合頁結構形式對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

(山東建筑大學門窗與幕墻研究所，山東濟南250101)

0 引言

合頁主要用于平開門窗連接門窗框和扇，實現了門窗的啟閉功能，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種結構形式。隨著時代的發展，各類新材料、新技術陸續出現在人們的生活當中。新技術的應用使得門窗的功能已經不再僅僅是通風、采光，隔音、安全、舒適、美觀逐漸成為門窗功能的新消費元素[2]。近年來，角部鉸鏈憑借精致小巧、易于隱藏等優勢，已逐步成為未來門窗用合頁的一大發展方向，但卻遲遲未取代傳統平板合頁，導致這種現象的原因主要有:(1)角部鉸鏈結構復雜、尺寸細小，零件質量及組裝工藝要求高；(2)角部鉸鏈安裝過程繁瑣，對施工人員技術水平要求高，且后期維護成本高昂；(3)角部鉸鏈承重能力不足，無法用于大尺寸開啟扇。

目前，關于門窗性能的研究仍停留在材質、表面質量、結構組合及受力分析等階段，而對于合頁對門窗變形影響及其疲勞壽命分析的理論研究相對較少[3]。Zhang等[4]對一種多鉸鏈—側柱—板系統進行裝配分析，對門窗五金系統的裝配成功率完成了有效預測。傅世宇[5]結合自身工作經驗，分析了門窗合頁結構對門窗功能保障的重要性，提出提升門窗合頁功能的對策和建議。黃鋒[6]從碰撞和聯接強度入手，探討了內平開窗、外平開窗和上懸窗在風壓作用下，關鍵受力零件強度的計算，推導出內平開窗與撐擋碰撞位置在距合頁軸約2/3扇寬時，轉動軸可有效避開撞擊力，并成功運用到產品研發的設計計算中。韋俊[7]針對相關試驗數據，探討了市面上各種隱藏式鉸鏈的結構以及材料選用，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大薄弱環節。

合頁在承受門窗扇重量后勢必會引起門窗整體系統的變形，合頁使用是否合理對門窗變形的影響十分關鍵。此外，合頁作為門窗系統中的主要運動部件，其應用頻率高、執行動作單一，導致受周期載荷作用，因此疲勞損壞在門窗五金系統中非常普遍，疲勞壽命作為機械零件的一個重要特性，直接反映零件的耐久性。對分別安裝平板合頁和角部鉸鏈的相同規格尺寸的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，在自重及風荷載共同作用下，合頁結構形式對窗變形的影響；分析了平板合頁安裝位置、使用角部鉸鏈時中間鉸鏈安裝位置與窗變形量之間的關系；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及合理應用提供具有借鑒意義的理論依據。

1 模型建立和仿真方案設計

1.1 實體模型建立

以65型平開窗為研究對象，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U槽五金槽口。

利用SolidWorks建立實體模型，建模過程中對窗型進行簡化處理，排除圓角、膠條、傳動器五金件等對仿真結果影響不大的因素，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靜力作用下窗性能的影響[9]，建立了3類零件的實體三維模型，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65型平開窗的規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，導入ANSYS Workbench中，選擇mm為長度單位。

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

表1 平開窗各組成部分材料屬性表

網格劃分采用自由網格劃分，如圖3所示，設置相關度為80、中等平滑迭代、快速網格過渡以及中等跨度角中心級別[11]。

圖3 窗戶網格劃分示意圖

對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面的均布風荷載。假設平開窗安裝于濟南市區距地面50 m高度處，平開窗所受風荷載設計值為1.51 kN/m2[12]。

1.3 仿真方案設計

為了分析不同結構形式的合頁對所選用的65系列平開窗變形的影響，分別對裝配平板合頁和角部鉸鏈的2類窗型進行仿真分析。角部鉸鏈因其獨特的直角狀外形，只適用于安裝在扇框上下角部區域，無法調節兩角部鉸鏈間距；平板合頁安裝位置可調節。為便于比較平板合頁與角部鉸鏈對窗變形的影響，選擇窗上安裝2個平板合頁的形式。

1.3.1 變形仿真方案

對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，合頁結構形式對窗變形的影響

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域安裝平板合頁的窗在自重和風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)平板合頁間距對窗變形的影響

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

圖5 平板合頁預設間距示意圖

(3)中間鉸鏈安裝位置對窗變形的影響

對安裝有角部鉸鏈的窗，選取窗扇開啟角度α為60°時的整窗模型作為研究對象，以窗扇的中軸線為基準，預設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，在自重和風荷載共同作用時窗的變形情況。

圖6 中間鉸鏈位置分布示意圖

1.3.2 疲勞壽命仿真方案

結構失效的一個常見原因就是疲勞損壞。門窗使用過程中，勢必會引起合頁(鉸鏈)的疲勞損壞，疲勞壽命可直接反映機械零件的耐久性[14]。門窗的五金對門窗的氣密性、水密性、抗風壓性以及反復啟閉等性能有著至關重要的作用[15]。目前，我國關于門窗合頁(鉸鏈)反復啟閉性能要求為:門合頁(鉸鏈)反復啟閉100 000次，窗合頁(鉸鏈)反復啟閉25 000次后試件應無嚴重變形或損壞，且能正常啟閉[16]。對安裝平板合頁與角部鉸鏈的2種窗型進行疲勞模擬分析，選取整窗模型進行自重和風荷載作用下的靜力分析，并于后處理中添加“疲勞工具”。為了清楚地表達合頁的疲勞特性，分析過程中選擇將窗框、窗扇、玻璃及執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等方面的差別。

2 合頁結構形式對平開窗變形的影響

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果，為方便對比不同窗型的形變，以最大變形量Δmax作為評判指標，對2類窗型7組開啟角度及6種平板合頁間距對窗變形的影響進行仿真研究。

2.1 平板合頁和角部鉸鏈對窗變形的影響

窗扇開啟角度α分別為 0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°時，相同合頁(鉸鏈)安裝位置的2類窗型在自重和風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。平板合頁對稱布置在上下角部的窗型在自重及風荷載作用下，Δmax隨α的變化曲線波動較大，曲線呈現出不規律變化趨勢，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，窗扇開啟角度對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荷載作用下，最大變形量出現在窗扇外側，不論是角部鉸鏈還是平板合頁配置的窗型中，該現象均有發生。對比圖8中的6張變形模擬云圖不難發現，裝配角部鉸鏈的窗型中，最大變形區域(圖中較深色區域)分布范圍略小，而在裝配有平板合頁的窗型中，整個窗扇外邊框的變形量幾乎同時達到了最大值。

圖8 不同窗扇開啟角度下變形模擬云圖

綜上所述，對于上下角部區域對稱布置平板合 頁的窗型，窗扇開啟角度對窗戶變形的影響明顯，變化波動大，開啟過程對窗產生的沖擊性較大[18]，平板合頁對減小窗戶變形量的效果更好。對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小，開啟過程對窗產生的沖擊性較小，窗扇開啟角度并不是影響窗戶變形的主要因素；窗扇外框出現最大變形的幾率較小，窗戶穩定性更高。

2.2 平板合頁安裝位置對窗變形的影響

以窗扇中軸為中心對稱安裝平板合頁，當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，分別在7種窗扇開啟角度時計算平板合頁窗型在自重和風荷載共同作用下的窗戶Δmax，并取平均值Δ-max，得到的Δ-max模擬數據見表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，對于對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，變形量兩極值間比值僅為1.01，合頁間距對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窗變形的影響

在安裝角部鉸鏈的窗中，依據圖5所示點位依次加裝中間鉸鏈，在自重及風荷載共同作用下，窗扇開啟角度α=60°，中間鉸鏈位于不同位置時，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)。可以發現，配置角部鉸鏈的窗型中加入中間鉸鏈后，在自重及風荷載作用下，窗戶最大變形量Δmax仍出現在窗扇外框，但是與未采用中間鉸鏈的窗型相比，其值出現了明顯下降，最大降幅達到了9.2%。將圖10中的數據進行整合，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，Δmax比中間鉸鏈安裝在中軸線以下區域產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產生了明顯減小，中間鉸鏈對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域。

3 合頁結構形式的疲勞壽命分析

根據整窗實際工作情況，計算窗戶在自重及風荷載共同作用下的疲勞特性，選擇疲勞強度因子Kf值為1，設置結構設計壽命為1.0×109次循環[19]。對模型進行疲勞分析，根據仿真結果發現合頁為模型疲勞壽命的薄弱環節。為了更加清楚地展示合頁的疲勞狀況，將模擬結果中的窗框、窗扇、玻璃及執手等零件進行隱藏處理，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。可以看出，平板合頁的疲勞壽命最小值為128 050次循環，遠大于角部鉸鏈，而角部鉸鏈疲勞壽命最小值為12 887次循環，僅為平板合頁的10.1%。當平板合頁在承受＜0.65倍的荷載作用時，其疲勞壽命不受影響，呈現無限壽命狀態，壽命值為1×106次循環，當承受0.65～1.0倍荷載作用時，疲勞壽命呈現曲線式下降，而后不斷趨于穩定，而角部鉸鏈疲勞壽命卻隨荷載的不斷增大呈現斷崖式下降趨勢，直至荷載作用達到1倍數值后趨于平穩，且角部鉸鏈壽命屬性中初始壽命及穩定壽命2項數據均遠低于平板合頁。

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模擬云圖如圖13所示。可以發現，平板合頁及角部鉸鏈安全系數存在較明顯的差別，平板合頁安全系數最小值達到0.66869，而角部鉸鏈最小值僅為0.35429，角部鉸鏈在安全系數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荷載共同作用下，合頁是其疲勞特性的薄弱環節。平板合頁和角部鉸鏈的疲勞分析模擬數據對比見表3。對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方面，平板合頁的疲勞特性要優于角部鉸鏈，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模擬云圖

表3 平板合頁和角部鉸鏈的疲勞分析模擬數據對比表

4 結論

通過ANSYS Workbench模擬分析合頁結構形式對平開窗變形的影響及疲勞壽命分析，得到以下主要結論:

(1)平板合頁對降低窗戶形變的效果要優于角部鉸鏈，但窗扇開啟角度所引起的窗戶變形波動較大，平板合頁間距對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均衡，窗戶抗沖擊性較強，穩定性更高，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域，對降低窗戶形變可達到最佳效果。

(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。