新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能研究

陽啟航，黃安龍

（貴州省建材產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)院，貴州貴陽 550000）

0 引言

時(shí)代的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步推動(dòng)了我國建筑行業(yè)和節(jié)能玻璃的快速發(fā)展，我國對(duì)于建筑玻璃的要求更具節(jié)能環(huán)保色彩，因此建筑行業(yè)中所用的傳統(tǒng)單個(gè)內(nèi)腔中空玻璃系統(tǒng)已經(jīng)無法適用于建筑外窗施工中，多腔體中空玻璃應(yīng)運(yùn)而生。因此如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)新型多腔體中空玻璃系統(tǒng)的性能，現(xiàn)已成為相關(guān)人員共同關(guān)心的主要問題之一。

1 新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)

1.1 內(nèi)涵與特征介紹

雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)是在原有三腔體中空玻璃的基礎(chǔ)上形成的一種新型中空玻璃系統(tǒng)，該系統(tǒng)拋棄了原有的不穩(wěn)定薄膜，使用新型PET 柔性薄膜，再加上該系統(tǒng)內(nèi)部原有繃膜結(jié)構(gòu)的作用，由此構(gòu)建出一個(gè)具有雙層玻璃、雙層薄膜的三空腔結(jié)構(gòu)。不僅如此，新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)在對(duì)其內(nèi)部中間隔層的選擇上，還使用了保溫隔熱性能較好的透明聚合物膜。透明聚合物膜的功能發(fā)揮能夠在一定程度上減少或避免內(nèi)部隔膜的塌陷問題，在不影響中空玻璃觀賞性和美觀度的同時(shí)，既保證其原有質(zhì)量不發(fā)生改變，又增加了中空玻璃系統(tǒng)的厚度，有效提升了整個(gè)中空玻璃系統(tǒng)的透光率，使其更具視覺透視效果。

1.2 原理分析

新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)內(nèi)部含有3 個(gè)空腔，且為了保證其能夠?qū)崿F(xiàn)完全密封，還使用了以結(jié)構(gòu)膠為主要的材料對(duì)其四周進(jìn)行有效加固處理。其剖面結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的剖面結(jié)構(gòu)

這樣一來，雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)原有的兩款玻璃之間就會(huì)形成一個(gè)封閉空腔，透明PET 薄膜也存在于該封閉空間中，由于該薄膜為雙層結(jié)構(gòu)，因此又會(huì)使原有密閉氣室被有效劃分和隔離為3 個(gè)單獨(dú)區(qū)域，不僅能夠削弱原有薄膜自身厚度薄和強(qiáng)度不夠?qū)φ麄€(gè)中空玻璃系統(tǒng)的消極影響，還能在一定程度上降低對(duì)其安裝所需機(jī)構(gòu)元件和整體門窗材料的基礎(chǔ)性能要求，比如承載力等。

2 新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有以下4 個(gè)方面。

（1）存在于系統(tǒng)封閉空腔內(nèi)部的透明PET 薄膜與原有薄膜性質(zhì)相同，二者均為柔性材料，因此在實(shí)際安裝過程中很可能會(huì)使薄膜表面受到外部因素的影響而產(chǎn)生相應(yīng)的起皺或塌陷情況。對(duì)于這一問題的解決，設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作中應(yīng)充分考慮到繃膜結(jié)構(gòu)的作用，并利用其向系統(tǒng)封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)部的透明PET 薄膜提供相應(yīng)的張緊力。

（2）雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)在長(zhǎng)期使用過程中，其內(nèi)部透明PET 薄膜難免會(huì)出現(xiàn)松弛、位移或形變情況，導(dǎo)致整個(gè)中空玻璃系統(tǒng)的性能出現(xiàn)波動(dòng)情況，加劇其不穩(wěn)定性[1]。而對(duì)于這一難點(diǎn)問題的解決，設(shè)計(jì)人員可以通過對(duì)原有繃膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)的方法來找出需要進(jìn)行調(diào)整和改動(dòng)的部分，比如在其內(nèi)部增設(shè)一定規(guī)格和大小的彈性元件，不斷向透明PET 薄膜施加來自橫向和豎向兩個(gè)方向的不同作用力。需要注意的是，在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)重點(diǎn)考慮彈性元件如何能同時(shí)向兩個(gè)方向施加均勻的張緊力，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜張力的有效動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

（3）為了增強(qiáng)整個(gè)新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的總體性能，在對(duì)透明PET 薄膜進(jìn)行固定過程中所使用的繃膜框位置不得出現(xiàn)偏差，這也是設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)過程中的一個(gè)重難點(diǎn)問題。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)對(duì)繃膜框的位置進(jìn)行校準(zhǔn)，必須保證其能夠固定在雙層玻璃的中心位置上。

（4）設(shè)計(jì)人員還應(yīng)將水汽問題納入設(shè)計(jì)考量范圍之內(nèi)。具體來說，要想阻止水汽進(jìn)入雙層玻璃中，應(yīng)先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的載荷能力進(jìn)行明確和校準(zhǔn)，然后在利用中空玻璃內(nèi)部的密閉腔體增強(qiáng)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)固性。

2.2 具體設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)可知，其內(nèi)部繃膜結(jié)構(gòu)在過程中發(fā)揮著重要支撐作用，因此應(yīng)設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)透明PET 薄膜進(jìn)行完全固定的新型繃膜結(jié)構(gòu)。通常情況下，繃膜結(jié)構(gòu)的組成主要包括特殊材質(zhì)的啞鈴型塑料帽、彈簧、組角器等。

（1）要對(duì)啞鈴型塑料帽和其他相應(yīng)零部件在雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)中的排布情況進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，使其能夠按照相關(guān)規(guī)定的要求有序排列在系統(tǒng)推拉框凸起邊緣的卡槽內(nèi)部，并在此過程中保證彈簧能夠被安置在區(qū)別于塑料帽位置的推拉框的另一層U 型槽內(nèi)[2]。

（2）設(shè)計(jì)人員還應(yīng)對(duì)透明PET 薄膜與塑料帽的連接方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如，可以根據(jù)現(xiàn)有中空玻璃系統(tǒng)的實(shí)際情況選擇超聲波焊接等有效方法對(duì)二者進(jìn)行焊接作業(yè)，在不破壞透明PET 薄膜的前提下使其能夠與ABS 材質(zhì)的塑料帽牢牢固定在一起。不僅如此，在焊接固定過程中還應(yīng)確保所作用的啞鈴型固定帽能夠在水平橫面的一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輕微晃動(dòng)，確保能夠?qū)嚹さ膹埦o力大小進(jìn)行有效調(diào)節(jié)和控制。

（3）對(duì)于推拉框的設(shè)計(jì)來說，除了要對(duì)該中空玻璃系統(tǒng)內(nèi)部的推拉框與基準(zhǔn)框進(jìn)行位置與關(guān)系明確以外，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)將槽口位置設(shè)計(jì)在基準(zhǔn)框的兩側(cè)，并在此過程中為組角器在該橫頭槽口的安插作業(yè)進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，不僅要保證組角器能夠與橫頭槽口的形狀完全吻合，還要能夠使該系統(tǒng)內(nèi)部的四個(gè)邊框銜接組合成一個(gè)規(guī)格大小符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的繃膜框。另外，為了能夠有效解決繃膜框位置校準(zhǔn)工作中所出現(xiàn)的相關(guān)問題，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)重新對(duì)基準(zhǔn)框進(jìn)行形狀設(shè)計(jì)與調(diào)整，使其能夠在該中空玻璃系統(tǒng)中呈現(xiàn)出“T”型，并與雙層玻璃中的間隔條組成相應(yīng)的卯榫結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)繃膜框位置校準(zhǔn)的同時(shí)增強(qiáng)整個(gè)繃膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。

（4）透明PET 薄膜在焊接到啞鈴型塑料帽上之后，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)設(shè)計(jì)一種有效手段對(duì)長(zhǎng)期投入使用中的透明PET 薄膜進(jìn)行張緊力動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)透明PET 薄膜張緊力動(dòng)態(tài)補(bǔ)償前后對(duì)比如圖2所示。

圖2 新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)透明PET 薄膜張緊力動(dòng)態(tài)補(bǔ)償前后對(duì)比

具體來說，在繃膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償之前，中空玻璃系統(tǒng)內(nèi)部的彈簧處于自然伸縮狀態(tài)下，“T”型基準(zhǔn)框和雙層玻璃內(nèi)部的間隔條僅憑借螺釘實(shí)現(xiàn)連接。而在繃膜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償之中，通過調(diào)節(jié)松緊度，螺釘能夠帶動(dòng)目標(biāo)基準(zhǔn)框進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)，推拉框在此過程中也會(huì)受到連鎖反應(yīng)的影響在平動(dòng)基準(zhǔn)框內(nèi)變?yōu)榛瑒?dòng)狀態(tài)，并向存在于推拉框內(nèi)部的彈簧施加一個(gè)相對(duì)性的擠壓力。受此擠壓力的影響，彈簧在伸縮過程中能將這種擠壓力傳輸?shù)絾♀徯退芰厦鄙希瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)透明PET 薄膜的張緊力動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

當(dāng)彈簧移動(dòng)超過一定距離范圍內(nèi)后，目標(biāo)基準(zhǔn)框又會(huì)再次卡入雙層玻璃內(nèi)部間隔條的相應(yīng)位置之中，此時(shí)彈簧所受壓力與透明PET 薄膜所受拉力能保持穩(wěn)定持恒狀態(tài)。不僅如此，相關(guān)彈性元件由于被安置在目標(biāo)基準(zhǔn)框與推拉框之間，因此在與雙層玻璃內(nèi)部間隔條進(jìn)行微調(diào)操作時(shí)，透明PET 薄膜四周就會(huì)受到相對(duì)應(yīng)的張緊力，在均勻張緊力的持續(xù)作用下，透明PET 薄膜表面的原有褶皺將會(huì)被消除，且其與其他元件之間也會(huì)保持一種相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)特性。

2.2.2 生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

對(duì)新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)生產(chǎn)線進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮到現(xiàn)有虛擬仿真技術(shù)在此過程中的有效應(yīng)用，并由此制定相應(yīng)的懸窗與中空玻璃系統(tǒng)流程。

具體來說，應(yīng)先對(duì)使用在生產(chǎn)線過程中的機(jī)械手模型進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，將該模型導(dǎo)入軟件的系統(tǒng)之中，在對(duì)內(nèi)部模型庫進(jìn)行自動(dòng)檢索后調(diào)用出與該機(jī)械手模型最為匹配的機(jī)器人，并按照該機(jī)器人的實(shí)際情況布局相應(yīng)的懸窗與中空玻璃系統(tǒng)生產(chǎn)線流程。首先，要對(duì)生產(chǎn)線機(jī)器人的運(yùn)行動(dòng)作和行動(dòng)路線進(jìn)行合理規(guī)劃，并明確是否存在交叉或干涉，若存在此類問題應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況重新調(diào)整，然后再對(duì)機(jī)器人工作空間進(jìn)行完全檢測(cè)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)相應(yīng)懸窗與中空玻璃系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行計(jì)算，由此來確定現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)計(jì)模式是否為最優(yōu)空間布局結(jié)構(gòu)，若不是則仍需按照上述流程重新進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，若該生產(chǎn)設(shè)計(jì)模式已達(dá)到了最優(yōu)空間結(jié)構(gòu)布局的要求，這可對(duì)該仿真結(jié)果進(jìn)行輸出，從而完成對(duì)新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)。

3 新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的性能

3.1 應(yīng)力與應(yīng)變力性能

對(duì)新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)繃膜效果的分析應(yīng)使用靜力通用分析模型來完成。具體來說，由于在實(shí)際操作中使用了超聲波焊接法將透明PET 薄膜和啞鈴型塑料帽進(jìn)行焊接，而這一過程中所產(chǎn)生的焊點(diǎn)是均勻分布在所作用透明PET 薄膜四周的，因此在繃膜效果分析作業(yè)中可以將其看成一個(gè)近似圓孔的結(jié)構(gòu)，以此來對(duì)焊點(diǎn)位置上的相應(yīng)作用力展開效果分析[3]。

根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息所顯示的情況來看，透明PET薄膜在繃緊狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)與其現(xiàn)有狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力，但該應(yīng)力出現(xiàn)區(qū)域?yàn)橥该鱌ET 薄膜邊角位置，即靠近焊接圓孔的位置上。受最大應(yīng)力的影響，透明PET薄膜還會(huì)在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生一定程度的形變，而最大形變產(chǎn)生的位置則是在透明PET 薄膜邊角無約束的區(qū)域范圍內(nèi)。此外，在新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的實(shí)際安裝作業(yè)中，由于系統(tǒng)內(nèi)部的啞鈴型塑料帽、基準(zhǔn)框、組角器等都能夠?qū)崿F(xiàn)有序排列且各個(gè)機(jī)構(gòu)元件之間均為等距擺放，因此要想適當(dāng)調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的最大應(yīng)力，增強(qiáng)其穩(wěn)定性能、盡可能延長(zhǎng)其使用壽命，還可以根據(jù)實(shí)際分析結(jié)果在雙層玻璃內(nèi)部增加一定數(shù)量的塑料帽，此時(shí)啞鈴型塑料帽的安裝位置應(yīng)在透明PET 薄膜邊角處，這樣才能進(jìn)一步抑制透明PET 薄膜邊角松弛或褶皺現(xiàn)象的發(fā)生，有效縮減透明PET 薄膜邊角的松弛區(qū)域面積[4]。

3.2 傳熱與熱工性能

在對(duì)新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的傳熱與熱工性能進(jìn)行分析時(shí)，首先，利用熱-力學(xué)耦合有限元方法建立該雙層玻璃幕墻中的空氣對(duì)流換熱模型，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證所用數(shù)學(xué)模型是否具有正確性。其次，基于此數(shù)學(xué)模型計(jì)算出不同工況下雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布情況以及溫度變化曲線。最后，采用相應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件模擬了玻璃表面溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律及內(nèi)部流體流動(dòng)速度[5]。

根據(jù)分析結(jié)果可得，當(dāng)雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)腔體檢的厚度為15mm 時(shí)，其傳熱系數(shù)約為0.96W/（m2·K）。同樣在不充入稀有氣體的條件下，傳統(tǒng)普通中空玻璃系統(tǒng)與四玻三腔中空玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)U 值分別為2.64W/（m2·K）、0.9W/（m2·K）。由此可見，新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的傳熱性更強(qiáng)，傳熱系數(shù)比四玻三腔中空玻璃系統(tǒng)降低了6.67%，基本達(dá)到四玻三腔中空玻璃系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

4 結(jié)語

綜上所述，目前我國在新型雙懸膜中空玻璃的實(shí)際生產(chǎn)與研究中已經(jīng)取得了較為不錯(cuò)的進(jìn)展，但仍然存在上升空間。因此相關(guān)技術(shù)人員還應(yīng)及時(shí)轉(zhuǎn)變自身傳統(tǒng)觀念，通過各種手段加深對(duì)新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的了解和認(rèn)識(shí)，充分掌握其結(jié)構(gòu)原理和現(xiàn)實(shí)功能，并站在全局視角下重新審視設(shè)計(jì)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)。