新型雙懸膜中空玻璃系統設計及性能研究

陽啟航，黃安龍

（貴州省建材產品質量檢驗檢測院，貴州貴陽 550000）

0 引言

時代的發展與科學技術的不斷進步推動了我國建筑行業和節能玻璃的快速發展，我國對于建筑玻璃的要求更具節能環保色彩，因此建筑行業中所用的傳統單個內腔中空玻璃系統已經無法適用于建筑外窗施工中，多腔體中空玻璃應運而生。因此如何在現有基礎上進一步增強新型多腔體中空玻璃系統的性能，現已成為相關人員共同關心的主要問題之一。

1 新型雙懸膜中空玻璃系統

1.1 內涵與特征介紹

雙懸膜中空玻璃系統是在原有三腔體中空玻璃的基礎上形成的一種新型中空玻璃系統，該系統拋棄了原有的不穩定薄膜，使用新型PET 柔性薄膜，再加上該系統內部原有繃膜結構的作用，由此構建出一個具有雙層玻璃、雙層薄膜的三空腔結構。不僅如此，新型雙懸膜中空玻璃系統在對其內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揮能夠在一定程度上減少或避免內部隔膜的塌陷問題，在不影響中空玻璃觀賞性和美觀度的同時，既保證其原有質量不發生改變，又增加了中空玻璃系統的厚度，有效提升了整個中空玻璃系統的透光率，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內部含有3 個空腔，且為了保證其能夠實現完全密封，還使用了以結構膠為主要的材料對其四周進行有效加固處理。其剖面結構如圖1 所示。

圖1 新型雙懸膜中空玻璃系統的剖面結構

這樣一來，雙懸膜中空玻璃系統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構，因此又會使原有密閉氣室被有效劃分和隔離為3 個單獨區域，不僅能夠削弱原有薄膜自身厚度薄和強度不夠對整個中空玻璃系統的消極影響，還能在一定程度上降低對其安裝所需機構元件和整體門窗材料的基礎性能要求，比如承載力等。

2 新型雙懸膜中空玻璃系統設計

2.1 設計難點

新型雙懸膜中空玻璃系統的設計難點主要有以下4 個方面。

（1）存在于系統封閉空腔內部的透明PET 薄膜與原有薄膜性質相同，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生相應的起皺或塌陷情況。對于這一問題的解決，設計人員在實際工作中應充分考慮到繃膜結構的作用，并利用其向系統封閉結構內部的透明PET 薄膜提供相應的張緊力。

（2）雙懸膜中空玻璃系統在長期使用過程中，其內部透明PET 薄膜難免會出現松弛、位移或形變情況，導致整個中空玻璃系統的性能出現波動情況，加劇其不穩定性[1]。而對于這一難點問題的解決，設計人員可以通過對原有繃膜結構進行再設計的方法來找出需要進行調整和改動的部分，比如在其內部增設一定規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，在設計過程中還應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，這樣才能實現對薄膜張力的有效動態補償。

（3）為了增強整個新型雙懸膜中空玻璃系統的總體性能，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偏差，這也是設計和實際生產過程中的一個重難點問題。設計人員在設計過程中就應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）設計人員還應將水汽問題納入設計考量范圍之內。具體來說，要想阻止水汽進入雙層玻璃中，應先對整個系統的載荷能力進行明確和校準，然后在利用中空玻璃內部的密閉腔體增強該系統結構的完整性和穩固性。

2.2 具體設計內容

2.2.1 系統結構設計

由新型雙懸膜中空玻璃系統的設計難點可知，其內部繃膜結構在過程中發揮著重要支撐作用，因此應設計一種能夠實現對透明PET 薄膜進行完全固定的新型繃膜結構。通常情況下，繃膜結構的組成主要包括特殊材質的啞鈴型塑料帽、彈簧、組角器等。

（1）要對啞鈴型塑料帽和其他相應零部件在雙懸膜中空玻璃系統中的排布情況進行有效設計，使其能夠按照相關規定的要求有序排列在系統推拉框凸起邊緣的卡槽內部，并在此過程中保證彈簧能夠被安置在區別于塑料帽位置的推拉框的另一層U 型槽內[2]。

（2）設計人員還應對透明PET 薄膜與塑料帽的連接方法進行設計，例如，可以根據現有中空玻璃系統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，在不破壞透明PET 薄膜的前提下使其能夠與ABS 材質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實現輕微晃動，確保能夠對繃膜的張緊力大小進行有效調節和控制。

（3）對于推拉框的設計來說，除了要對該中空玻璃系統內部的推拉框與基準框進行位置與關系明確以外，設計人員還應將槽口位置設計在基準框的兩側，并在此過程中為組角器在該橫頭槽口的安插作業進行有效設計，不僅要保證組角器能夠與橫頭槽口的形狀完全吻合，還要能夠使該系統內部的四個邊框銜接組合成一個規格大小符合有關標準規定要求的繃膜框。另外，為了能夠有效解決繃膜框位置校準工作中所出現的相關問題，設計人員還應重新對基準框進行形狀設計與調整，使其能夠在該中空玻璃系統中呈現出“T”型，并與雙層玻璃中的間隔條組成相應的卯榫結構，在實現繃膜框位置校準的同時增強整個繃膜結構的穩定性能。

（4）透明PET 薄膜在焊接到啞鈴型塑料帽上之后，設計人員還應設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補償，新型雙懸膜中空玻璃系統透明PET 薄膜張緊力動態補償前后對比如圖2所示。

圖2 新型雙懸膜中空玻璃系統透明PET 薄膜張緊力動態補償前后對比

具體來說，在繃膜動態補償之前，中空玻璃系統內部的彈簧處于自然伸縮狀態下，“T”型基準框和雙層玻璃內部的間隔條僅憑借螺釘實現連接。而在繃膜動態補償之中，通過調節松緊度，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的影響在平動基準框內變為滑動狀態，并向存在于推拉框內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到啞鈴型塑料帽上，從而實現對雙懸膜中空玻璃系統透明PET 薄膜的張緊力動態補償。

當彈簧移動超過一定距離范圍內后，目標基準框又會再次卡入雙層玻璃內部間隔條的相應位置之中，此時彈簧所受壓力與透明PET 薄膜所受拉力能保持穩定持恒狀態。不僅如此，相關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部間隔條進行微調操作時，透明PET 薄膜四周就會受到相對應的張緊力，在均勻張緊力的持續作用下，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定的動態特性。

2.2.2 生產線設計

對新型雙懸膜中空玻璃系統生產線進行設計過程中，應充分考慮到現有虛擬仿真技術在此過程中的有效應用，并由此制定相應的懸窗與中空玻璃系統流程。

具體來說，應先對使用在生產線過程中的機械手模型進行詳細設計，將該模型導入軟件的系統之中，在對內部模型庫進行自動檢索后調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的懸窗與中空玻璃系統生產線流程。首先，要對生產線機器人的運行動作和行動路線進行合理規劃，并明確是否存在交叉或干涉，若存在此類問題應根據實際情況重新調整，然后再對機器人工作空間進行完全檢測，并在此基礎上對相應懸窗與中空玻璃系統的生產節拍進行計算，由此來確定現有生產設計模式是否為最優空間布局結構，若不是則仍需按照上述流程重新進行設計規劃，若該生產設計模式已達到了最優空間結構布局的要求，這可對該仿真結果進行輸出，從而完成對新型雙懸膜中空玻璃系統生產線的設計。

3 新型雙懸膜中空玻璃系統的性能

3.1 應力與應變力性能

對新型雙懸膜中空玻璃系統繃膜效果的分析應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中可以將其看成一個近似圓孔的結構，以此來對焊點位置上的相應作用力展開效果分析[3]。

根據現有數據信息所顯示的情況來看，透明PET薄膜在繃緊狀態下會出現與其現有狀態所對應的最大應力，但該應力出現區域為透明PET 薄膜邊角位置，即靠近焊接圓孔的位置上。受最大應力的影響，透明PET薄膜還會在此基礎上產生一定程度的形變，而最大形變產生的位置則是在透明PET 薄膜邊角無約束的區域范圍內。此外，在新型雙懸膜中空玻璃系統的實際安裝作業中，由于系統內部的啞鈴型塑料帽、基準框、組角器等都能夠實現有序排列且各個機構元件之間均為等距擺放，因此要想適當調整整個系統的最大應力，增強其穩定性能、盡可能延長其使用壽命，還可以根據實際分析結果在雙層玻璃內部增加一定數量的塑料帽，此時啞鈴型塑料帽的安裝位置應在透明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象的發生，有效縮減透明PET 薄膜邊角的松弛區域面積[4]。

3.2 傳熱與熱工性能

在對新型雙懸膜中空玻璃系統的傳熱與熱工性能進行分析時，首先，利用熱-力學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，并根據實驗數據驗證所用數學模型是否具有正確性。其次，基于此數學模型計算出不同工況下雙懸膜中空玻璃系統的溫度場分布情況以及溫度變化曲線。最后，采用相應計算機軟件模擬了玻璃表面溫度場隨時間的變化規律及內部流體流動速度[5]。

根據分析結果可得，當雙懸膜中空玻璃系統內部各個腔體檢的厚度為15mm 時，其傳熱系數約為0.96W/（m2·K）。同樣在不充入稀有氣體的條件下，傳統普通中空玻璃系統與四玻三腔中空玻璃系統的傳熱系數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的傳熱性更強，傳熱系數比四玻三腔中空玻璃系統降低了6.67%，基本達到四玻三腔中空玻璃系統的性能指標。

4 結語

綜上所述，目前我國在新型雙懸膜中空玻璃的實際生產與研究中已經取得了較為不錯的進展，但仍然存在上升空間。因此相關技術人員還應及時轉變自身傳統觀念，通過各種手段加深對新型雙懸膜中空玻璃系統的了解和認識，充分掌握其結構原理和現實功能，并站在全局視角下重新審視設計和生產環節。