一種新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能分析

何雪萍, 劉昌霖, 孫江宏,3*

(1.北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；2.機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044；3.清華大學(xué)機(jī)械電子工程研究所，北京 100084)

隨著門窗節(jié)能技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，各類節(jié)能玻璃廣泛應(yīng)用于門窗、幕墻工程，建筑節(jié)能指標(biāo)不斷提高，對建筑門窗的節(jié)能要求越來越高。為了達(dá)到節(jié)能要求，建筑外窗由單個內(nèi)腔的中空玻璃系統(tǒng)逐步發(fā)展為多腔體中空玻璃系統(tǒng)[1-2]。可以有效改善外窗系統(tǒng)的保溫隔熱性能，但玻璃部件的增加會導(dǎo)致玻璃系統(tǒng)整體厚度和質(zhì)量過大，對門窗型材和五金件的承載能力要求高。

孟慶林[3]提出了一種多腔中空玻璃并對其進(jìn)行深入研究，采用兩塊玻璃四周密封形成密閉空腔，在密閉空腔內(nèi)有多片透明薄膜，使用型材將薄膜相互隔開，形成多個獨(dú)立密閉氣室，構(gòu)成多腔玻璃。李昊對該多腔中空玻璃熱工性能計(jì)算分析，綜合考慮傳熱系數(shù)U值與光學(xué)參數(shù)，提出兩層薄膜是多腔玻璃較實(shí)用的選擇[4-5]。陳翠紅[6]以膜結(jié)構(gòu)中空玻璃為研究對象，研究腔體數(shù)量對其保溫性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)中空玻璃腔體數(shù)量的增加能夠提升其保溫性能且成本低。若考慮實(shí)際工程應(yīng)用，則三腔體的膜結(jié)構(gòu)中空玻璃更具優(yōu)越性。李勝英等[7]研究了常用透明聚合物膜的光學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜更適用于膜結(jié)構(gòu)中空玻璃系統(tǒng)。采用聚合物膜作為多腔中空玻璃的間隔層，節(jié)能環(huán)保、質(zhì)量輕，且以相同結(jié)構(gòu)和配置的膜結(jié)構(gòu)中空玻璃替代多玻中空玻璃可以有效解決多玻中空玻璃整體質(zhì)量過大問題[8]。

綜上所述，采用輕質(zhì)、高透明的PET薄膜取代常規(guī)的平板玻璃氣體間隔層中的隔斷層，將中空玻璃腔體分割為三腔體中空玻璃，即能降低整窗質(zhì)量，同時具有很好的保溫隔熱性能，在應(yīng)用中更具優(yōu)越性。但薄膜作為一種柔性材料，厚度薄、抗彎剛度小，采用薄膜隔開的空腔氣壓、溫度不同，容易產(chǎn)生隔膜起皺及塌陷問題，不僅影響整個中空玻璃系統(tǒng)的美觀性，還會降低中空玻璃的透光率及視覺透視。對于薄膜不穩(wěn)定易產(chǎn)生褶皺這一現(xiàn)象，在膜結(jié)構(gòu)中空玻璃研究中沒有相關(guān)文獻(xiàn)給出解決方案。

目前對于膜結(jié)構(gòu)中空玻璃的研究主要集中在理論方面，缺乏詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為此，基于上述理論研究并結(jié)合實(shí)際工況，設(shè)計(jì)了一種由雙層玻璃、雙層薄膜及繃膜結(jié)構(gòu)組成的具有3個腔體的新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)，為相類似結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)思路，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的研究空白。

1 新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)原理

如圖1所示，采用透明聚合物膜作為中空玻璃中間隔層，可以在不增加質(zhì)量與明顯增加厚度的條件下達(dá)到更好的保溫隔熱效果[9]，目前逐漸成為行業(yè)主流技術(shù)。

U為傳熱系數(shù)；SHGC為太陽能得熱系數(shù)；VT為可見光透射比；Low-E為低輻射

雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)是在四玻三腔中空玻璃結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將PET薄膜作為隔膜引入，建立由雙層玻璃、雙層薄膜構(gòu)成的具有3個空腔的膜結(jié)構(gòu)中空玻璃系統(tǒng)。雙層玻璃四周采用結(jié)構(gòu)膠密封，使兩塊玻璃之間形成密閉空腔，在密閉空腔中放置雙層透明薄膜，薄膜中間隔開形成3個獨(dú)立的密閉氣室，其構(gòu)造如圖2所示。

圖2 雙懸膜中空玻璃構(gòu)造

設(shè)計(jì)雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題：①PET薄膜為柔性材料，在應(yīng)用中需設(shè)計(jì)繃膜結(jié)構(gòu)固定薄膜并為其提供張緊力，避免膜面中間區(qū)域起皺或塌陷；②薄膜長期使用，易出現(xiàn)松弛變形，需要在繃膜結(jié)構(gòu)中安裝彈性元件為膜平面縱橫兩個方向施加持續(xù)均勻的張緊力，對薄膜張力進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償；③固定雙層薄膜的繃膜框需安裝固定在雙層玻璃中間；④為防止水汽進(jìn)入，并確保中空玻璃在載荷作用下的結(jié)構(gòu)整體性，應(yīng)將中空玻璃制成密閉腔體。

2 新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍繞上述核心問題，設(shè)計(jì)一種用于固定薄膜的繃膜結(jié)構(gòu)，該繃膜結(jié)構(gòu)包括ABS材質(zhì)的啞鈴型塑料帽、彈簧、推拉框、基準(zhǔn)框及組角器。塑料帽等間距排布在推拉框凸緣卡槽內(nèi)，彈簧裝入推拉框另一側(cè)U型槽內(nèi)，如圖3(a)所示。將薄膜通過超聲波焊接固定在塑料帽上，塑料帽可沿卡槽方向移動，左右輕微晃動，調(diào)節(jié)繃膜張緊力。圖3(b)為推拉框與基準(zhǔn)框裝配圖，基準(zhǔn)框兩側(cè)橫頭設(shè)計(jì)槽口，組角器插入槽口將4個邊框組成矩形繃膜框；為將繃膜結(jié)構(gòu)安裝固定在雙層玻璃中間，基準(zhǔn)框一側(cè)設(shè)計(jì)為T型，與間隔條組成卡榫結(jié)連接固定。為阻斷薄膜張緊后可能出現(xiàn)的褶皺，基準(zhǔn)框繃膜沿要略高于塑料帽焊接點(diǎn)，如圖4所示。薄膜通過超聲波焊接固定在繃膜結(jié)構(gòu)兩側(cè)，繃膜結(jié)構(gòu)為膜平面縱橫兩個方向施加持續(xù)均勻的張緊力使面內(nèi)產(chǎn)生雙軸應(yīng)力，從而消除薄膜中間區(qū)域起皺及塌陷問題。

1為推拉框；2為塑料帽；3為彈簧；4為基準(zhǔn)框；5為基準(zhǔn)線；6為繃膜沿；7為薄膜；8為組角器

薄膜焊接固定后，需要提供一定的張力使其繃緊并在長期使用過程中對薄膜張力進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。圖5為繃膜過程示意圖。繃膜前，彈簧處于自然伸長狀態(tài)，基準(zhǔn)框與間隔條通過螺釘連接；繃膜過程中，擰緊螺帽，螺釘帶動基準(zhǔn)框平動，同時推拉框在基準(zhǔn)框內(nèi)滑動并擠壓分布在推拉框內(nèi)部的彈簧，彈簧所受壓力轉(zhuǎn)換為塑料帽對薄膜的拉力，移動一段距離后基準(zhǔn)框卡入間隔條卡榫定位，彈簧壓力與薄膜拉力處于動態(tài)平衡。通過基準(zhǔn)框與推拉框之間的彈性元件及基準(zhǔn)框與間隔條之間的螺帽微調(diào)作用，使薄膜四周受持續(xù)均勻的張緊力，保證膜面繃緊無褶皺，塑料帽、彈簧及薄膜之間形成動態(tài)平衡，彈性元件可隨薄膜張緊或松弛狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自調(diào)整。

圖5 繃膜過程

圖6為雙懸膜中空玻璃總裝圖，采用6CG +15Air+Film+15Air+Film+15Air+6 Low-E結(jié)構(gòu)規(guī)格，其中，6Low-E表示厚度為6 mm低輻射玻璃，15Air表示15 mm空氣間隔層，F(xiàn)ilm表示薄膜，6CG表示6 mm白玻璃。雙層薄膜通過繃膜結(jié)構(gòu)四邊布置的等間距的塑料帽熱熔焊接固定并雙向拉伸張緊，繃膜結(jié)構(gòu)卡入間隔條卡榫定位。為使中空玻璃形成密閉空腔，防止水汽進(jìn)入，并確保中空玻璃在載荷作用下的結(jié)構(gòu)整體性，需采用雙道密封系統(tǒng)，間隔條兩側(cè)使用丁基膠粘接固定內(nèi)片和外片玻璃形成第一道密封，間隔條外側(cè)與內(nèi)外片玻璃邊部形成的凹槽內(nèi)灌注結(jié)構(gòu)膠形成第二道密封，由此構(gòu)成具有雙層玻璃、雙層薄膜的三腔中空玻璃系統(tǒng)。

1為白玻璃；2為薄膜；3為Low-E玻璃；4為間隔條；5為繃膜框；6為丁基膠；7為結(jié)構(gòu)膠

3 新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)性能分析

雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的核心性能包括繃膜結(jié)構(gòu)的有效性及與普通中空玻璃相比在質(zhì)量、造價及熱工性能方面的實(shí)用性。

3.1 應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算理論基礎(chǔ)

假設(shè)薄膜為各向同性的彈性、均勻材料，彈性常數(shù)不隨應(yīng)力、應(yīng)變及方向改變，則可依據(jù)平面應(yīng)力理論對其進(jìn)行計(jì)算。

應(yīng)變分量與應(yīng)力分量之間的變化關(guān)系可通過胡克定律建立，可表示為

(1)

式(1)中：σx、σy、σz分別為x、y、z方向的應(yīng)力分量；εx、εy、εz分別為x、y、z方向的應(yīng)變分量；fx、fy、fz分別為x、y、z方向的體力分量；E為彈性模量；μ為泊松比；τxy為切應(yīng)力。

z方向的應(yīng)力分量σz=0，簡化可得

(2)

常體積力的情況下，確定應(yīng)力分量σx、σy、τxy的微分方程為

(3)

相容方程為

(4)

假設(shè)薄膜體積力為0時有fx=fy=0，則有

(5)

(6)

式(6)可得通解：

(7)

應(yīng)力函數(shù)φ(x,y)滿足：

φ(x,y)=Ax2+Bxy+Cy2

(8)

式(8)中：2A=σy；-B=τxy；2C=σx。

設(shè)薄膜橫向張拉力為Npx，縱向張拉力為Npy，h表示薄膜厚度，若邊界截面上的外法線沿坐標(biāo)軸正方向，則截面上的應(yīng)力分量就以沿坐標(biāo)軸正向時為正，沿坐標(biāo)軸反向?yàn)樨?fù)；若邊界截面上的外法線沿坐標(biāo)軸負(fù)方向，則應(yīng)力分量沿坐標(biāo)軸負(fù)向?yàn)檎?，沿坐?biāo)軸正向?yàn)樨?fù)。在張拉力一定的情況下可以計(jì)算出薄膜邊界上的面力，計(jì)算公式為

(9)

(10)

圖7所示的膜材的橫向和縱向拉力分別與x、y軸垂直，在橫向邊界上的張拉應(yīng)力為

a為薄膜寬度；b為薄膜長度

(11)

(12)

在縱向邊界上的張拉應(yīng)力為

(13)

(14)

將式(8)代入式(11)～式(14)可得應(yīng)力表達(dá)式為

(15)

隨后可進(jìn)而得到應(yīng)變表達(dá)式為

(16)

3.2 繃膜效果分析

根據(jù)實(shí)際工況簡化模型，將薄膜采用超聲波焊接的焊點(diǎn)簡化為薄膜四邊等間距均勻分布的圓孔，在圓孔位置施加位移載荷模擬薄膜受雙向拉伸作用力張緊的狀態(tài)。采用S4R殼單元建立有限元分析模型，模型參數(shù)如表1所示。

表1 薄膜結(jié)構(gòu)模型參數(shù)

首先，建立靜力通用分析步，在薄膜四邊圓孔施加微小位移，為特征值屈曲分析提供預(yù)應(yīng)力，建立Buckle分析步，采用Lanczos求解器計(jì)算，得到模型受位移載荷作用下的前四階屈曲模態(tài)；再將第一階屈曲模態(tài)作為幾何初始缺陷引入后屈曲分析，進(jìn)行非線性后屈曲分析，分析結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，薄膜邊緣及相鄰邊角位置出現(xiàn)明顯的應(yīng)力、位移變化。

圖8 后屈曲分析應(yīng)力、應(yīng)變云圖

圖9為薄膜對角線上位移及最大最小主應(yīng)力分布，圖9中x坐標(biāo)表示薄膜對角線長度，左軸y坐標(biāo)表示薄膜主應(yīng)力分布，可以看出，薄膜中部最大主應(yīng)力均大于0、最小主應(yīng)力均為0，即薄膜中間區(qū)域呈拉伸狀態(tài)，無褶皺；薄膜兩端最小主應(yīng)力小于0，褶皺主要出現(xiàn)在薄膜邊緣及邊角部位；右軸y坐標(biāo)表示薄膜面外位移，可以看出，兩端位移變化較大，是由于薄膜邊角非張緊區(qū)域的自由變形，位移波動處為非張緊區(qū)域與張緊區(qū)域的過渡；薄膜中間區(qū)域面外位移與y軸0刻度平齊，即薄膜中間區(qū)域無褶皺。因此，采用繃膜結(jié)構(gòu)為薄膜施加雙軸拉伸載荷可以保證薄膜中間區(qū)域張緊，有效解決薄膜起皺及塌陷問題，驗(yàn)證了繃膜結(jié)構(gòu)的有效性。

圖9 薄膜對角線變形及最大最小主應(yīng)力

由應(yīng)力云圖可以看出薄膜在繃緊后最大應(yīng)力集中在邊角相鄰圓孔位置，最大變形出現(xiàn)在邊角無約束位置。由圖10(a)可以看出，薄膜邊緣圓孔按25 mm間距分布，邊角相鄰圓孔間距為15 mm時，最大應(yīng)力為339 MPa，超過薄膜斷裂強(qiáng)度158 MPa，不符合使用要求，為減小應(yīng)力集中，在薄膜四角位置適當(dāng)加密圓孔載荷進(jìn)行分析。圖10(b)為分析結(jié)果對比，圓孔載荷加密后最大應(yīng)力降低至155 MPa，有效減小應(yīng)力集中。在實(shí)際組裝過程中，中間位置塑料帽等間距分布，并在邊角位置適當(dāng)加密塑料帽可有效降低最大應(yīng)力，減小邊角松弛區(qū)域，使薄膜張緊狀態(tài)更好。

圖10 薄膜邊角處最大應(yīng)力對比

3.3 整窗質(zhì)量對比

多腔玻璃系統(tǒng)的質(zhì)量主要與玻璃和薄膜的質(zhì)量相關(guān)，材料密度如表2所示。鋁型材為空心，占整體質(zhì)量的比例較小，應(yīng)用于各規(guī)格玻璃系統(tǒng)中，其質(zhì)量可相互抵消，在計(jì)算中不予考慮。

表2 材料密度

下面以雙玻單腔中空玻璃(6 mmCG+9Air+6 mmLow-E)、四玻三腔中空玻璃(6 mmCG+15Air+6 mmCG +15Air +6 mmCG +15Air +6 mmLow-E)、雙懸膜中空玻璃(6 mmCG+15Air+Film+15Air+Film+15Air+6 mmLow-E)為例，計(jì)算每平方米中空玻璃的質(zhì)量，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 質(zhì)量對比

由表3計(jì)算結(jié)果可以看出，增加雙層薄膜對整窗質(zhì)量增加很小。雙玻單腔中空玻璃質(zhì)量為27.6 kg/m2，四玻三腔中空玻璃質(zhì)量為52.8 kg/m2，雙懸膜中空玻璃質(zhì)量為27.699 kg/m2，四玻三腔中空玻璃相比于單腔中空玻璃質(zhì)量增加了47.7%，雙懸膜中空玻璃相比于單腔中空玻璃質(zhì)量增加了0.35%，對比四玻三腔中空玻璃，其整體質(zhì)量降低了47.5%。應(yīng)用于大面積窗戶或玻璃幕墻，可以大幅降低門窗型材的承重。

3.4 熱工性能分析

針對該新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)熱工性能進(jìn)行研究，研究過程因篇幅所限不再贅述[10]。結(jié)果表明，雙懸膜中空玻璃單元在室外側(cè)使用低輻射玻璃、腔體間隔厚度為15 mm且不充入稀有氣體情況下，其傳熱系數(shù)(U值)為0.96 W/(m2·K)，計(jì)算普通中空玻璃U值為2.64 W/(m2·K)，四玻三腔中空玻璃U值為0.9 W/(m2·K)，雙懸膜中空玻璃相比于四玻三腔中空玻璃U值略高6.67%，相比于單腔中空玻璃U值降低63.6%，節(jié)能效果顯著。

3.5 整窗造價

雙懸膜中空玻璃的耗材主要包括玻璃和薄膜，鋁型材及其他材料耗材少，在各規(guī)格玻璃系統(tǒng)中的應(yīng)用可相互抵消，故不予考慮。表4為中空玻璃常用材料的價格。

表4 常用材料價格

對比玻璃及薄膜的價格可以看出，玻璃價格遠(yuǎn)高于薄膜價格。在6 mmCG+9Air+6 mmLow-E普通中空玻璃基礎(chǔ)上增加雙層玻璃，每平方成本增加了80元，若增加雙層薄膜，成本僅增加了約10元，即雙懸膜中空玻璃相比四玻三腔中空玻璃成本降低87.5%，大幅降低了材料成本。

3.6 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求加工新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)樣機(jī)如圖11所示。將該新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)放置與溫度控制箱中進(jìn)行環(huán)境溫度-10～40 ℃的變溫實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在繃膜系統(tǒng)對張緊力的動態(tài)補(bǔ)償作用下，薄膜始終未出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，即證明所設(shè)計(jì)新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)具有可行性。

圖11 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

4 結(jié)論

所設(shè)計(jì)一種創(chuàng)新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)雙層薄膜固定繃緊安裝在雙層玻璃中間，并在長期使用過程中對薄膜張緊力進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，同時采用雙道密封將中空玻璃系統(tǒng)制成密閉空腔。通過計(jì)算驗(yàn)證，腔體數(shù)量相同的中空玻璃，雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)與四玻三腔中空玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)相差不大，前者相比后者傳熱系數(shù)略高6.67%，相比單腔中空玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)降低63.6%。雙懸膜中空玻璃在設(shè)計(jì)中采用質(zhì)量輕盈、價格低廉的工程材料作為原料，雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)對比四玻三腔中空玻璃系統(tǒng)，其整體質(zhì)量降低47.5%，成本降低87.5%，保證了中空玻璃的實(shí)用性。綜合考慮中空玻璃系統(tǒng)熱工性能、整窗質(zhì)量及造價，雙懸膜中空玻璃更具優(yōu)越性。