本文來(lái)源：2016建筑門窗幕墻行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展高峰論壇
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前言
2016年中國(guó)建筑門窗行業(yè)跨入“標(biāo)準(zhǔn)化”和“被動(dòng)”時(shí)代，發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展零能耗建筑、零排放建筑。國(guó)內(nèi)面對(duì)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)節(jié)能75%的目標(biāo)!我們應(yīng)該如何面對(duì)?門窗產(chǎn)業(yè)以節(jié)能為切入點(diǎn)，通過(guò)創(chuàng)新調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式、謀升級(jí)，已成為趨勢(shì)。節(jié)能門窗產(chǎn)業(yè)要提高競(jìng)爭(zhēng)力，做好創(chuàng)新是關(guān)鍵，從材料、設(shè)計(jì)、配件和安裝創(chuàng)新上入手，這是打開(kāi)市場(chǎng)的四把鑰匙。設(shè)計(jì)是產(chǎn)品的靈魂;型材加工和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是高性能節(jié)能門窗的關(guān)鍵;另外，好的門窗離不開(kāi)好的配件，像玻璃、密封材料、五金件等，決定著門窗的壽命。系統(tǒng)門窗是經(jīng)過(guò)系統(tǒng)研發(fā)的、性能和質(zhì)量完全能夠滿足特定建設(shè)項(xiàng)目使用要求的門窗產(chǎn)品。在門窗系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中，門窗系統(tǒng)供應(yīng)商需對(duì)選用的材料、設(shè)計(jì)的構(gòu)造、能夠?qū)崿F(xiàn)的門窗形式以及設(shè)定的性能(包括物理性能、力學(xué)性能和反復(fù)啟閉性能等)指標(biāo)，進(jìn)行反復(fù)地設(shè)計(jì)、計(jì)算和測(cè)試。目前整窗的熱工計(jì)算和計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)相結(jié)合發(fā)揮著重要作用，具有成本低、周期短的優(yōu)勢(shì)，可以在實(shí)際產(chǎn)品制造前對(duì)設(shè)計(jì)方案做出預(yù)判，并為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供有效的信息。尤其計(jì)算機(jī)仿真分析提供了有益探討和借鑒：制造功能性產(chǎn)品的系統(tǒng)，分析了影響產(chǎn)品精度的因素，提出了用非線性有限元分析中主要成型階段的精度，采用模式識(shí)別理論、誤差理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法處理誤差反饋問(wèn)題，進(jìn)行誤差補(bǔ)償修正和加工精度的預(yù)報(bào)，是提高最終產(chǎn)品質(zhì)量的方法。
由于橡膠特殊的性能，設(shè)計(jì)上涉及到固體力學(xué)、摩擦學(xué)、高分子材料科學(xué)、液體侵蝕以及機(jī)械制造工藝等多方面的理論知識(shí)，安裝和使用中的變形及密封界面上接觸應(yīng)力的精確研究，在理論上存在較大的困難。為進(jìn)一步可靠設(shè)計(jì)、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，增加產(chǎn)品和工程運(yùn)用中可靠性，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，利用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算分析，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，滿足密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。
一、系統(tǒng)門窗密封膠條材料及結(jié)構(gòu)產(chǎn)品優(yōu)選方案
目前國(guó)內(nèi)60%左右門窗用的密封膠條在兩年內(nèi)就硬化、失去密封膠條彈性而漏水，業(yè)主投訴頻繁，更換造成極大的人工和資源浪費(fèi)，對(duì)項(xiàng)目產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。密封材料已成為門窗密封的重要零部件，密封膠條繼續(xù)朝著功能化的方向發(fā)展，構(gòu)成系列門窗系統(tǒng)的密封膠條應(yīng)符合GB/T24498 和JG/T 386 的要求, 還應(yīng)滿足現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及由第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)頒發(fā)的門窗產(chǎn)品認(rèn)證規(guī)則要求。對(duì)于可視部分的彩色化、外覆織物、表面涂飾、外層光亮飾條等，內(nèi)飾件相互匹配也成為新的方向。復(fù)合型密封膠條更要得到普及使用，從雙復(fù)合走向三和四復(fù)合，材料多樣化、性能功能化。門窗承擔(dān)了水密性、氣密性、抗風(fēng)壓、隔熱、隔音、耐候性、安裝操作手感等一系列重要的功能。在應(yīng)用中應(yīng)關(guān)注特殊產(chǎn)品的使用設(shè)計(jì)要求及多元化產(chǎn)品選用，目前行業(yè)急需解決的就是推拉門窗和耐火完整性窗的節(jié)能化及耐久性功能要求。
a)推拉門窗的密封完全依靠毛條已解決不了節(jié)能要求，推拉門窗密封膠條產(chǎn)品在解決推拉門窗低摩擦和耐久低磨耗，提高氣密、水密、隔音性能的方向發(fā)展，產(chǎn)品植絨工藝通常采用纖度在3～4D的聚酯纖維和錦綸纖維，顏色以黑色居多。植絨或噴涂主要應(yīng)用在推拉門窗和陽(yáng)光房電動(dòng)滑窗上，降低推拉摩擦的噪音和磨損，部分產(chǎn)品表面常常要涂覆、噴涂、化學(xué)改性和靜電植絨。為避免密封膠條生產(chǎn)廠不具備植絨工藝技術(shù)，也可選用與低摩擦材料多種材料復(fù)合共擠出材料的技術(shù)工藝實(shí)現(xiàn)。因此，密封膠條復(fù)合材料層之間低摩擦材料是不可忽視的條件，決定著密封膠條外觀質(zhì)量和使用耐久性。密封膠條的配方體系及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝已突破了傳統(tǒng)的產(chǎn)品工藝范疇，繼續(xù)研發(fā)滿足更高要求的密封膠條產(chǎn)品。以下圖例為低摩擦的研發(fā)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及摩擦力對(duì)照分析:
b)建筑門窗作為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性能一直以來(lái)都受到普遍關(guān)注。《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2014中對(duì)建筑的外門外窗提出的耐火完整性要求，引起了行業(yè)的普遍關(guān)注。目前我國(guó)沒(méi)有建筑門窗的耐火完整性檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有相關(guān)密封膠條阻燃產(chǎn)品性能要求。為實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品達(dá)到阻然性能要求必須結(jié)合其他產(chǎn)品相關(guān)阻然性要求：密封膠條要有環(huán)保性，除了生產(chǎn)的節(jié)能之外，還要有使用時(shí)的阻燃性，針對(duì)難燃B1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要有三大指標(biāo)要求可相互結(jié)合，滿足窗戶的啟閉、密封、節(jié)能、阻然、回彈各項(xiàng)性能指標(biāo)，配合使用遇火膨脹密封膠條結(jié)構(gòu)。結(jié)合各種密封材料具備的特性，打破以往防火門只為滿足燃燒試驗(yàn)選用不具備彈性節(jié)能密封的硬膠皮的結(jié)構(gòu)，希望我們共同攜手推進(jìn)節(jié)能住宅性能認(rèn)定制度，提高住宅的實(shí)用、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、安全和耐久性能，讓我們還老百姓真正的滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的節(jié)能窗戶。以下圖例為阻燃膠條燃燒對(duì)照及阻燃類別、指標(biāo)參照:
二、門窗密封膠條產(chǎn)品設(shè)計(jì)協(xié)同研發(fā)應(yīng)結(jié)合熱工計(jì)算和非線性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元分析應(yīng)用
門窗節(jié)能化性能要求逐步提升，產(chǎn)品的專業(yè)性加強(qiáng)，促使對(duì)技術(shù)協(xié)同研發(fā)模式需求增加，而不是以往的仿造節(jié)點(diǎn)斷面結(jié)構(gòu)就可以進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。通過(guò)掌握整窗的熱工計(jì)算和非線性產(chǎn)品有限元分析來(lái)完善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),用計(jì)算機(jī)輔助分析、計(jì)算復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)等，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、節(jié)約開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本具有十分重要的意義。門窗密封條通過(guò)協(xié)同研發(fā)會(huì)更好更快的為各不同門窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)出最佳密封方案。同時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，可以通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際更快速、更低成本的做出整改，通過(guò)分析模擬來(lái)調(diào)整密封膠條斷面力學(xué)結(jié)構(gòu)更加完善實(shí)戰(zhàn)。行業(yè)同仁需關(guān)注密封膠條的應(yīng)用材料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝及技術(shù)等方面來(lái)分析、研究密封膠條行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。
a)通過(guò)材料結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的密封膠條設(shè)計(jì)具有時(shí)間短、費(fèi)用少、效率高的特點(diǎn)。
在設(shè)計(jì)方面可以改進(jìn)產(chǎn)品的壓縮負(fù)荷、插入力、拔出力、滑動(dòng)阻力，并且可解決唇邊起皺、安裝困難、搭接等結(jié)構(gòu)問(wèn)題。在裝配工藝方面可以根據(jù)實(shí)際裝配的邊界條件，對(duì)過(guò)程仿真分析以確定設(shè)計(jì)方案是否存在影響裝配質(zhì)量和裝配效率的問(wèn)題區(qū)域，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。密封膠條材料屬于非線性彈性體，為了實(shí)現(xiàn)其變形行為的仿真分析，必須首先對(duì)材料性能進(jìn)行研究：彈塑性分析、大位移、蠕變分析、熱力分析或熱應(yīng)力多項(xiàng)分析法，密封膠條的彎曲變形則需要采用三維仿真來(lái)進(jìn)行分析。調(diào)整設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低壓縮負(fù)荷改進(jìn)后的等壓膠條結(jié)構(gòu)分析，密封條是門窗密封的核心部分，它對(duì)門窗的密封性能、防水性能、隔熱性能、門窗啟閉力等有著舉足輕重的影響。因此，建筑用密封條設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響到最終的門窗品質(zhì)。傳統(tǒng)的密封條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)往往依賴于工程設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)與反復(fù)安裝的驗(yàn)證，開(kāi)發(fā)費(fèi)用高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，基于有限元方法的仿真分析的運(yùn)用，發(fā)展迅猛。相對(duì)于傳統(tǒng)的調(diào)試法的設(shè)計(jì)方法，它具有開(kāi)發(fā)成本低、開(kāi)發(fā)周期短的優(yōu)勢(shì)。由于可以在實(shí)際密封條生產(chǎn)前就對(duì)一些可能產(chǎn)生問(wèn)題的設(shè)計(jì)方案做出預(yù)判，并為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供有效的信息數(shù)據(jù)，因此將成為建筑用密封條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流方法。
通過(guò)數(shù)據(jù)分析結(jié)果我們可以得到以下信息：
1. 密封膠條在變形過(guò)程中的應(yīng)力分布和應(yīng)力集中情況
2. 密封膠條在設(shè)定壓縮距離下的壓縮負(fù)荷數(shù)值
3. 密封膠條在設(shè)定安裝時(shí)壓入和拔出的力值距離下的插拔力數(shù)值(即)
4. 密封膠條在設(shè)定加載情況下的彎曲變形數(shù)值
5. 密封膠條變形過(guò)程的動(dòng)態(tài)動(dòng)畫
下圖為研究開(kāi)發(fā)時(shí)計(jì)算的結(jié)果圖例：
通過(guò)計(jì)算最佳的壓縮量在0.489mm，密封膠條受力3.45N;最佳壓縮量1.493，密封膠條受力4.77N
b) 通過(guò)整窗的熱工計(jì)算數(shù)據(jù)為整窗的節(jié)能數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性提供依據(jù)，并可優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提供最優(yōu)產(chǎn)品。
密封膠條是門窗配件中技術(shù)含量較高的密封零部件，隨著對(duì)解決門窗噪音、灰塵、漏水、過(guò)早老化和脫落等問(wèn)題的困擾、為人們提供一個(gè)美觀、環(huán)保、舒適的生活及辦公環(huán)境的需求增強(qiáng)，使得我們行業(yè)內(nèi)對(duì)密封膠條研究越來(lái)越重視。密封膠條需要具有優(yōu)異的耐陽(yáng)光紫外線老化、耐臭氧老化、耐高低溫老化的抗劣化性，優(yōu)異的耐高低溫和防雨水性能，同時(shí)還要有低的壓縮永久變形、回彈力及蠕變性等性能。保證制造業(yè)的生命力在于創(chuàng)新,而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的關(guān)鍵,除了設(shè)計(jì)思想和概念之外,最重要的就是技術(shù)能力發(fā)展改變了以往產(chǎn)品的設(shè)計(jì)步驟 。通過(guò)結(jié)合整窗的熱工計(jì)算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及參考文件：《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》 JGJ/T 151-2008;《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50176-1993等。依據(jù)《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》(JGJ/T 151-2008)(以下簡(jiǎn)稱“JGJ/T 151”)結(jié)露性能評(píng)價(jià)與計(jì)算，采用以下標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算條件：
(1)室內(nèi)環(huán)境溫度：20℃;
(2)室內(nèi)環(huán)境濕度：30%，60%;
(3)室外環(huán)境溫度：0℃，-10℃，-20℃;
(4)室外對(duì)流換熱系數(shù)：20 W/(㎡.K)。
例如 80鋁窗右框框節(jié)點(diǎn)
80鋁窗右框框節(jié)點(diǎn)溫度線圖
580鋁窗右框框節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)圖
案例計(jì)算結(jié)果：
① 傳熱系數(shù)
= (0.586 + 0.912 + 0.352) / (0.675 + 0.450)
= 1.644 W/(㎡·K)
② 透明部分的太陽(yáng)光總透射比
= (0.093 + 0.018) / 1.125
= 0.098
③ 透明部分的遮陽(yáng)系數(shù)
= 0.098 / 0.87
= 0.113
④ 透明部分的可見(jiàn)光透射比
= 0.048 / 1.125
= 0.043
⑤ 整個(gè)門窗單元的總面積：1.13㎡
⑥ 本門窗單元的框總面積：0.45㎡
⑦ 本門窗單元的框窗比例：0.4%
通過(guò)以上兩種計(jì)算分析的信息結(jié)果，將熱工計(jì)算和有限元分析技術(shù)逐漸由傳統(tǒng)的分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造密切結(jié)合，形成了現(xiàn)有的技術(shù)分析框架。可以定量化地判定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)于不合格的設(shè)計(jì)方案，可結(jié)合計(jì)算數(shù)據(jù)及變形過(guò)程動(dòng)畫和計(jì)算變形網(wǎng)格圖來(lái)對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改良，從而得出最終的設(shè)計(jì)方案，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的功能性。提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在啟閉過(guò)程中唇邊應(yīng)力和拐點(diǎn)之間的受力變化，針對(duì)這兩個(gè)主要原因，更改方案在唇邊與支撐點(diǎn)的結(jié)合處進(jìn)行了弱化處理，并且可對(duì)應(yīng)力拐點(diǎn)位置做出調(diào)整，以確保應(yīng)力拐點(diǎn)向唇邊端部移動(dòng)，減少厚度較大的唇邊根部應(yīng)力集中，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。
系統(tǒng)門窗在設(shè)計(jì)上必須通過(guò)密封膠條的技術(shù)創(chuàng)新達(dá)到更好的氣密，水密，隔音，隔熱，抗風(fēng)壓。同時(shí)，門窗及配套件行業(yè)企業(yè)的技術(shù)發(fā)展要基于統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下的產(chǎn)品差異化，構(gòu)成企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也給市場(chǎng)提供更多更新的選擇，創(chuàng)新與差異化一方面是針對(duì)門窗的最終用戶，側(cè)重于產(chǎn)品的舒適度、人性化、安全性和智能化，另一方面是針對(duì)門窗制造商，側(cè)重于安裝的便利性、提高安裝效率、降低采購(gòu)與管理成本，從而提升門窗企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。
結(jié)束語(yǔ)
近幾年通過(guò)國(guó)內(nèi)外的參展、考察，收集研究資料，分析我們目前多元化產(chǎn)品現(xiàn)狀，不停思考解決門窗的功能性方案，密封膠條變形行為仿真的基本理論較為系統(tǒng)的研究和分析，為我們的門窗密封膠條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了借鑒，優(yōu)質(zhì)膠條產(chǎn)品將直接提升整窗的品質(zhì)。
希望看到國(guó)內(nèi)節(jié)能門窗的繁榮氣象，有更多正確的觀念和技術(shù)能導(dǎo)入市場(chǎng)，促進(jìn)國(guó)內(nèi)密封膠條的總體水平與國(guó)際同行差距減小，成為我們行業(yè)共同追求的目標(biāo)。通過(guò)產(chǎn)品計(jì)算分析技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效地改變?cè)O(shè)計(jì)思想和方法，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力。
參考文獻(xiàn)
《CAE技術(shù)在汽車密封條結(jié)構(gòu)優(yōu)化》關(guān)鍵民——橡膠工業(yè)
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《計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)的現(xiàn)在和未來(lái)》崔俊芝——計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造
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《建筑材料》張君，閻培渝，覃維祖——清華大學(xué)出版社
《橡膠、塑料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè)》李嘉宇——安徽文化出版社
《熱塑性彈性體密封條》葉敏——世界橡膠工業(yè)
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