门窗系统协同研发中密封胶条发展方向和研究方法探讨

　　前言

　　2016年中国建筑门窗行业跨入“标准化”和“被动”时代，发达国家发展零能耗建筑、零排放建筑。国内面对节能减排，实现节能75%的目标!我们应该如何面对?门窗产业以节能为切入点，通过创新调结构、转方式、谋升级，已成为趋势。节能门窗产业要提高竞争力，做好创新是关键，从材料、设计、配件和安装创新上入手，这是打开市场的四把钥匙。设计是产品的灵魂;型材加工和结构创新是高性能节能门窗的关键;另外，好的门窗离不开好的配件，像玻璃、密封材料、五金件等，决定着门窗的寿命。系统门窗是经过系统研发的、性能和质量完全能够满足特定建设项目使用要求的门窗产品。在门窗系统的研发过程中，门窗系统供应商需对选用的材料、设计的构造、能够实现的门窗形式以及设定的性能(包括物理性能、力学性能和反复启闭性能等)指标，进行反复地设计、计算和测试。目前整窗的热工计算和计算机辅助工程技术相结合发挥着重要作用，具有成本低、周期短的优势，可以在实际产品制造前对设计方案做出预判，并为设计改进提供有效的信息。尤其计算机仿真分析提供了有益探讨和借鉴：制造功能性产品的系统，分析了影响产品精度的因素，提出了用非线性有限元分析中主要成型阶段的精度，采用模式识别理论、误差理论、神经网络方法处理误差反馈问题，进行误差补偿修正和加工精度的预报，是提高最终产品质量的方法。

　　由于橡胶特殊的性能，设计上涉及到固体力学、摩擦学、高分子材料科学、液体侵蚀以及机械制造工艺等多方面的理论知识，安装和使用中的变形及密封界面上接触应力的精确研究，在理论上存在较大的困难。为进一步可靠设计、优化产品设计结构，增加产品和工程运用中可靠性，在产品的设计阶段发现潜在的问题，利用计算机仿真计算分析，可以优化设计方案，满足密封结构设计要求。

　　一、系统门窗密封胶条材料及结构产品优选方案

　　目前国内60%左右门窗用的密封胶条在两年内就硬化、失去密封胶条弹性而漏水，业主投诉频繁，更换造成极大的人工和资源浪费，对项目产生极大的负面影响。密封材料已成为门窗密封的重要零部件，密封胶条继续朝着功能化的方向发展，构成系列门窗系统的密封胶条应符合GB/T24498  和JG/T 386 的要求,  还应满足现行相关技术标准规范以及由第三方认证机构颁发的门窗产品认证规则要求。对于可视部分的彩色化、外覆织物、表面涂饰、外层光亮饰条等，内饰件相互匹配也成为新的方向。复合型密封胶条更要得到普及使用，从双复合走向三和四复合，材料多样化、性能功能化。门窗承担了水密性、气密性、抗风压、隔热、隔音、耐候性、安装操作手感等一系列重要的功能。在应用中应关注特殊产品的使用设计要求及多元化产品选用，目前行业急需解决的就是推拉门窗和耐火完整性窗的节能化及耐久性功能要求。

　　a)推拉门窗的密封完全依靠毛条已解决不了节能要求，推拉门窗密封胶条产品在解决推拉门窗低摩擦和耐久低磨耗，提高气密、水密、隔音性能的方向发展，产品植绒工艺通常采用纤度在3～4D的聚酯纤维和锦纶纤维，颜色以黑色居多。植绒或喷涂主要应用在推拉门窗和阳光房电动滑窗上，降低推拉摩擦的噪音和磨损，部分产品表面常常要涂覆、喷涂、化学改性和静电植绒。为避免密封胶条生产厂不具备植绒工艺技术，也可选用与低摩擦材料多种材料复合共挤出材料的技术工艺实现。因此，密封胶条复合材料层之间低摩擦材料是不可忽视的条件，决定着密封胶条外观质量和使用耐久性。密封胶条的配方体系及产品结构工艺已突破了传统的产品工艺范畴，继续研发满足更高要求的密封胶条产品。以下图例为低摩擦的研发产品结构及摩擦力对照分析:

　　b)建筑门窗作为建筑外围护结构的安全性能一直以来都受到普遍关注。《建筑设计防火规范》GB50016-2014中对建筑的外门外窗提出的耐火完整性要求，引起了行业的普遍关注。目前我国没有建筑门窗的耐火完整性检测方法标准，也没有相关密封胶条阻燃产品性能要求。为实现其产品达到阻然性能要求必须结合其他产品相关阻然性要求：密封胶条要有环保性，除了生产的节能之外，还要有使用时的阻燃性，针对难燃B1级标准主要有三大指标要求可相互结合，满足窗户的启闭、密封、节能、阻然、回弹各项性能指标，配合使用遇火膨胀密封胶条结构。结合各种密封材料具备的特性，打破以往防火门只为满足燃烧试验选用不具备弹性节能密封的硬胶皮的结构，希望我们共同携手推进节能住宅性能认定制度，提高住宅的实用、环境、经济、安全和耐久性能，让我们还老百姓真正的满足各项性能指标的节能窗户。以下图例为阻燃胶条燃烧对照及阻燃类别、指标参照:

　　二、门窗密封胶条产品设计协同研发应结合热工计算和非线性产品结构有限元分析应用

　　门窗节能化性能要求逐步提升，产品的专业性加强，促使对技术协同研发模式需求增加，而不是以往的仿造节点断面结构就可以进行产品开发。通过掌握整窗的热工计算和非线性产品有限元分析来完善产品结构设计,用计算机辅助分析、计算复杂工程结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能以及优化结构性能设计等，对提高产品质量、缩短新产品开发周期、节约开发和生产成本具有十分重要的意义。门窗密封条通过协同研发会更好更快的为各不同门窗系统设计出最佳密封方案。同时出现的问题，可以通过理论联系实际更快速、更低成本的做出整改，通过分析模拟来调整密封胶条断面力学结构更加完善实战。行业同仁需关注密封胶条的应用材料、产品结构、生产工艺及技术等方面来分析、研究密封胶条行业的发展趋势。

　　a)通过材料结构计算分析的密封胶条设计具有时间短、费用少、效率高的特点。

　　在设计方面可以改进产品的压缩负荷、插入力、拔出力、滑动阻力，并且可解决唇边起皱、安装困难、搭接等结构问题。在装配工艺方面可以根据实际装配的边界条件，对过程仿真分析以确定设计方案是否存在影响装配质量和装配效率的问题区域，并对其进行优化。密封胶条材料属于非线性弹性体，为了实现其变形行为的仿真分析，必须首先对材料性能进行研究：弹塑性分析、大位移、蠕变分析、热力分析或热应力多项分析法，密封胶条的弯曲变形则需要采用三维仿真来进行分析。调整设计结构优化，降低压缩负荷改进后的等压胶条结构分析，密封条是门窗密封的核心部分，它对门窗的密封性能、防水性能、隔热性能、门窗启闭力等有着举足轻重的影响。因此，建筑用密封条设计的优劣将直接影响到最终的门窗品质。传统的密封条结构设计与改进往往依赖于工程设计人员的经验与反复安装的验证，开发费用高、开发周期长，基于有限元方法的仿真分析的运用，发展迅猛。相对于传统的调试法的设计方法，它具有开发成本低、开发周期短的优势。由于可以在实际密封条生产前就对一些可能产生问题的设计方案做出预判，并为设计改进提供有效的信息数据，因此将成为建筑用密封条结构设计的主流方法。

　　通过数据分析结果我们可以得到以下信息：

　　1. 密封胶条在变形过程中的应力分布和应力集中情况

　　2. 密封胶条在设定压缩距离下的压缩负荷数值

　　3. 密封胶条在设定安装时压入和拔出的力值距离下的插拔力数值(即)

　　4. 密封胶条在设定加载情况下的弯曲变形数值

　　5. 密封胶条变形过程的动态动画

　　下图为研究开发时计算的结果图例：

　　通过计算最佳的压缩量在0.489mm，密封胶条受力3.45N;最佳压缩量1.493，密封胶条受力4.77N

　　b) 通过整窗的热工计算数据为整窗的节能数据准确性提供依据，并可优化产品设计，提供最优产品。

　　密封胶条是门窗配件中技术含量较高的密封零部件，随着对解决门窗噪音、灰尘、漏水、过早老化和脱落等问题的困扰、为人们提供一个美观、环保、舒适的生活及办公环境的需求增强，使得我们行业内对密封胶条研究越来越重视。密封胶条需要具有优异的耐阳光紫外线老化、耐臭氧老化、耐高低温老化的抗劣化性，优异的耐高低温和防雨水性能，同时还要有低的压缩永久变形、回弹力及蠕变性等性能。保证制造业的生命力在于创新,而实现创新的关键,除了设计思想和概念之外,最重要的就是技术能力发展改变了以往产品的设计步骤  。通过结合整窗的热工计算相关标准及参考文件：《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》 JGJ/T  151-2008;《民用建筑(词条“民用建筑”由行业大百科提供)热工设计规范》GB 50176-1993等。依据《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》(JGJ/T  151-2008)(以下简称“JGJ/T 151”)结露性能评价与计算，采用以下标准计算条件：

　　(1)室内环境温度：20℃;

　　(2)室内环境湿度：30%，60%;

　　(3)室外环境温度：0℃，-10℃，-20℃;

　　(4)室外对流换热系数：20 W/(㎡.K)。

　　例如 80铝窗右框框节点

　　80铝窗右框框节点温度线图

　　580铝窗右框框节点温度场图

　　案例计算结果：

　　① 传热系数

　　= (0.586 + 0.912 + 0.352) / (0.675 + 0.450)

　　= 1.644 W/(㎡·K)

　　② 透明部分的太阳光总透射比

　　= (0.093 + 0.018) / 1.125

　　= 0.098

　　③ 透明部分的遮阳系数

　　= 0.098 / 0.87

　　= 0.113

　　④ 透明部分的可见光透射比

　　= 0.048 / 1.125

　　= 0.043

　　⑤ 整个门窗单元的总面积：1.13㎡

　　⑥ 本门窗单元的框总面积：0.45㎡

　　⑦ 本门窗单元的框窗比例：0.4%

　　通过以上两种计算分析的信息结果，将热工计算和有限元分析技术逐渐由传统的分析和校核扩展到优化设计，并与计算机辅助设计和辅助制造密切结合，形成了现有的技术分析框架。可以定量化地判定产品设计方案是否满足设计要求，对于不合格的设计方案，可结合计算数据及变形过程动画和计算变形网格图来对原设计方案进行改良，从而得出最终的设计方案，提高了产品设计中的功能性。提前发现产品在启闭过程中唇边应力和拐点之间的受力变化，针对这两个主要原因，更改方案在唇边与支撑点的结合处进行了弱化处理，并且可对应力拐点位置做出调整，以确保应力拐点向唇边端部移动，减少厚度较大的唇边根部应力集中，满足产品设计要求。

　　系统门窗在设计上必须通过密封胶条的技术创新达到更好的气密，水密，隔音，隔热，抗风压。同时，门窗及配套件行业企业的技术发展要基于统一技术标准下的产品差异化，构成企业的核心竞争优势，同时也给市场提供更多更新的选择，创新与差异化一方面是针对门窗的最终用户，侧重于产品的舒适度、人性化、安全性和智能化，另一方面是针对门窗制造商，侧重于安装的便利性、提高安装效率、降低采购与管理成本，从而提升门窗企业的竞争力。

　　结束语

　　近几年通过国内外的参展、考察，收集研究资料，分析我们目前多元化产品现状，不停思考解决门窗的功能性方案，密封胶条变形行为仿真的基本理论较为系统的研究和分析，为我们的门窗密封胶条的结构设计提供了借鉴，优质胶条产品将直接提升整窗的品质。

　　希望看到国内节能门窗的繁荣气象，有更多正确的观念和技术能导入市场，促进国内密封胶条的总体水平与国际同行差距减小，成为我们行业共同追求的目标。通过产品计算分析技术的应用，能够有效地改变设计思想和方法，提高产品的设计能力和技术创新能力。