GlassThicknessCE.xls

好东西。算算我的缸。

非常有用,可以算算了,

@木坔埊 把你的水族箱尺寸给我,我给你算下。

辛苦啦。越来越专业

@Kunsito 各位支持驿站也好辛苦。哈哈

@yangsha 1280690660 单位(mm)麻烦了,谢谢!

正面玻璃安全厚度13.49mm 最大弯曲度0.41mm 底面玻璃安全厚度17.85mm 最大弯曲度0.32mm

@木坔埊 正面玻璃安全厚度13.49mm 最大弯曲度0.41mm 底面玻璃安全厚度17.85mm 最大弯曲度0.32mm

@baboon 老大,你给做个自动计算器吧。

@yangsha 谢谢!不过我现在是全15厘玻璃粘的,四周是磨45度斜边。还没有试水,最近太忙了,等有空在试水。

@yangsha 肯定做啦!

@木坔埊 文中的方法计算,是指底部没有良好平面支撑的条件,所以你的缸可以不用那么厚。

@yangsha 我的是开放式鱼缸,没有加拉筋

@木坔埊 一般老外会在缸顶部粘一周的拉带,保持开放的同时,又起到拉紧作用。

这是我最想知道的问题也是我最不想看的文章,yangsha以后我问你了。你看懂了就可以。我提着公式我头都大了。

@请叫我刘佳男 baboon会编个计算的网页的

@木坔埊 这文很深,看了两次都没明白,给点时间吧

@baboon 不会吧,要不要我传给你一份手写的公式,在电脑上看是很不习惯。其实公式很简单

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