近年来，随着穿条式隔热铝合金型材截面越来越大，以及新型隔热材料的出现，门窗型材力学特性出现较大变化，其应用研究也越来越迫切。
比如，大截面隔热条的铝合金型材力学特性与小截面隔热条时一样吗？新型隔热材料，如聚氨酯隔热铝合金型材截面力学特性该如何确定？等等。
那么，门窗型材为什么要进一步做应用研发，研发的重点又在哪里呢？
门窗型材应用研发的出发点，是门窗结构设计计算的需要，包括风压作用下的刚度和强度设计，分别以挠度变形和应力来表征，这关系到门窗抗风压安全性。
材料力学中，简支梁集中荷载、均布荷载下最大挠度计算公式见下表。
JGJ 214-2010《铝合金门窗工程技术规范》附录B中给出了铝合金窗杆件挠度计算公式，见下表。
可以看出，门窗杆件结构设计时，除了计算荷载外，还需要型材截面力学参数，就是惯性矩I和抵抗矩W，惯性矩用来计算挠度，抵抗矩用来计算应力。
由于抵抗矩可以根据惯性矩和形心距离计算得到，因而惯性矩就成为型材截面力学特性的主要研究内容。
我们知道，规则截面的惯性矩可由简单公式计算得到，见下表。
比如，当塑料门窗用的衬钢为方钢管时，其截面惯性矩和抵抗矩就可以通过公式计算得到。
单一材料非规则的复杂截面，可以通过CAD软件读取其截面特性，见下图。
实际工程中，我们经常用到的是复合材料的复杂截面，比如隔热铝合金型材，其截面特性不仅仅和铝合金型材、隔热型材有关，还和二者的复合强度有关。
行业标准JG 175-2011《建筑用隔热铝合金型材》的“附录A 穿条式隔热型材等效惯性矩计算方法”中给出了隔热铝合金型材截面惯性矩的等效计算方法。
该计算方法实际是来自于EN 14024-2004《隔热金属型材-机械性能-评估要求 验证和试验》。国内的相关研究较少，我也仅看到了一些组合弹性值c对隔热型材等效惯性矩影响的文章。
JG 175-2011附录A的公式较为复杂，且组合弹性值c需要通过纵向抗剪试验来确定，该方法虽然考虑了铝合金型材与隔热条的复合强度，但使用起来并不方便，我们不可能对每一批型材都去实测c值。
实际工程设计中，多采用基于该标准方法开发的插件，如用某插件计算得到的70系列隔热铝合金型材截面力学特性，见下图。
与实测组合弹性值c相比，使用插件存在的问题是实际使用的型材复合质量未必能达到理论值。当隔热条复合质量较差时，计算结果与实际偏差较大。
上海市地方标准DG/TJ 08-56-2019《建筑幕墙工程技术标准》附录C给出了隔热铝合金型材截面等效惯性矩的简易计算方法，见下图。
其中，折减系数按照弹性常数、隔热材料截面高度、隔热型材承载间距、大铝材与小铝材截面高度比值等进行选用，见下表。
但该方法也仅针对隔热铝合金玻璃幕墙，并不适用于门窗，因为二者型材截面有较大差异。
那么，门窗型材如何做应用研发呢？
根据上面的内容，我们知道，门窗型材应用研发主要目的之一在于确定截面力学特性，那么该怎么做呢？
一般来讲，需要我们针对型材进行力学试验，根据受力模型、试验结果来反推得到截面惯性矩实测值。然后，再在验证过的有限元模型上通过模拟计算来补充完善数据，根据数据间的关系总结出理论计算公式来指导工程设计。
这里以穿条式和聚氨酯隔热铝合金型材为例：
首先，我们要进行穿条式和聚氨酯隔热铝合金型材力学试验，最简单的方法其实就是集中荷载下的抗弯试验，见下图。
然后，要建立与型材力学试验一致的有限元模型，比较有限元结果与实测结果，验证有限元方法准确性，再用验证过的有限元模型来补充完善数据。
某穿条式隔热铝合金型材实测数据见下表。
1500 N集中荷载下，该隔热铝合金型材有限元模拟结果为4.29 mm，见下图，与实测结果基本接近。
某聚氨酯隔热铝合金型材，集中荷载下抗弯试验有限元模拟结果见下图。
该聚氨酯隔热铝合金型材，跨中挠度的试验和有限元模拟结果对比见下图。
可以看出，隔热铝合金型材有限元模拟与实测结果基本一致，验证了有限元模拟的可靠性，可以采信有限元模拟数据来补充完善试验结果。
然后，需要通过对比研究CAD读取的型材理论截面惯性矩、实测及有限元模拟得到的实际惯性矩，研究总结出计算公式Ief=μI，主要是折减系数μ。
这样，在工程设计时，我们就可以先采用CAD读取型材理论截面惯性矩I，再根据该计算公式得到等效截面惯性矩Ief。
初步研究表明，聚氨酯隔热铝合金型材的截面等效惯性矩与长度有密切关系，型材长度越长截面惯性矩越大，但均低于理论惯性矩，这个还有待深入研究。
当然，以上实测、有限元模拟和理论公式成立的前提条件是：隔热材料与铝合金型材要达到一定的复合强度(可用纵向抗剪强度来衡量)，同时要求材料均处于线弹性状态，且型材结构稳定(比如隔热条不出现局部屈曲)等。
事实上，目前广泛应用的大截面穿条式隔热铝合金型材，因薄壁隔热条在截面高度方向较长，其在复合强度、型材结构稳定性方面可能存在一定问题。
大尺寸隔热条截面刚度不足，可能导致复合后铝合金型材纵向抗剪强度下降，截面惯性矩将大大降低，标准所给理论公式就不再准确，这是隔热铝合金型材标准对纵向抗剪强度进行规定的意义所在。
大尺寸隔热条截面刚度不足，还有可能导致在隔热条截面方向出现局部屈曲失稳现象，这一点已得到了部分试验证实，见下图。
纵向抗剪强度降低、局部屈曲失效，均会使隔热铝合金型材按照JG 175-2011计算的惯性矩与实际不符，因此，对于大截面穿条隔热铝合金型材，其力学特性需要进一步深入研究。
好了，做个小结吧。
近年来，随着穿条式隔热铝合金型材截面越来越大，以及新型隔热材料的出现，门窗型材应用研究也越来越迫切。
门窗型材应用研发是门窗结构设计计算的需要，研发的重点就是型材截面的等效惯性矩如何计算。
规则截面惯性矩可由公式简单计算，单一材料非规则复杂截面特性可通过CAD软件读取，复合材料的复杂截面力学特性就是门窗型材应用研发的重点。
门窗型材截面力学特性确定，需要我们针对型材进行试验，采用验证过的有限元模型模拟补充数据，在此基础上总结出理论计算公式来简化工程设计。
以穿条式和聚氨酯隔热铝合金型材为例，进行了抗弯试验和有限元模拟，并得到了初步结论，如聚氨酯隔热铝合金型材截面等效惯性矩与长度有密切关系，隔热条截面高度越来越大导致穿条式隔热铝合金型材纵向抗剪强度有明显降低、局部屈曲失稳等。
总而言之，截面力学特性是门窗型材应用研发的重点，随着型材截面越来越大和新型隔热材料的出现，隔热铝合金型材的截面力学特性有了较大变化，需要通过深入研究给出科学计算方法来指导工程设计。
