本文來源：2016建筑門窗幕墻行業轉型發展高峰論壇
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前言
2016年中國建筑門窗行業跨入“標準化”和“被動”時代，發達國家發展零能耗建筑、零排放建筑。國內面對節能減排，實現節能75%的目標!我們應該如何面對?門窗產業以節能為切入點，通過創新調結構、轉方式、謀升級，已成為趨勢。節能門窗產業要提高競爭力，做好創新是關鍵，從材料、設計、配件和安裝創新上入手，這是打開市場的四把鑰匙。設計是產品的靈魂;型材加工和結構創新是高性能節能門窗的關鍵;另外，好的門窗離不開好的配件，像玻璃、密封材料、五金件等，決定著門窗的壽命。系統門窗是經過系統研發的、性能和質量完全能夠滿足特定建設項目使用要求的門窗產品。在門窗系統的研發過程中，門窗系統供應商需對選用的材料、設計的構造、能夠實現的門窗形式以及設定的性能(包括物理性能、力學性能和反復啟閉性能等)指標，進行反復地設計、計算和測試。目前整窗的熱工計算和計算機輔助工程技術相結合發揮著重要作用，具有成本低、周期短的優勢，可以在實際產品制造前對設計方案做出預判，并為設計改進提供有效的信息。尤其計算機仿真分析提供了有益探討和借鑒：制造功能性產品的系統，分析了影響產品精度的因素，提出了用非線性有限元分析中主要成型階段的精度，采用模式識別理論、誤差理論、神經網絡方法處理誤差反饋問題，進行誤差補償修正和加工精度的預報，是提高最終產品質量的方法。
由于橡膠特殊的性能，設計上涉及到固體力學、摩擦學、高分子材料科學、液體侵蝕以及機械制造工藝等多方面的理論知識，安裝和使用中的變形及密封界面上接觸應力的精確研究，在理論上存在較大的困難。為進一步可靠設計、優化產品設計結構，增加產品和工程運用中可靠性，在產品的設計階段發現潛在的問題，利用計算機仿真計算分析，可以優化設計方案，滿足密封結構設計要求。
一、系統門窗密封膠條材料及結構產品優選方案
目前國內60%左右門窗用的密封膠條在兩年內就硬化、失去密封膠條彈性而漏水，業主投訴頻繁，更換造成極大的人工和資源浪費，對項目產生極大的負面影響。密封材料已成為門窗密封的重要零部件，密封膠條繼續朝著功能化的方向發展，構成系列門窗系統的密封膠條應符合GB/T24498 和JG/T 386 的要求, 還應滿足現行相關技術標準規范以及由第三方認證機構頒發的門窗產品認證規則要求。對于可視部分的彩色化、外覆織物、表面涂飾、外層光亮飾條等，內飾件相互匹配也成為新的方向。復合型密封膠條更要得到普及使用，從雙復合走向三和四復合，材料多樣化、性能功能化。門窗承擔了水密性、氣密性、抗風壓、隔熱、隔音、耐候性、安裝操作手感等一系列重要的功能。在應用中應關注特殊產品的使用設計要求及多元化產品選用，目前行業急需解決的就是推拉門窗和耐火完整性窗的節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能要求，推拉門窗密封膠條產品在解決推拉門窗低摩擦和耐久低磨耗，提高氣密、水密、隔音性能的方向發展，產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。植絨或噴涂主要應用在推拉門窗和陽光房電動滑窗上，降低推拉摩擦的噪音和磨損，部分產品表面常常要涂覆、噴涂、化學改性和靜電植絨。為避免密封膠條生產廠不具備植絨工藝技術，也可選用與低摩擦材料多種材料復合共擠出材料的技術工藝實現。因此，密封膠條復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量和使用耐久性。密封膠條的配方體系及產品結構工藝已突破了傳統的產品工藝范疇，繼續研發滿足更高要求的密封膠條產品。以下圖例為低摩擦的研發產品結構及摩擦力對照分析:
b)建筑門窗作為建筑外圍護結構的安全性能一直以來都受到普遍關注。《建筑設計防火規范》GB50016-2014中對建筑的外門外窗提出的耐火完整性要求，引起了行業的普遍關注。目前我國沒有建筑門窗的耐火完整性檢測方法標準，也沒有相關密封膠條阻燃產品性能要求。為實現其產品達到阻然性能要求必須結合其他產品相關阻然性要求：密封膠條要有環保性，除了生產的節能之外，還要有使用時的阻燃性，針對難燃B1級標準主要有三大指標要求可相互結合，滿足窗戶的啟閉、密封、節能、阻然、回彈各項性能指標，配合使用遇火膨脹密封膠條結構。結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選用不具備彈性節能密封的硬膠皮的結構，希望我們共同攜手推進節能住宅性能認定制度，提高住宅的實用、環境、經濟、安全和耐久性能，讓我們還老百姓真正的滿足各項性能指標的節能窗戶。以下圖例為阻燃膠條燃燒對照及阻燃類別、指標參照:
二、門窗密封膠條產品設計協同研發應結合熱工計算和非線性產品結構有限元分析應用
門窗節能化性能要求逐步提升，產品的專業性加強，促使對技術協同研發模式需求增加，而不是以往的仿造節點斷面結構就可以進行產品開發。通過掌握整窗的熱工計算和非線性產品有限元分析來完善產品結構設計,用計算機輔助分析、計算復雜工程結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能以及優化結構性能設計等，對提高產品質量、縮短新產品開發周期、節約開發和生產成本具有十分重要的意義。門窗密封條通過協同研發會更好更快的為各不同門窗系統設計出最佳密封方案。同時出現的問題，可以通過理論聯系實際更快速、更低成本的做出整改，通過分析模擬來調整密封膠條斷面力學結構更加完善實戰。行業同仁需關注密封膠條的應用材料、產品結構、生產工藝及技術等方面來分析、研究密封膠條行業的發展趨勢。
a)通過材料結構計算分析的密封膠條設計具有時間短、費用少、效率高的特點。
在設計方面可以改進產品的壓縮負荷、插入力、拔出力、滑動阻力，并且可解決唇邊起皺、安裝困難、搭接等結構問題。在裝配工藝方面可以根據實際裝配的邊界條件，對過程仿真分析以確定設計方案是否存在影響裝配質量和裝配效率的問題區域，并對其進行優化。密封膠條材料屬于非線性彈性體，為了實現其變形行為的仿真分析，必須首先對材料性能進行研究：彈塑性分析、大位移、蠕變分析、熱力分析或熱應力多項分析法，密封膠條的彎曲變形則需要采用三維仿真來進行分析。調整設計結構優化，降低壓縮負荷改進后的等壓膠條結構分析，密封條是門窗密封的核心部分，它對門窗的密封性能、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，建筑用密封條設計的優劣將直接影響到最終的門窗品質。傳統的密封條結構設計與改進往往依賴于工程設計人員的經驗與反復安裝的驗證，開發費用高、開發周期長，基于有限元方法的仿真分析的運用，發展迅猛。相對于傳統的調試法的設計方法，它具有開發成本低、開發周期短的優勢。由于可以在實際密封條生產前就對一些可能產生問題的設計方案做出預判，并為設計改進提供有效的信息數據，因此將成為建筑用密封條結構設計的主流方法。
通過數據分析結果我們可以得到以下信息：
1. 密封膠條在變形過程中的應力分布和應力集中情況
2. 密封膠條在設定壓縮距離下的壓縮負荷數值
3. 密封膠條在設定安裝時壓入和拔出的力值距離下的插拔力數值(即)
4. 密封膠條在設定加載情況下的彎曲變形數值
5. 密封膠條變形過程的動態動畫
下圖為研究開發時計算的結果圖例：
通過計算最佳的壓縮量在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) 通過整窗的熱工計算數據為整窗的節能數據準確性提供依據，并可優化產品設計，提供最優產品。
密封膠條是門窗配件中技術含量較高的密封零部件，隨著對解決門窗噪音、灰塵、漏水、過早老化和脫落等問題的困擾、為人們提供一個美觀、環保、舒適的生活及辦公環境的需求增強，使得我們行業內對密封膠條研究越來越重視。密封膠條需要具有優異的耐陽光紫外線老化、耐臭氧老化、耐高低溫老化的抗劣化性，優異的耐高低溫和防雨水性能，同時還要有低的壓縮永久變形、回彈力及蠕變性等性能。保證制造業的生命力在于創新,而實現創新的關鍵,除了設計思想和概念之外,最重要的就是技術能力發展改變了以往產品的設計步驟 。通過結合整窗的熱工計算相關標準及參考文件：《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》 JGJ/T 151-2008;《民用建筑熱工設計規范》GB 50176-1993等。依據《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》(JGJ/T 151-2008)(以下簡稱“JGJ/T 151”)結露性能評價與計算，采用以下標準計算條件：
(1)室內環境溫度：20℃;
(2)室內環境濕度：30%，60%;
(3)室外環境溫度：0℃，-10℃，-20℃;
(4)室外對流換熱系數：20 W/(㎡.K)。
例如 80鋁窗右框框節點
80鋁窗右框框節點溫度線圖
580鋁窗右框框節點溫度場圖
案例計算結果：
① 傳熱系數
= (0.586 + 0.912 + 0.352) / (0.675 + 0.450)
= 1.644 W/(㎡·K)
② 透明部分的太陽光總透射比
= (0.093 + 0.018) / 1.125
= 0.098
③ 透明部分的遮陽系數
= 0.098 / 0.87
= 0.113
④ 透明部分的可見光透射比
= 0.048 / 1.125
= 0.043
⑤ 整個門窗單元的總面積：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%
通過以上兩種計算分析的信息結果，將熱工計算和有限元分析技術逐漸由傳統的分析和校核擴展到優化設計，并與計算機輔助設計和輔助制造密切結合，形成了現有的技術分析框架。可以定量化地判定產品設計方案是否滿足設計要求，對于不合格的設計方案，可結合計算數據及變形過程動畫和計算變形網格圖來對原設計方案進行改良，從而得出最終的設計方案，提高了產品設計中的功能性。提前發現產品在啟閉過程中唇邊應力和拐點之間的受力變化，針對這兩個主要原因，更改方案在唇邊與支撐點的結合處進行了弱化處理，并且可對應力拐點位置做出調整，以確保應力拐點向唇邊端部移動，減少厚度較大的唇邊根部應力集中，滿足產品設計要求。
系統門窗在設計上必須通過密封膠條的技術創新達到更好的氣密，水密，隔音，隔熱，抗風壓。同時，門窗及配套件行業企業的技術發展要基于統一技術標準下的產品差異化，構成企業的核心競爭優勢，同時也給市場提供更多更新的選擇，創新與差異化一方面是針對門窗的最終用戶，側重于產品的舒適度、人性化、安全性和智能化，另一方面是針對門窗制造商，側重于安裝的便利性、提高安裝效率、降低采購與管理成本，從而提升門窗企業的競爭力。
結束語
近幾年通過國內外的參展、考察，收集研究資料，分析我們目前多元化產品現狀，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的研究和分析，為我們的門窗密封膠條的結構設計提供了借鑒，優質膠條產品將直接提升整窗的品質。
希望看到國內節能門窗的繁榮氣象，有更多正確的觀念和技術能導入市場，促進國內密封膠條的總體水平與國際同行差距減小，成為我們行業共同追求的目標。通過產品計算分析技術的應用，能夠有效地改變設計思想和方法，提高產品的設計能力和技術創新能力。
參考文獻
《CAE技術在汽車密封條結構優化》關鍵民——橡膠工業
《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》 JGJ/T 151-2008
《計算機輔助工程(CAE)的現在和未來》崔俊芝——計算機輔助設計與制造
《橡膠密封條擠出流道的計算機模擬優化設計》陳東元——上海汽車
《建筑材料》張君，閻培渝，覃維祖——清華大學出版社
《橡膠、塑料技術標準實用手冊》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
本文來源：2016建筑門窗幕墻行業轉型發展高峰論壇
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