何雪萍, 劉昌霖, 孫江宏,3*

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

隨著門窗節(jié)能技術的不斷發(fā)展與進步，各類節(jié)能玻璃廣泛應用于門窗、幕墻工程，建筑節(jié)能指標不斷提高，對建筑門窗的節(jié)能要求越來越高。為了達到節(jié)能要求，建筑外窗由單個內腔的中空玻璃系統(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致玻璃系統(tǒng)整體厚度和質量過大，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，在密閉空腔內有多片透明薄膜，使用型材將薄膜相互隔開，形成多個獨立密閉氣室，構成多腔玻璃。李昊對該多腔中空玻璃熱工性能計算分析，綜合考慮傳熱系數U值與光學參數，提出兩層薄膜是多腔玻璃較實用的選擇[4-5]。陳翠紅[6]以膜結構中空玻璃為研究對象，研究腔體數量對其保溫性能的影響。研究發(fā)現中空玻璃腔體數量的增加能夠提升其保溫性能且成本低。若考慮實際工程應用，則三腔體的膜結構中空玻璃更具優(yōu)越性。李勝英等[7]研究了常用透明聚合物膜的光學性能，發(fā)現聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜更適用于膜結構中空玻璃系統(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、質量輕，且以相同結構和配置的膜結構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量過大問題[8]。

綜上所述，采用輕質、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，即能降低整窗質量，同時具有很好的保溫隔熱性能，在應用中更具優(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)定易產生褶皺這一現象，在膜結構中空玻璃研究中沒有相關文獻給出解決方案。

目前對于膜結構中空玻璃的研究主要集中在理論方面，缺乏詳細的結構設計。為此，基于上述理論研究并結合實際工況，設計了一種由雙層玻璃、雙層薄膜及繃膜結構組成的具有3個腔體的新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)，為相類似結構提供設計思路，填補了該領域的研究空白。

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，可以在不增加質量與明顯增加厚度的條件下達到更好的保溫隔熱效果[9]，目前逐漸成為行業(yè)主流技術。

U為傳熱系數；SHGC為太陽能得熱系數；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構基礎上，將PET薄膜作為隔膜引入，建立由雙層玻璃、雙層薄膜構成的具有3個空腔的膜結構中空玻璃系統(tǒng)。雙層玻璃四周采用結構膠密封，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個獨立的密閉氣室，其構造如圖2所示。

圖2 雙懸膜中空玻璃構造

設計雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)結構需要解決以下關鍵技術問題：①PET薄膜為柔性材料，在應用中需設計繃膜結構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，易出現松弛變形，需要在繃膜結構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，對薄膜張力進行動態(tài)補償；③固定雙層薄膜的繃膜框需安裝固定在雙層玻璃中間；④為防止水汽進入，并確保中空玻璃在載荷作用下的結構整體性，應將中空玻璃制成密閉腔體。

2 新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)結構設計

圍繞上述核心問題，設計一種用于固定薄膜的繃膜結構，該繃膜結構包括ABS材質的啞鈴型塑料帽、彈簧、推拉框、基準框及組角器。塑料帽等間距排布在推拉框凸緣卡槽內，彈簧裝入推拉框另一側U型槽內，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，調節(jié)繃膜張緊力。圖3(b)為推拉框與基準框裝配圖，基準框兩側橫頭設計槽口，組角器插入槽口將4個邊框組成矩形繃膜框；為將繃膜結構安裝固定在雙層玻璃中間，基準框一側設計為T型，與間隔條組成卡榫結連接固定。為阻斷薄膜張緊后可能出現的褶皺，基準框繃膜沿要略高于塑料帽焊接點，如圖4所示。薄膜通過超聲波焊接固定在繃膜結構兩側，繃膜結構為膜平面縱橫兩個方向施加持續(xù)均勻的張緊力使面內產生雙軸應力，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為基準框；5為基準線；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行動態(tài)補償。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，螺釘帶動基準框平動，同時推拉框在基準框內滑動并擠壓分布在推拉框內部的彈簧，彈簧所受壓力轉換為塑料帽對薄膜的拉力，移動一段距離后基準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。通過基準框與推拉框之間的彈性元件及基準框與間隔條之間的螺帽微調作用，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)實現自調整。

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結構規(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，Film表示薄膜，6CG表示6 mm白玻璃。雙層薄膜通過繃膜結構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，繃膜結構卡入間隔條卡榫定位。為使中空玻璃形成密閉空腔，防止水汽進入，并確保中空玻璃在載荷作用下的結構整體性，需采用雙道密封系統(tǒng)，間隔條兩側使用丁基膠粘接固定內片和外片玻璃形成第一道密封，間隔條外側與內外片玻璃邊部形成的凹槽內灌注結構膠形成第二道密封，由此構成具有雙層玻璃、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為結構膠

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構的有效性及與普通中空玻璃相比在質量、造價及熱工性能方面的實用性。

3.1 應力、應變計算理論基礎

假設薄膜為各向同性的彈性、均勻材料，彈性常數不隨應力、應變及方向改變，則可依據平面應力理論對其進行計算。

應變分量與應力分量之間的變化關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方向的應力分量；εx、εy、εz分別為x、y、z方向的應變分量；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為切應力。

z方向的應力分量σz=0，簡化可得

(2)

常體積力的情況下，確定應力分量σx、σy、τxy的微分方程為

(3)

相容方程為

(4)

假設薄膜體積力為0時有fx=fy=0，則有

(5)

(6)

式(6)可得通解：

(7)

應力函數φ(x,y)滿足：

φ(x,y)=Ax2+Bxy+Cy2

(8)

式(8)中：2A=σy；-B=τxy；2C=σx。

設薄膜橫向張拉力為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軸正方向，則截面上的應力分量就以沿坐標軸正向時為正，沿坐標軸反向為負；若邊界截面上的外法線沿坐標軸負方向，則應力分量沿坐標軸負向為正，沿坐標軸正向為負。在張拉力一定的情況下可以計算出薄膜邊界上的面力，計算公式為

(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力為

(13)

(14)

將式(8)代入式(11)～式(14)可得應力表達式為

(15)

隨后可進而得到應變表達式為

(16)

3.2 繃膜效果分析

根據實際工況簡化模型，將薄膜采用超聲波焊接的焊點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，模型參數如表1所示。

表1 薄膜結構模型參數

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應力，建立Buckle分析步，采用Lanczos求解器計算，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，進行非線性后屈曲分析，分析結果如圖8所示?？梢钥闯?，薄膜邊緣及相鄰邊角位置出現明顯的應力、位移變化。

圖8 后屈曲分析應力、應變云圖

圖9為薄膜對角線上位移及最大最小主應力分布，圖9中x坐標表示薄膜對角線長度，左軸y坐標表示薄膜主應力分布，可以看出，薄膜中部最大主應力均大于0、最小主應力均為0，即薄膜中間區(qū)域呈拉伸狀態(tài)，無褶皺；薄膜兩端最小主應力小于0，褶皺主要出現在薄膜邊緣及邊角部位；右軸y坐標表示薄膜面外位移，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，采用繃膜結構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，驗證了繃膜結構的有效性。

圖9 薄膜對角線變形及最大最小主應力

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

圖10 薄膜邊角處最大應力對比

3.3 整窗質量對比

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

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，計算每平方米中空玻璃的質量，計算結果如表3所示。

表3 質量對比

由表3計算結果可以看出，增加雙層薄膜對整窗質量增加很小。雙玻單腔中空玻璃質量為27.6 kg/m2，四玻三腔中空玻璃質量為52.8 kg/m2，雙懸膜中空玻璃質量為27.699 kg/m2，四玻三腔中空玻璃相比于單腔中空玻璃質量增加了47.7%，雙懸膜中空玻璃相比于單腔中空玻璃質量增加了0.35%，對比四玻三腔中空玻璃，其整體質量降低了47.5%。應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)熱工性能進行研究，研究過程因篇幅所限不再贅述[10]。結果表明，雙懸膜中空玻璃單元在室外側使用低輻射玻璃、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(U值)為0.96 W/(m2·K)，計算普通中空玻璃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，玻璃價格遠高于薄膜價格。在6 mmCG+9Air+6 mmLow-E普通中空玻璃基礎上增加雙層玻璃，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 樣機實驗驗證

根據設計技術要求加工新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)樣機如圖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行環(huán)境溫度-10～40 ℃的變溫實驗。結果表明，在繃膜系統(tǒng)對張緊力的動態(tài)補償作用下，薄膜始終未出現褶皺現象，即證明所設計新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)具有可行性。

圖11 實驗樣機

4 結論

所設計一種創(chuàng)新型雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)，可以實現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行動態(tài)補償，同時采用雙道密封將中空玻璃系統(tǒng)制成密閉空腔。通過計算驗證，腔體數量相同的中空玻璃，雙懸膜中空玻璃系統(tǒng)的傳熱系數與四玻三腔中空玻璃系統(tǒng)的傳熱系數相差不大，前者相比后者傳熱系數略高6.67%，相比單腔中空玻璃系統(tǒng)傳熱系數降低63.6%。雙懸膜中空玻璃在設計中采用質量輕盈、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)，其整體質量降低47.5%，成本降低87.5%，保證了中空玻璃的實用性。綜合考慮中空玻璃系統(tǒng)熱工性能、整窗質量及造價，雙懸膜中空玻璃更具優(yōu)越性。