新型双悬膜中空玻璃系统设计及性能研究

阳启航，黄安龙

（贵州省建材产品质量检验检测院，贵州贵阳 550000）

0 引言

时代的发展与科学技术的不断进步推动了我国建筑行业和节能玻璃的快速发展，我国对于建筑玻璃的要求更具节能环保色彩，因此建筑行业中所用的传统单个内腔中空玻璃系统已经无法适用于建筑外窗施工中，多腔体中空玻璃应运而生。因此如何在现有基础上进一步增强新型多腔体中空玻璃系统的性能，现已成为相关人员共同关心的主要问题之一。

1 新型双悬膜中空玻璃系统

1.1 内涵与特征介绍

双悬膜中空玻璃系统是在原有三腔体中空玻璃的基础上形成的一种新型中空玻璃系统，该系统抛弃了原有的不稳定薄膜，使用新型PET 柔性薄膜，再加上该系统内部原有绷膜结构的作用，由此构建出一个具有双层玻璃、双层薄膜的三空腔结构。不仅如此，新型双悬膜中空玻璃系统在对其内部中间隔层的选择上，还使用了保温隔热性能较好的透明聚合物膜。透明聚合物膜的功能发挥能够在一定程度上减少或避免内部隔膜的塌陷问题，在不影响中空玻璃观赏性和美观度的同时，既保证其原有质量不发生改变，又增加了中空玻璃系统的厚度，有效提升了整个中空玻璃系统的透光率，使其更具视觉透视效果。

1.2 原理分析

新型双悬膜中空玻璃系统内部含有3 个空腔，且为了保证其能够实现完全密封，还使用了以结构胶为主要的材料对其四周进行有效加固处理。其剖面结构如图1 所示。

图1 新型双悬膜中空玻璃系统的剖面结构

这样一来，双悬膜中空玻璃系统原有的两款玻璃之间就会形成一个封闭空腔，透明PET 薄膜也存在于该封闭空间中，由于该薄膜为双层结构，因此又会使原有密闭气室被有效划分和隔离为3 个单独区域，不仅能够削弱原有薄膜自身厚度薄和强度不够对整个中空玻璃系统的消极影响，还能在一定程度上降低对其安装所需机构元件和整体门窗材料的基础性能要求，比如承载力等。

2 新型双悬膜中空玻璃系统设计

2.1 设计难点

新型双悬膜中空玻璃系统的设计难点主要有以下4 个方面。

（1）存在于系统封闭空腔内部的透明PET 薄膜与原有薄膜性质相同，二者均为柔性材料，因此在实际安装过程中很可能会使薄膜表面受到外部因素的影响而产生相应的起皱或塌陷情况。对于这一问题的解决，设计人员在实际工作中应充分考虑到绷膜结构的作用，并利用其向系统封闭结构内部的透明PET 薄膜提供相应的张紧力。

（2）双悬膜中空玻璃系统在长期使用过程中，其内部透明PET 薄膜难免会出现松弛、位移或形变情况，导致整个中空玻璃系统的性能出现波动情况，加剧其不稳定性[1]。而对于这一难点问题的解决，设计人员可以通过对原有绷膜结构进行再设计的方法来找出需要进行调整和改动的部分，比如在其内部增设一定规格和大小的弹性元件，不断向透明PET 薄膜施加来自横向和竖向两个方向的不同作用力。需要注意的是，在设计过程中还应重点考虑弹性元件如何能同时向两个方向施加均匀的张紧力，这样才能实现对薄膜张力的有效动态补偿。

（3）为了增强整个新型双悬膜中空玻璃系统的总体性能，在对透明PET 薄膜进行固定过程中所使用的绷膜框位置不得出现偏差，这也是设计和实际生产过程中的一个重难点问题。设计人员在设计过程中就应对绷膜框的位置进行校准，必须保证其能够固定在双层玻璃的中心位置上。

（4）设计人员还应将水汽问题纳入设计考量范围之内。具体来说，要想阻止水汽进入双层玻璃中，应先对整个系统的载荷能力进行明确和校准，然后在利用中空玻璃内部的密闭腔体增强该系统结构的完整性和稳固性。

2.2 具体设计内容

2.2.1 系统结构设计

由新型双悬膜中空玻璃系统的设计难点可知，其内部绷膜结构在过程中发挥着重要支撑作用，因此应设计一种能够实现对透明PET 薄膜进行完全固定的新型绷膜结构。通常情况下，绷膜结构的组成主要包括特殊材质的哑铃型塑料帽、弹簧、组角器等。

（1）要对哑铃型塑料帽和其他相应零部件在双悬膜中空玻璃系统中的排布情况进行有效设计，使其能够按照相关规定的要求有序排列在系统推拉框凸起边缘的卡槽内部，并在此过程中保证弹簧能够被安置在区别于塑料帽位置的推拉框的另一层U 型槽内[2]。

（2）设计人员还应对透明PET 薄膜与塑料帽的连接方法进行设计，例如，可以根据现有中空玻璃系统的实际情况选择超声波焊接等有效方法对二者进行焊接作业，在不破坏透明PET 薄膜的前提下使其能够与ABS 材质的塑料帽牢牢固定在一起。不仅如此，在焊接固定过程中还应确保所作用的哑铃型固定帽能够在水平横面的一定范围内实现轻微晃动，确保能够对绷膜的张紧力大小进行有效调节和控制。

（3）对于推拉框的设计来说，除了要对该中空玻璃系统内部的推拉框与基准框进行位置与关系明确以外，设计人员还应将槽口位置设计在基准框的两侧，并在此过程中为组角器在该横头槽口的安插作业进行有效设计，不仅要保证组角器能够与横头槽口的形状完全吻合，还要能够使该系统内部的四个边框衔接组合成一个规格大小符合有关标准规定要求的绷膜框。另外，为了能够有效解决绷膜框位置校准工作中所出现的相关问题，设计人员还应重新对基准框进行形状设计与调整，使其能够在该中空玻璃系统中呈现出“T”型，并与双层玻璃中的间隔条组成相应的卯榫结构，在实现绷膜框位置校准的同时增强整个绷膜结构的稳定性能。

（4）透明PET 薄膜在焊接到哑铃型塑料帽上之后，设计人员还应设计一种有效手段对长期投入使用中的透明PET 薄膜进行张紧力动态补偿，新型双悬膜中空玻璃系统透明PET 薄膜张紧力动态补偿前后对比如图2所示。

图2 新型双悬膜中空玻璃系统透明PET 薄膜张紧力动态补偿前后对比

具体来说，在绷膜动态补偿之前，中空玻璃系统内部的弹簧处于自然伸缩状态下，“T”型基准框和双层玻璃内部的间隔条仅凭借螺钉实现连接。而在绷膜动态补偿之中，通过调节松紧度，螺钉能够带动目标基准框进行平移运动，推拉框在此过程中也会受到连锁反应的影响在平动基准框内变为滑动状态，并向存在于推拉框内部的弹簧施加一个相对性的挤压力。受此挤压力的影响，弹簧在伸缩过程中能将这种挤压力传输到哑铃型塑料帽上，从而实现对双悬膜中空玻璃系统透明PET 薄膜的张紧力动态补偿。

当弹簧移动超过一定距离范围内后，目标基准框又会再次卡入双层玻璃内部间隔条的相应位置之中，此时弹簧所受压力与透明PET 薄膜所受拉力能保持稳定持恒状态。不仅如此，相关弹性元件由于被安置在目标基准框与推拉框之间，因此在与双层玻璃内部间隔条进行微调操作时，透明PET 薄膜四周就会受到相对应的张紧力，在均匀张紧力的持续作用下，透明PET 薄膜表面的原有褶皱将会被消除，且其与其他元件之间也会保持一种相对稳定的动态特性。

2.2.2 生产线设计

对新型双悬膜中空玻璃系统生产线进行设计过程中，应充分考虑到现有虚拟仿真技术在此过程中的有效应用，并由此制定相应的悬窗与中空玻璃系统流程。

具体来说，应先对使用在生产线过程中的机械手模型进行详细设计，将该模型导入软件的系统之中，在对内部模型库进行自动检索后调用出与该机械手模型最为匹配的机器人，并按照该机器人的实际情况布局相应的悬窗与中空玻璃系统生产线流程。首先，要对生产线机器人的运行动作和行动路线进行合理规划，并明确是否存在交叉或干涉，若存在此类问题应根据实际情况重新调整，然后再对机器人工作空间进行完全检测，并在此基础上对相应悬窗与中空玻璃系统的生产节拍进行计算，由此来确定现有生产设计模式是否为最优空间布局结构，若不是则仍需按照上述流程重新进行设计规划，若该生产设计模式已达到了最优空间结构布局的要求，这可对该仿真结果进行输出，从而完成对新型双悬膜中空玻璃系统生产线的设计。

3 新型双悬膜中空玻璃系统的性能

3.1 应力与应变力性能

对新型双悬膜中空玻璃系统绷膜效果的分析应使用静力通用分析模型来完成。具体来说，由于在实际操作中使用了超声波焊接法将透明PET 薄膜和哑铃型塑料帽进行焊接，而这一过程中所产生的焊点是均匀分布在所作用透明PET 薄膜四周的，因此在绷膜效果分析作业中可以将其看成一个近似圆孔的结构，以此来对焊点位置上的相应作用力展开效果分析[3]。

根据现有数据信息所显示的情况来看，透明PET薄膜在绷紧状态下会出现与其现有状态所对应的最大应力，但该应力出现区域为透明PET 薄膜边角位置，即靠近焊接圆孔的位置上。受最大应力的影响，透明PET薄膜还会在此基础上产生一定程度的形变，而最大形变产生的位置则是在透明PET 薄膜边角无约束的区域范围内。此外，在新型双悬膜中空玻璃系统的实际安装作业中，由于系统内部的哑铃型塑料帽、基准框、组角器等都能够实现有序排列且各个机构元件之间均为等距摆放，因此要想适当调整整个系统的最大应力，增强其稳定性能、尽可能延长其使用寿命，还可以根据实际分析结果在双层玻璃内部增加一定数量的塑料帽，此时哑铃型塑料帽的安装位置应在透明PET 薄膜边角处，这样才能进一步抑制透明PET 薄膜边角松弛或褶皱现象的发生，有效缩减透明PET 薄膜边角的松弛区域面积[4]。

3.2 传热与热工性能

在对新型双悬膜中空玻璃系统的传热与热工性能进行分析时，首先，利用热-力学耦合有限元方法建立该双层玻璃幕墙中的空气对流换热模型，并根据实验数据验证所用数学模型是否具有正确性。其次，基于此数学模型计算出不同工况下双悬膜中空玻璃系统的温度场分布情况以及温度变化曲线。最后，采用相应计算机软件模拟了玻璃表面温度场随时间的变化规律及内部流体流动速度[5]。

根据分析结果可得，当双悬膜中空玻璃系统内部各个腔体检的厚度为15mm 时，其传热系数约为0.96W/（m2·K）。同样在不充入稀有气体的条件下，传统普通中空玻璃系统与四玻三腔中空玻璃系统的传热系数U 值分别为2.64W/（m2·K）、0.9W/（m2·K）。由此可见，新型双悬膜中空玻璃系统的传热性更强，传热系数比四玻三腔中空玻璃系统降低了6.67%，基本达到四玻三腔中空玻璃系统的性能指标。

4 结语

综上所述，目前我国在新型双悬膜中空玻璃的实际生产与研究中已经取得了较为不错的进展，但仍然存在上升空间。因此相关技术人员还应及时转变自身传统观念，通过各种手段加深对新型双悬膜中空玻璃系统的了解和认识，充分掌握其结构原理和现实功能，并站在全局视角下重新审视设计和生产环节。