陽啟航，黃安龍

（貴州省建材產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測院，貴州貴陽 550000）

0 引言

時代的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的不斷進步推動了我國建筑行業(yè)和節(jié)能玻璃的快速發(fā)展，我國對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)運而生。因此如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進一步增強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，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)膠為主要的材料對其四周進行有效加固處理。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形成一個封閉空腔，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)，因此又會使原有密閉氣室被有效劃分和隔離為3 個單獨區(qū)域，不僅能夠削弱原有薄膜自身厚度薄和強度不夠?qū)φ麄€中空玻璃系統(tǒng)的消極影響，還能在一定程度上降低對其安裝所需機構(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

2.1 設(shè)計難點

新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的設(shè)計難點主要有以下4 個方面。

（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，因此在實際安裝過程中很可能會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。對于這一問題的解決，設(shè)計人員在實際工作中應(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)在長期使用過程中，其內(nèi)部透明PET 薄膜難免會出現(xiàn)松弛、位移或形變情況，導(dǎo)致整個中空玻璃系統(tǒng)的性能出現(xiàn)波動情況，加劇其不穩(wěn)定性[1]。而對于這一難點問題的解決，設(shè)計人員可以通過對原有繃膜結(jié)構(gòu)進行再設(shè)計的方法來找出需要進行調(diào)整和改動的部分，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方向的不同作用力。需要注意的是，在設(shè)計過程中還應(yīng)重點考慮彈性元件如何能同時向兩個方向施加均勻的張緊力，這樣才能實現(xiàn)對薄膜張力的有效動態(tài)補償。

（3）為了增強整個新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的總體性能，在對透明PET 薄膜進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)計和實際生產(chǎn)過程中的一個重難點問題。設(shè)計人員在設(shè)計過程中就應(yīng)對繃膜框的位置進行校準，必須保證其能夠固定在雙層玻璃的中心位置上。

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

2.2 具體設(shè)計內(nèi)容

2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的設(shè)計難點可知，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)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)對透明PET 薄膜進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)中的排布情況進行有效設(shè)計，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)計人員還應(yīng)對透明PET 薄膜與塑料帽的連接方法進行設(shè)計，例如，可以根據(jù)現(xiàn)有中空玻璃系統(tǒng)的實際情況選擇超聲波焊接等有效方法對二者進行焊接作業(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)實現(xiàn)輕微晃動，確保能夠?qū)嚹さ膹埦o力大小進行有效調(diào)節(jié)和控制。

（3）對于推拉框的設(shè)計來說，除了要對該中空玻璃系統(tǒng)內(nèi)部的推拉框與基準框進行位置與關(guān)系明確以外，設(shè)計人員還應(yīng)將槽口位置設(shè)計在基準框的兩側(cè)，并在此過程中為組角器在該橫頭槽口的安插作業(yè)進行有效設(shè)計，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)部的四個邊框銜接組合成一個規(guī)格大小符合有關(guān)標準規(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工作中所出現(xiàn)的相關(guān)問題，設(shè)計人員還應(yīng)重新對基準框進行形狀設(shè)計與調(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)，在實現(xiàn)繃膜框位置校準的同時增強整個繃膜結(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)計人員還應(yīng)設(shè)計一種有效手段對長期投入使用中的透明PET 薄膜進行張緊力動態(tài)補償，新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)透明PET 薄膜張緊力動態(tài)補償前后對比如圖2所示。

圖2 新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)透明PET 薄膜張緊力動態(tài)補償前后對比

具體來說，在繃膜動態(tài)補償之前，中空玻璃系統(tǒng)內(nèi)部的彈簧處于自然伸縮狀態(tài)下，“T”型基準框和雙層玻璃內(nèi)部的間隔條僅憑借螺釘實現(xiàn)連接。而在繃膜動態(tài)補償之中，通過調(diào)節(jié)松緊度，螺釘能夠帶動目標基準框進行平移運動，推拉框在此過程中也會受到連鎖反應(yīng)的影響在平動基準框內(nèi)變?yōu)榛瑒訝顟B(tài)，并向存在于推拉框內(nèi)部的彈簧施加一個相對性的擠壓力。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?，從而實現(xiàn)對雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)透明PET 薄膜的張緊力動態(tài)補償。

當(dāng)彈簧移動超過一定距離范圍內(nèi)后，目標基準框又會再次卡入雙層玻璃內(nèi)部間隔條的相應(yīng)位置之中，此時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基準框與推拉框之間，因此在與雙層玻璃內(nèi)部間隔條進行微調(diào)操作時，透明PET 薄膜四周就會受到相對應(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被消除，且其與其他元件之間也會保持一種相對穩(wěn)定的動態(tài)特性。

2.2.2 生產(chǎn)線設(shè)計

對新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)生產(chǎn)線進行設(shè)計過程中，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)先對使用在生產(chǎn)線過程中的機械手模型進行詳細設(shè)計，將該模型導(dǎo)入軟件的系統(tǒng)之中，在對內(nèi)部模型庫進行自動檢索后調(diào)用出與該機械手模型最為匹配的機器人，并按照該機器人的實際情況布局相應(yīng)的懸窗與中空玻璃系統(tǒng)生產(chǎn)線流程。首先，要對生產(chǎn)線機器人的運行動作和行動路線進行合理規(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)實際情況重新調(diào)整，然后再對機器人工作空間進行完全檢測，并在此基礎(chǔ)上對相應(yīng)懸窗與中空玻璃系統(tǒng)的生產(chǎn)節(jié)拍進行計算，由此來確定現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)計模式是否為最優(yōu)空間布局結(jié)構(gòu)，若不是則仍需按照上述流程重新進行設(shè)計規(guī)劃，若該生產(chǎn)設(shè)計模式已達到了最優(yōu)空間結(jié)構(gòu)布局的要求，這可對該仿真結(jié)果進行輸出，從而完成對新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)生產(chǎn)線的設(shè)計。

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行焊接，而這一過程中所產(chǎn)生的焊點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近似圓孔的結(jié)構(gòu)，以此來對焊點位置上的相應(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)下會出現(xiàn)與其現(xiàn)有狀態(tài)所對應(yīng)的最大應(yīng)力，但該應(yīng)力出現(xiàn)區(qū)域為透明PET 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)的實際安裝作業(yè)中，由于系統(tǒng)內(nèi)部的啞鈴型塑料帽、基準框、組角器等都能夠?qū)崿F(xiàn)有序排列且各個機構(gòu)元件之間均為等距擺放，因此要想適當(dāng)調(diào)整整個系統(tǒng)的最大應(yīng)力，增強其穩(wěn)定性能、盡可能延長其使用壽命，還可以根據(jù)實際分析結(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

在對新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的傳熱與熱工性能進行分析時，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流換熱模型，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)驗證所用數(shù)學(xué)模型是否具有正確性。其次，基于此數(shù)學(xué)模型計算出不同工況下雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的溫度場分布情況以及溫度變化曲線。最后，采用相應(yīng)計算機軟件模擬了玻璃表面溫度場隨時間的變化規(guī)律及內(nèi)部流體流動速度[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)部各個腔體檢的厚度為15mm 時，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，傳熱系數(shù)比四玻三腔中空玻璃系統(tǒng)降低了6.67%，基本達到四玻三腔中空玻璃系統(tǒng)的性能指標。

4 結(jié)語

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