合頁結(jié)構(gòu)形式對(duì)平開窗變形及疲勞壽命的影響

閻玉芹王成付樹壯劉陽唐浩晨

(山東建筑大學(xué)門窗與幕墻研究所，山東濟(jì)南250101)

0 引言

合頁主要用于平開門窗連接門窗框和扇，實(shí)現(xiàn)了門窗的啟閉功能，是平開門窗的承重部件[1]。目前，平開門窗用合頁主要有平板合頁和角部鉸鏈2種結(jié)構(gòu)形式。隨著時(shí)代的發(fā)展，各類新材料、新技術(shù)陸續(xù)出現(xiàn)在人們的生活當(dāng)中。新技術(shù)的應(yīng)用使得門窗的功能已經(jīng)不再僅僅是通風(fēng)、采光，隔音、安全、舒適、美觀逐漸成為門窗功能的新消費(fèi)元素[2]。近年來，角部鉸鏈憑借精致小巧、易于隱藏等優(yōu)勢(shì)，已逐步成為未來門窗用合頁的一大發(fā)展方向，但卻遲遲未取代傳統(tǒng)平板合頁，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因主要有:(1)角部鉸鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸細(xì)小，零件質(zhì)量及組裝工藝要求高；(2)角部鉸鏈安裝過程繁瑣，對(duì)施工人員技術(shù)水平要求高，且后期維護(hù)成本高昂；(3)角部鉸鏈承重能力不足，無法用于大尺寸開啟扇。

目前，關(guān)于門窗性能的研究仍停留在材質(zhì)、表面質(zhì)量、結(jié)構(gòu)組合及受力分析等階段，而對(duì)于合頁對(duì)門窗變形影響及其疲勞壽命分析的理論研究相對(duì)較少[3]。Zhang等[4]對(duì)一種多鉸鏈—側(cè)柱—板系統(tǒng)進(jìn)行裝配分析，對(duì)門窗五金系統(tǒng)的裝配成功率完成了有效預(yù)測(cè)。傅世宇[5]結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，分析了門窗合頁結(jié)構(gòu)對(duì)門窗功能保障的重要性，提出提升門窗合頁功能的對(duì)策和建議。黃鋒[6]從碰撞和聯(lián)接強(qiáng)度入手，探討了內(nèi)平開窗、外平開窗和上懸窗在風(fēng)壓作用下，關(guān)鍵受力零件強(qiáng)度的計(jì)算，推導(dǎo)出內(nèi)平開窗與撐擋碰撞位置在距合頁軸約2/3扇寬時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸可有效避開撞擊力，并成功運(yùn)用到產(chǎn)品研發(fā)的設(shè)計(jì)計(jì)算中。韋俊[7]針對(duì)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討了市面上各種隱藏式鉸鏈的結(jié)構(gòu)以及材料選用，提出整體式的連接件、添加玻璃纖維等方式可顯著提升鉸鏈承重性能及使用壽命，研究表明連桿和鉸鏈座鉸鏈承重的2大薄弱環(huán)節(jié)。

合頁在承受門窗扇重量后勢(shì)必會(huì)引起門窗整體系統(tǒng)的變形，合頁使用是否合理對(duì)門窗變形的影響十分關(guān)鍵。此外，合頁作為門窗系統(tǒng)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，其應(yīng)用頻率高、執(zhí)行動(dòng)作單一，導(dǎo)致受周期載荷作用，因此疲勞損壞在門窗五金系統(tǒng)中非常普遍，疲勞壽命作為機(jī)械零件的一個(gè)重要特性，直接反映零件的耐久性。對(duì)分別安裝平板合頁和角部鉸鏈的相同規(guī)格尺寸的2類平開窗，文章利用 ANSYS Workbench[8]模擬了仿真窗扇開啟角度變化時(shí)，在自重及風(fēng)荷載共同作用下，合頁結(jié)構(gòu)形式對(duì)窗變形的影響；分析了平板合頁安裝位置、使用角部鉸鏈時(shí)中間鉸鏈安裝位置與窗變形量之間的關(guān)系；研究了合頁(鉸鏈)的疲勞壽命，分析了2類零件在疲勞特性方面的差別，以期為門窗合頁的研發(fā)及合理應(yīng)用提供具有借鑒意義的理論依據(jù)。

1 模型建立和仿真方案設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)體模型建立

以65型平開窗為研究對(duì)象，窗扇寬為600 mm，扇高為900 mm，玻璃選用6+12A+6+12A+6三玻兩腔中空玻璃，型材采用歐標(biāo)U槽五金槽口。

利用SolidWorks建立實(shí)體模型，建模過程中對(duì)窗型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，排除圓角、膠條、傳動(dòng)器五金件等對(duì)仿真結(jié)果影響不大的因素，最終得到的窗型截面如圖1所示。

圖1 65型平開窗截面圖

為了研究平板合頁、角部鉸鏈及中間鉸鏈對(duì)靜力作用下窗性能的影響[9]，建立了3類零件的實(shí)體三維模型，如圖2所示。

圖2 合頁的三維模型圖

1.2 仿真模型建立

根據(jù)65型平開窗的規(guī)格尺寸以及截面形狀，在SolidWorks中建立所需平開窗的三維模型，并以.x_t文件形式保存，導(dǎo)入ANSYS Workbench中，選擇mm為長(zhǎng)度單位。

材料屬性窗框、窗扇型材選用PVC[10]，執(zhí)手、合頁支承座材料選用鋅合金，合頁其他組成零件選擇Q235，增強(qiáng)型鋼材料選用Q235，具體參數(shù)見表1。

表1 平開窗各組成部分材料屬性表

網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分，如圖3所示，設(shè)置相關(guān)度為80、中等平滑迭代、快速網(wǎng)格過渡以及中等跨度角中心級(jí)別[11]。

圖3 窗戶網(wǎng)格劃分示意圖

對(duì)窗框四周施加固定約束，整體模型施加豎直向下的重力荷載及垂直于窗扇外側(cè)面的均布風(fēng)荷載。假設(shè)平開窗安裝于濟(jì)南市區(qū)距地面50 m高度處，平開窗所受風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值為1.51 kN/m2[12]。

1.3 仿真方案設(shè)計(jì)

為了分析不同結(jié)構(gòu)形式的合頁對(duì)所選用的65系列平開窗變形的影響，分別對(duì)裝配平板合頁和角部鉸鏈的2類窗型進(jìn)行仿真分析。角部鉸鏈因其獨(dú)特的直角狀外形，只適用于安裝在扇框上下角部區(qū)域，無法調(diào)節(jié)兩角部鉸鏈間距；平板合頁安裝位置可調(diào)節(jié)。為便于比較平板合頁與角部鉸鏈對(duì)窗變形的影響，選擇窗上安裝2個(gè)平板合頁的形式。

1.3.1 變形仿真方案

對(duì)安裝有角部鉸鏈和平板合頁的2類窗型，按照下列3種方案分析研究窗的變形情況:

(1)窗扇開啟角度α變化時(shí)，合頁結(jié)構(gòu)形式對(duì)窗變形的影響

分別模擬分析窗扇開啟角度α(如圖4所示)為 0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°等 7 種情況下，裝配角部鉸鏈的窗與角部區(qū)域安裝平板合頁的窗在自重和風(fēng)荷載共同作用下的變形情況。

圖4 平開窗窗扇開啟角度α示意圖

(2)平板合頁間距對(duì)窗變形的影響

平板合頁預(yù)設(shè)間距如圖5所示，h為平板合頁距窗扇邊緣距離、a為窗扇高度。對(duì)于安裝平板合頁的窗，以窗扇水平中心軸對(duì)稱安裝平板合頁，分別模擬分析在各預(yù)設(shè)窗扇開啟角度α下，h分別為1/8a、1/7a、1/6a、1/5a、1/4a、1/3a時(shí)[13]，在自重和風(fēng)荷載共同作用下，窗變形的情況。

圖5 平板合頁預(yù)設(shè)間距示意圖

(3)中間鉸鏈安裝位置對(duì)窗變形的影響

對(duì)安裝有角部鉸鏈的窗，選取窗扇開啟角度α為60°時(shí)的整窗模型作為研究對(duì)象，以窗扇的中軸線為基準(zhǔn)，預(yù)設(shè)7種中間鉸鏈布置位置，如圖6所示(①～⑦)，分別模擬這7種情況下，在自重和風(fēng)荷載共同作用時(shí)窗的變形情況。

圖6 中間鉸鏈位置分布示意圖

1.3.2 疲勞壽命仿真方案

結(jié)構(gòu)失效的一個(gè)常見原因就是疲勞損壞。門窗使用過程中，勢(shì)必會(huì)引起合頁(鉸鏈)的疲勞損壞，疲勞壽命可直接反映機(jī)械零件的耐久性[14]。門窗的五金對(duì)門窗的氣密性、水密性、抗風(fēng)壓性以及反復(fù)啟閉等性能有著至關(guān)重要的作用[15]。目前，我國(guó)關(guān)于門窗合頁(鉸鏈)反復(fù)啟閉性能要求為:門合頁(鉸鏈)反復(fù)啟閉100 000次，窗合頁(鉸鏈)反復(fù)啟閉25 000次后試件應(yīng)無嚴(yán)重變形或損壞，且能正常啟閉[16]。對(duì)安裝平板合頁與角部鉸鏈的2種窗型進(jìn)行疲勞模擬分析，選取整窗模型進(jìn)行自重和風(fēng)荷載作用下的靜力分析，并于后處理中添加“疲勞工具”。為了清楚地表達(dá)合頁的疲勞特性，分析過程中選擇將窗框、窗扇、玻璃及執(zhí)手等零件作隱藏處理，分析平板合頁與角部鉸鏈在疲勞壽命、疲勞敏感曲線及安全系數(shù)等方面的差別。

2 合頁結(jié)構(gòu)形式對(duì)平開窗變形的影響

窗扇變形將直接影響門窗的使用性能、密封性能、保溫性能等[17]，分析過程選取變形量作為模擬結(jié)果，為方便對(duì)比不同窗型的形變，以最大變形量Δmax作為評(píng)判指標(biāo)，對(duì)2類窗型7組開啟角度及6種平板合頁間距對(duì)窗變形的影響進(jìn)行仿真研究。

2.1 平板合頁和角部鉸鏈對(duì)窗變形的影響

窗扇開啟角度α分別為 0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°時(shí)，相同合頁(鉸鏈)安裝位置的2類窗型在自重和風(fēng)荷載共同作用下的最大變形量Δmax隨窗扇開啟角度α變化如圖7所示。平板合頁對(duì)稱布置在上下角部的窗型在自重及風(fēng)荷載作用下，Δmax隨α的變化曲線波動(dòng)較大，曲線呈現(xiàn)出不規(guī)律變化趨勢(shì)，最大值與最小值的比值約為1.4。但平板合頁窗型在不同窗扇開啟角度下的Δmax均值僅為角部鉸鏈窗型的88.6%，平板合頁對(duì)減小窗戶變形量的作用較明顯。配置角部鉸鏈的窗型中，Δmax隨α的變化曲線較平滑，曲線波動(dòng)較小，變形量最大值與最小值間比值僅為1.15。因而可判斷配置角部鉸鏈的窗型變形較平穩(wěn)，窗扇開啟角度對(duì)平開窗變形的影響較小。

圖7 窗最大變形量隨窗扇開啟角度變化折線圖

選取的2類窗型在不同窗扇開啟角度情況下，窗變形模擬云圖(為方便觀察，將玻璃隱藏處理)如圖8所示。65型平開窗在自重及風(fēng)荷載作用下，最大變形量出現(xiàn)在窗扇外側(cè)，不論是角部鉸鏈還是平板合頁配置的窗型中，該現(xiàn)象均有發(fā)生。對(duì)比圖8中的6張變形模擬云圖不難發(fā)現(xiàn)，裝配角部鉸鏈的窗型中，最大變形區(qū)域(圖中較深色區(qū)域)分布范圍略小，而在裝配有平板合頁的窗型中，整個(gè)窗扇外邊框的變形量幾乎同時(shí)達(dá)到了最大值。

圖8 不同窗扇開啟角度下變形模擬云圖

綜上所述，對(duì)于上下角部區(qū)域?qū)ΨQ布置平板合 頁的窗型，窗扇開啟角度對(duì)窗戶變形的影響明顯，變化波動(dòng)大，開啟過程對(duì)窗產(chǎn)生的沖擊性較大[18]，平板合頁對(duì)減小窗戶變形量的效果更好。對(duì)于配置角部鉸鏈的窗型，窗扇開啟角度所引起的窗戶形變變化波動(dòng)小，開啟過程對(duì)窗產(chǎn)生的沖擊性較小，窗扇開啟角度并不是影響窗戶變形的主要因素；窗扇外框出現(xiàn)最大變形的幾率較小，窗戶穩(wěn)定性更高。

2.2 平板合頁安裝位置對(duì)窗變形的影響

以窗扇中軸為中心對(duì)稱安裝平板合頁，當(dāng)平板合頁與窗扇邊緣距離h分別為 1/8a、1/7a、1/6a、1/5a、1/4a、1/3a時(shí)，分別在7種窗扇開啟角度時(shí)計(jì)算平板合頁窗型在自重和風(fēng)荷載共同作用下的窗戶Δmax，并取平均值Δ-max，得到的Δ-max模擬數(shù)據(jù)見表2。

表2 平板合頁窗型在不同合頁間距下窗戶最大變形量平均值表

由表2可以看出，對(duì)于對(duì)稱布置平板合頁的窗型，窗戶變形量隨合頁間距的變化較平緩，變形量?jī)蓸O值間比值僅為1.01，合頁間距對(duì)窗戶變形的影響程度較小，平板合頁安裝位置并不是影響窗戶變形的主要因素。

2.3 中間鉸鏈安裝位置對(duì)窗變形的影響

在安裝角部鉸鏈的窗中，依據(jù)圖5所示點(diǎn)位依次加裝中間鉸鏈，在自重及風(fēng)荷載共同作用下，窗扇開啟角度α=60°，中間鉸鏈位于不同位置時(shí)，窗的變形模擬云圖如圖9所示(為方便觀察，將玻璃隱藏處理)?？梢园l(fā)現(xiàn)，配置角部鉸鏈的窗型中加入中間鉸鏈后，在自重及風(fēng)荷載作用下，窗戶最大變形量Δmax仍出現(xiàn)在窗扇外框，但是與未采用中間鉸鏈的窗型相比，其值出現(xiàn)了明顯下降，最大降幅達(dá)到了9.2%。將圖10中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，得到Δmax隨中間鉸鏈位置變化折線圖，如圖10所示。中間鉸鏈安裝在窗扇中軸線以上位置時(shí)，Δmax比中間鉸鏈安裝在中軸線以下區(qū)域產(chǎn)生的最大變形量更小。安裝角部鉸鏈的窗中增加中間鉸鏈后，窗的變形量也小于安裝平板合頁的窗。

圖9 中間鉸鏈安裝位置不同時(shí)窗的變形模擬云圖

圖10 窗戶最大變形量隨中間鉸鏈位置變化圖

綜上所述，在配置角部鉸鏈的窗型中加入中間鉸鏈后，Δmax產(chǎn)生了明顯減小，中間鉸鏈對(duì)于減小窗戶變形具有顯著作用。為了得到控制形變的最佳效果，建議將中間鉸鏈安裝在窗扇中軸線以上區(qū)域。

3 合頁結(jié)構(gòu)形式的疲勞壽命分析

根據(jù)整窗實(shí)際工作情況，計(jì)算窗戶在自重及風(fēng)荷載共同作用下的疲勞特性，選擇疲勞強(qiáng)度因子Kf值為1，設(shè)置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命為1.0×109次循環(huán)[19]。對(duì)模型進(jìn)行疲勞分析，根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)合頁為模型疲勞壽命的薄弱環(huán)節(jié)。為了更加清楚地展示合頁的疲勞狀況，將模擬結(jié)果中的窗框、窗扇、玻璃及執(zhí)手等零件進(jìn)行隱藏處理，平板合頁和角部鉸鏈的疲勞壽命模擬云圖及疲勞敏感曲線分別如圖11、12所示?？梢钥闯?，平板合頁的疲勞壽命最小值為128 050次循環(huán)，遠(yuǎn)大于角部鉸鏈，而角部鉸鏈疲勞壽命最小值為12 887次循環(huán)，僅為平板合頁的10.1%。當(dāng)平板合頁在承受＜0.65倍的荷載作用時(shí)，其疲勞壽命不受影響，呈現(xiàn)無限壽命狀態(tài)，壽命值為1×106次循環(huán)，當(dāng)承受0.65～1.0倍荷載作用時(shí)，疲勞壽命呈現(xiàn)曲線式下降，而后不斷趨于穩(wěn)定，而角部鉸鏈疲勞壽命卻隨荷載的不斷增大呈現(xiàn)斷崖式下降趨勢(shì)，直至荷載作用達(dá)到1倍數(shù)值后趨于平穩(wěn)，且角部鉸鏈壽命屬性中初始?jí)勖胺€(wěn)定壽命2項(xiàng)數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)低于平板合頁。

圖11 平板合頁和角部鉸鏈的疲勞壽命模擬云圖

圖12 平板合頁和角部鉸鏈的疲勞敏感曲線圖

平板合頁和角部鉸鏈的安全系數(shù)模擬云圖如圖13所示。可以發(fā)現(xiàn)，平板合頁及角部鉸鏈安全系數(shù)存在較明顯的差別，平板合頁安全系數(shù)最小值達(dá)到0.66869，而角部鉸鏈最小值僅為0.35429，角部鉸鏈在安全系數(shù)方面相較于平板合頁還存在較大差距。

65型平開窗在自重及風(fēng)荷載共同作用下，合頁是其疲勞特性的薄弱環(huán)節(jié)。平板合頁和角部鉸鏈的疲勞分析模擬數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。對(duì)于不同扇框連接方式的平開窗，無論在疲勞壽命、敏感曲線還是安全系數(shù)方面，平板合頁的疲勞特性要優(yōu)于角部鉸鏈，角部鉸鏈零件耐久性仍不及平板合頁。

圖13 平板合頁和角部鉸鏈的安全系數(shù)模擬云圖

表3 平板合頁和角部鉸鏈的疲勞分析模擬數(shù)據(jù)對(duì)比表

4 結(jié)論

通過ANSYS Workbench模擬分析合頁結(jié)構(gòu)形式對(duì)平開窗變形的影響及疲勞壽命分析，得到以下主要結(jié)論:

(1)平板合頁對(duì)降低窗戶形變的效果要優(yōu)于角部鉸鏈，但窗扇開啟角度所引起的窗戶變形波動(dòng)較大，平板合頁間距對(duì)窗戶變形的影響不明顯。

(2)在安裝角部鉸鏈的窗型中，由窗扇開啟角度所引起的窗戶變形相對(duì)均衡，窗戶抗沖擊性較強(qiáng)，穩(wěn)定性更高，開啟角度并不是影響窗戶變形的主要因素；加入中間鉸鏈可顯著降低窗戶形變，建議在窗戶安裝工序中增加中間鉸鏈，并將其配置于窗扇上部區(qū)域，對(duì)降低窗戶形變可達(dá)到最佳效果。

(3)角部鉸鏈疲勞壽命最小值僅為平板合頁的10.1%，角部鉸鏈在零件耐久性方面與平板合頁相比仍存在明顯差距。