合页结构形式对平开窗变形及疲劳寿命的影响

阎玉芹王成付树壮刘阳唐浩晨

(山东建筑大学门窗与幕墙研究所，山东济南250101)

0 引言

合页主要用于平开门窗连接门窗框和扇，实现了门窗的启闭功能，是平开门窗的承重部件[1]。目前，平开门窗用合页主要有平板合页和角部铰链2种结构形式。随着时代的发展，各类新材料、新技术陆续出现在人们的生活当中。新技术的应用使得门窗的功能已经不再仅仅是通风、采光，隔音、安全、舒适、美观逐渐成为门窗功能的新消费元素[2]。近年来，角部铰链凭借精致小巧、易于隐藏等优势，已逐步成为未来门窗用合页的一大发展方向，但却迟迟未取代传统平板合页，导致这种现象的原因主要有:(1)角部铰链结构复杂、尺寸细小，零件质量及组装工艺要求高；(2)角部铰链安装过程繁琐，对施工人员技术水平要求高，且后期维护成本高昂；(3)角部铰链承重能力不足，无法用于大尺寸开启扇。

目前，关于门窗性能的研究仍停留在材质、表面质量、结构组合及受力分析等阶段，而对于合页对门窗变形影响及其疲劳寿命分析的理论研究相对较少[3]。Zhang等[4]对一种多铰链—侧柱—板系统进行装配分析，对门窗五金系统的装配成功率完成了有效预测。傅世宇[5]结合自身工作经验，分析了门窗合页结构对门窗功能保障的重要性，提出提升门窗合页功能的对策和建议。黄锋[6]从碰撞和联接强度入手，探讨了内平开窗、外平开窗和上悬窗在风压作用下，关键受力零件强度的计算，推导出内平开窗与撑挡碰撞位置在距合页轴约2/3扇宽时，转动轴可有效避开撞击力，并成功运用到产品研发的设计计算中。韦俊[7]针对相关试验数据，探讨了市面上各种隐藏式铰链的结构以及材料选用，提出整体式的连接件、添加玻璃纤维等方式可显著提升铰链承重性能及使用寿命，研究表明连杆和铰链座铰链承重的2大薄弱环节。

合页在承受门窗扇重量后势必会引起门窗整体系统的变形，合页使用是否合理对门窗变形的影响十分关键。此外，合页作为门窗系统中的主要运动部件，其应用频率高、执行动作单一，导致受周期载荷作用，因此疲劳损坏在门窗五金系统中非常普遍，疲劳寿命作为机械零件的一个重要特性，直接反映零件的耐久性。对分别安装平板合页和角部铰链的相同规格尺寸的2类平开窗，文章利用 ANSYS Workbench[8]模拟了仿真窗扇开启角度变化时，在自重及风荷载共同作用下，合页结构形式对窗变形的影响；分析了平板合页安装位置、使用角部铰链时中间铰链安装位置与窗变形量之间的关系；研究了合页(铰链)的疲劳寿命，分析了2类零件在疲劳特性方面的差别，以期为门窗合页的研发及合理应用提供具有借鉴意义的理论依据。

1 模型建立和仿真方案设计

1.1 实体模型建立

以65型平开窗为研究对象，窗扇宽为600 mm，扇高为900 mm，玻璃选用6+12A+6+12A+6三玻两腔中空玻璃，型材采用欧标U槽五金槽口。

利用SolidWorks建立实体模型，建模过程中对窗型进行简化处理，排除圆角、胶条、传动器五金件等对仿真结果影响不大的因素，最终得到的窗型截面如图1所示。

图1 65型平开窗截面图

为了研究平板合页、角部铰链及中间铰链对静力作用下窗性能的影响[9]，建立了3类零件的实体三维模型，如图2所示。

图2 合页的三维模型图

1.2 仿真模型建立

根据65型平开窗的规格尺寸以及截面形状，在SolidWorks中建立所需平开窗的三维模型，并以.x_t文件形式保存，导入ANSYS Workbench中，选择mm为长度单位。

材料属性窗框、窗扇型材选用PVC[10]，执手、合页支承座材料选用锌合金，合页其他组成零件选择Q235，增强型钢材料选用Q235，具体参数见表1。

表1 平开窗各组成部分材料属性表

网格划分采用自由网格划分，如图3所示，设置相关度为80、中等平滑迭代、快速网格过渡以及中等跨度角中心级别[11]。

图3 窗户网格划分示意图

对窗框四周施加固定约束，整体模型施加竖直向下的重力荷载及垂直于窗扇外侧面的均布风荷载。假设平开窗安装于济南市区距地面50 m高度处，平开窗所受风荷载设计值为1.51 kN/m2[12]。

1.3 仿真方案设计

为了分析不同结构形式的合页对所选用的65系列平开窗变形的影响，分别对装配平板合页和角部铰链的2类窗型进行仿真分析。角部铰链因其独特的直角状外形，只适用于安装在扇框上下角部区域，无法调节两角部铰链间距；平板合页安装位置可调节。为便于比较平板合页与角部铰链对窗变形的影响，选择窗上安装2个平板合页的形式。

1.3.1 变形仿真方案

对安装有角部铰链和平板合页的2类窗型，按照下列3种方案分析研究窗的变形情况:

(1)窗扇开启角度α变化时，合页结构形式对窗变形的影响

分别模拟分析窗扇开启角度α(如图4所示)为 0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°等 7 种情况下，装配角部铰链的窗与角部区域安装平板合页的窗在自重和风荷载共同作用下的变形情况。

图4 平开窗窗扇开启角度α示意图

(2)平板合页间距对窗变形的影响

平板合页预设间距如图5所示，h为平板合页距窗扇边缘距离、a为窗扇高度。对于安装平板合页的窗，以窗扇水平中心轴对称安装平板合页，分别模拟分析在各预设窗扇开启角度α下，h分别为1/8a、1/7a、1/6a、1/5a、1/4a、1/3a时[13]，在自重和风荷载共同作用下，窗变形的情况。

图5 平板合页预设间距示意图

(3)中间铰链安装位置对窗变形的影响

对安装有角部铰链的窗，选取窗扇开启角度α为60°时的整窗模型作为研究对象，以窗扇的中轴线为基准，预设7种中间铰链布置位置，如图6所示(①～⑦)，分别模拟这7种情况下，在自重和风荷载共同作用时窗的变形情况。

图6 中间铰链位置分布示意图

1.3.2 疲劳寿命仿真方案

结构失效的一个常见原因就是疲劳损坏。门窗使用过程中，势必会引起合页(铰链)的疲劳损坏，疲劳寿命可直接反映机械零件的耐久性[14]。门窗的五金对门窗的气密性、水密性、抗风压性以及反复启闭等性能有着至关重要的作用[15]。目前，我国关于门窗合页(铰链)反复启闭性能要求为:门合页(铰链)反复启闭100 000次，窗合页(铰链)反复启闭25 000次后试件应无严重变形或损坏，且能正常启闭[16]。对安装平板合页与角部铰链的2种窗型进行疲劳模拟分析，选取整窗模型进行自重和风荷载作用下的静力分析，并于后处理中添加“疲劳工具”。为了清楚地表达合页的疲劳特性，分析过程中选择将窗框、窗扇、玻璃及执手等零件作隐藏处理，分析平板合页与角部铰链在疲劳寿命、疲劳敏感曲线及安全系数等方面的差别。

2 合页结构形式对平开窗变形的影响

窗扇变形将直接影响门窗的使用性能、密封性能、保温性能等[17]，分析过程选取变形量作为模拟结果，为方便对比不同窗型的形变，以最大变形量Δmax作为评判指标，对2类窗型7组开启角度及6种平板合页间距对窗变形的影响进行仿真研究。

2.1 平板合页和角部铰链对窗变形的影响

窗扇开启角度α分别为 0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°时，相同合页(铰链)安装位置的2类窗型在自重和风荷载共同作用下的最大变形量Δmax随窗扇开启角度α变化如图7所示。平板合页对称布置在上下角部的窗型在自重及风荷载作用下，Δmax随α的变化曲线波动较大，曲线呈现出不规律变化趋势，最大值与最小值的比值约为1.4。但平板合页窗型在不同窗扇开启角度下的Δmax均值仅为角部铰链窗型的88.6%，平板合页对减小窗户变形量的作用较明显。配置角部铰链的窗型中，Δmax随α的变化曲线较平滑，曲线波动较小，变形量最大值与最小值间比值仅为1.15。因而可判断配置角部铰链的窗型变形较平稳，窗扇开启角度对平开窗变形的影响较小。

图7 窗最大变形量随窗扇开启角度变化折线图

选取的2类窗型在不同窗扇开启角度情况下，窗变形模拟云图(为方便观察，将玻璃隐藏处理)如图8所示。65型平开窗在自重及风荷载作用下，最大变形量出现在窗扇外侧，不论是角部铰链还是平板合页配置的窗型中，该现象均有发生。对比图8中的6张变形模拟云图不难发现，装配角部铰链的窗型中，最大变形区域(图中较深色区域)分布范围略小，而在装配有平板合页的窗型中，整个窗扇外边框的变形量几乎同时达到了最大值。

图8 不同窗扇开启角度下变形模拟云图

综上所述，对于上下角部区域对称布置平板合 页的窗型，窗扇开启角度对窗户变形的影响明显，变化波动大，开启过程对窗产生的冲击性较大[18]，平板合页对减小窗户变形量的效果更好。对于配置角部铰链的窗型，窗扇开启角度所引起的窗户形变变化波动小，开启过程对窗产生的冲击性较小，窗扇开启角度并不是影响窗户变形的主要因素；窗扇外框出现最大变形的几率较小，窗户稳定性更高。

2.2 平板合页安装位置对窗变形的影响

以窗扇中轴为中心对称安装平板合页，当平板合页与窗扇边缘距离h分别为 1/8a、1/7a、1/6a、1/5a、1/4a、1/3a时，分别在7种窗扇开启角度时计算平板合页窗型在自重和风荷载共同作用下的窗户Δmax，并取平均值Δ-max，得到的Δ-max模拟数据见表2。

表2 平板合页窗型在不同合页间距下窗户最大变形量平均值表

由表2可以看出，对于对称布置平板合页的窗型，窗户变形量随合页间距的变化较平缓，变形量两极值间比值仅为1.01，合页间距对窗户变形的影响程度较小，平板合页安装位置并不是影响窗户变形的主要因素。

2.3 中间铰链安装位置对窗变形的影响

在安装角部铰链的窗中，依据图5所示点位依次加装中间铰链，在自重及风荷载共同作用下，窗扇开启角度α=60°，中间铰链位于不同位置时，窗的变形模拟云图如图9所示(为方便观察，将玻璃隐藏处理)。可以发现，配置角部铰链的窗型中加入中间铰链后，在自重及风荷载作用下，窗户最大变形量Δmax仍出现在窗扇外框，但是与未采用中间铰链的窗型相比，其值出现了明显下降，最大降幅达到了9.2%。将图10中的数据进行整合，得到Δmax随中间铰链位置变化折线图，如图10所示。中间铰链安装在窗扇中轴线以上位置时，Δmax比中间铰链安装在中轴线以下区域产生的最大变形量更小。安装角部铰链的窗中增加中间铰链后，窗的变形量也小于安装平板合页的窗。

图9 中间铰链安装位置不同时窗的变形模拟云图

图10 窗户最大变形量随中间铰链位置变化图

综上所述，在配置角部铰链的窗型中加入中间铰链后，Δmax产生了明显减小，中间铰链对于减小窗户变形具有显著作用。为了得到控制形变的最佳效果，建议将中间铰链安装在窗扇中轴线以上区域。

3 合页结构形式的疲劳寿命分析

根据整窗实际工作情况，计算窗户在自重及风荷载共同作用下的疲劳特性，选择疲劳强度因子Kf值为1，设置结构设计寿命为1.0×109次循环[19]。对模型进行疲劳分析，根据仿真结果发现合页为模型疲劳寿命的薄弱环节。为了更加清楚地展示合页的疲劳状况，将模拟结果中的窗框、窗扇、玻璃及执手等零件进行隐藏处理，平板合页和角部铰链的疲劳寿命模拟云图及疲劳敏感曲线分别如图11、12所示。可以看出，平板合页的疲劳寿命最小值为128 050次循环，远大于角部铰链，而角部铰链疲劳寿命最小值为12 887次循环，仅为平板合页的10.1%。当平板合页在承受＜0.65倍的荷载作用时，其疲劳寿命不受影响，呈现无限寿命状态，寿命值为1×106次循环，当承受0.65～1.0倍荷载作用时，疲劳寿命呈现曲线式下降，而后不断趋于稳定，而角部铰链疲劳寿命却随荷载的不断增大呈现断崖式下降趋势，直至荷载作用达到1倍数值后趋于平稳，且角部铰链寿命属性中初始寿命及稳定寿命2项数据均远低于平板合页。

图11 平板合页和角部铰链的疲劳寿命模拟云图

图12 平板合页和角部铰链的疲劳敏感曲线图

平板合页和角部铰链的安全系数模拟云图如图13所示。可以发现，平板合页及角部铰链安全系数存在较明显的差别，平板合页安全系数最小值达到0.66869，而角部铰链最小值仅为0.35429，角部铰链在安全系数方面相较于平板合页还存在较大差距。

65型平开窗在自重及风荷载共同作用下，合页是其疲劳特性的薄弱环节。平板合页和角部铰链的疲劳分析模拟数据对比见表3。对于不同扇框连接方式的平开窗，无论在疲劳寿命、敏感曲线还是安全系数方面，平板合页的疲劳特性要优于角部铰链，角部铰链零件耐久性仍不及平板合页。

图13 平板合页和角部铰链的安全系数模拟云图

表3 平板合页和角部铰链的疲劳分析模拟数据对比表

4 结论

通过ANSYS Workbench模拟分析合页结构形式对平开窗变形的影响及疲劳寿命分析，得到以下主要结论:

(1)平板合页对降低窗户形变的效果要优于角部铰链，但窗扇开启角度所引起的窗户变形波动较大，平板合页间距对窗户变形的影响不明显。

(2)在安装角部铰链的窗型中，由窗扇开启角度所引起的窗户变形相对均衡，窗户抗冲击性较强，稳定性更高，开启角度并不是影响窗户变形的主要因素；加入中间铰链可显著降低窗户形变，建议在窗户安装工序中增加中间铰链，并将其配置于窗扇上部区域，对降低窗户形变可达到最佳效果。

(3)角部铰链疲劳寿命最小值仅为平板合页的10.1%，角部铰链在零件耐久性方面与平板合页相比仍存在明显差距。