趙本軍

密封膠條在門窗系統(tǒng)中的有限元仿真應用

趙本軍

密封膠條是確保建筑門窗密封性能的關鍵配套件，密封膠條的標準化、質(zhì)量化、安全可靠性、有效的設計要求是將來密封膠條發(fā)展的趨勢,密封系統(tǒng)屬于門窗系統(tǒng)技術的關鍵項。本文提出了密封膠條CAE技術設計分析對門窗的運動順暢性、啟閉力、隔音性、防水性等都需通過合理結構、材料設計中求得完善。

仿真分析；結構改進；壓縮變形；插拔變形；彎曲變形；非線性結構分析

前言

計算機輔助工程(CAE)技術是計算機技術和工程分析技術相結合形成的新興技術。CAE軟件是由計算力學、計算數(shù)學、結構動力學、數(shù)字仿真技術、工程管理學與計算機技術相結合，而形成一種綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品。CAE的核心技術是有限元理論和數(shù)字計算方法。CAE的現(xiàn)狀和趨勢證明傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，CAE技術已經(jīng)成為整個設計過程的一部分，并發(fā)揮著關鍵作用。通過仿真分析具有成本低、周期短的優(yōu)勢，可以在實際產(chǎn)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，仿真分析提供了有益探討和借鑒，制造功能性產(chǎn)品的CAE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，采用模式識別理論、誤差理論、神經(jīng)網(wǎng)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，提高最終產(chǎn)品質(zhì)量的方法。

由于橡膠特殊的性能被應用于各行各業(yè)起著重要作用，對橡膠制品進行有限元分析有著重要的意義。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。有限元模型，對其安裝和使用過程中的接觸變形、接觸寬度上的接觸應力分布等進行了分析，從而為進一步可靠設計、優(yōu)化橡膠密封件提供了理論依據(jù)。 橡膠材料承受大的變形、應力應變非線性行為、粘彈性行為和不可壓縮性，對其分析需要特殊的材料模型和有限元工具。對橡膠非線性材料的超彈性模型、基礎實驗、橡膠非線性有限元理論進行了研究。通過對橡膠制品的各個方面的有限元分析，有助于增加產(chǎn)品和工程的可靠性；在產(chǎn)品的設計階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題；經(jīng)過分析計算，采用優(yōu)化設計方案。

密封膠條是門窗配件中技術含量較高的密封零部件，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(huán)保、舒適的生活及辦公環(huán)境的需求，使得我們行業(yè)內(nèi)對密封膠條研究越來越重視。密封膠條具有優(yōu)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(yōu)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。制造業(yè)的生命力在于創(chuàng)新，而實現(xiàn)創(chuàng)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的保障，CAE的出現(xiàn)和發(fā)展改變了以往產(chǎn)品的設計步驟。

1. CAE依據(jù)密封膠條多元化的設計要點及產(chǎn)品特性

橡膠密封膠條已成為門窗密封的重要零部件，密封膠條繼續(xù)朝著美觀化的方向發(fā)展，提高裝飾性?？梢暡糠值牟噬⑼飧部椢?、表面涂飾、外層光亮飾條等，并與內(nèi)飾件相互匹配，將成為新的時尚。復合型密封膠條更要得到進一步普及性，從雙復合走向三和四復合，材料多樣化、性能功能化。從技術角度看，門窗承擔了水密性、氣密性、抗風壓、機械力學強度、隔熱、隔音、防盜、遮陽、耐候性、安裝操作手感等一系列重要的功能。

關注特殊產(chǎn)品的使用設計要求及多元化產(chǎn)品選用：

1.1 門窗密封膠條推拉產(chǎn)品：在解決我們推拉門窗低摩擦和耐久低磨耗，提高氣密、水密性能的方向考慮，傳統(tǒng)的植絨工藝可分為在線植絨和離線植絨，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(chǎn)品表面常常要涂覆、噴涂、化學改性和靜電植絨，因此，密封膠條復合材料層之間的粘著效果是不可忽視的條件，決定著密封膠條外觀質(zhì)量和使用耐久性。

1.2 密封膠條通用產(chǎn)品：密封膠條的通用特性既是密封材料又是減震、緩沖材料，對于外露密封膠條又是裝飾材料，大多兼具三種功能的作用，不僅氣密水封，還要減噪隔音、舒適美觀，不準有任何異味和污染性，不能變色、噴霜、腐蝕和銹化。要求多種配合和較高的硫化技術，不僅有實心膠不同硬度的調(diào)節(jié)、硬質(zhì)膠的配合，還有海綿發(fā)泡大小的掌握，尤其是它們之間牢固的粘著。此外，還有TPE、PVC等熱塑性彈性體和塑料的配制方法。

1.3 密封膠條阻燃產(chǎn)品：密封膠條要有環(huán)保性，除了生產(chǎn)的節(jié)能之外，還要有使用時的阻燃性。

1.4 密封膠條夾線產(chǎn)品： 密封膠條要滿足精細的膠條尺寸精度，還要有防止安裝時伸長的缺陷，為防止工人安裝時將膠條拉伸長也可選擇夾線膠條。

2. CAE仿真分析在門窗密封膠條產(chǎn)品特性設計中的應用

通過掌握有限元分析來完善產(chǎn)品結構設計，CAE(Computer Aided Engineering）是指用計算機輔助求解復雜工程結構強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優(yōu)化設計等問題的一種近似數(shù)值分析方法隨著CAE技術的介入，技術需求對提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)和生產(chǎn)成本具有十分重要的意義。門窗密封條的開發(fā)周期及成本會不斷的降低，會更好更快的為各個門窗系統(tǒng)設計出最佳密封效果。同時出現(xiàn)的問題，可以通過理論聯(lián)系實際更快速，更低成本的做出整改。例如某結構整窗在拐角處唇邊容易起皺，密封性能不理想?，F(xiàn)場測試后用CAE模擬和分析密封條彎曲狀態(tài)，分析和模擬結果與實際情況非常一致，即密封條在拐角處出現(xiàn)非常明顯的起皺現(xiàn)象。為此，將來運用CAE優(yōu)化密封膠條結構。安裝試驗表明，優(yōu)化結構對密封膠條不起皺，更好的提高密封性能。通過經(jīng)驗積累掌握密封膠條的設計原則及規(guī)范，實現(xiàn)密封膠條要求必須具備的功能：連接性、密封性和裝飾性。隨著具備的環(huán)保性、舒適性、安全性、美觀性的要求越來越高，對以往的功能的要求也在不斷地提高，我們也通過CAE分析模擬在風壓逐步加大來調(diào)整密封膠條斷面力學結構更加完善。行業(yè)同仁需關注密封膠條的應用材料、產(chǎn)品結構、生產(chǎn)工藝及技術等方面來分析、研究密封膠條行業(yè)的發(fā)展趨勢。

密封膠條仿真分析在設計中從最初單純的零部件二維仿真分析發(fā)展到了在各個產(chǎn)品與密封膠條設計相關鄰域的廣泛應用。目前常用的商業(yè)仿真計算分析軟件有ABQUS,MARC,POLYFLOW等，這些軟件不僅能幫助工程技術人員進行壓縮變形、安裝變形等主要產(chǎn)品性能的計算，還可以對安裝效果、安裝難度進行可視化分析，與傳統(tǒng)的調(diào)試法相比，仿真分析的密封膠條設計具有時間短、費用少、效率高的特點。在設計方面可以用于根據(jù)設計進行改進產(chǎn)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、搭接等三維結構問題。在裝配工藝方面可以根據(jù)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(zhì)量和裝配效率的問題區(qū)域，并對其進行優(yōu)化。

橡膠密封材料主要為三元乙丙橡膠，具有明顯的非線性性質(zhì)，屬于非線性彈性體。為了實現(xiàn)其變形行為的仿真分析，必須首先對三元乙丙橡膠的材料性能進行研究。對于彈塑性分析和大位移分析可采用切線剛度法，密封膠條的變形行為及屬于大位移分析，對于蠕變分析或熱力分析或熱應力分析可采用初應變法，密封膠條的彎曲變形則需要采用三維仿真來進行分析。以下是仿真分析在密封膠條中的典型應用案例：

圖1 改進前和改進后等壓膠條結構分析CAE分析

2.1 仿真分析在產(chǎn)品結構設計中的應用

圖1中出現(xiàn)了小面積的紅色區(qū)域，該區(qū)域的受力過大。

分析原因：由于等壓膠條的結構應力集中引起的，沒根據(jù)型材完善。

改進方法：調(diào)整設計結構優(yōu)化，降低壓縮負荷改進后的等壓膠條結構CAE分析圖（受力為4.5N）

圖2中出現(xiàn)了小面積的紅色區(qū)域，該區(qū)域的受力過大。

分析原因：這是由于玻內(nèi)側密封膠條的厚度太厚引起的，設計時沒有跟型材調(diào)試。

改進方法：減小玻內(nèi)側密封膠條的厚度

建筑用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(yōu)劣將直接影響到最終的門窗品質(zhì)。

傳統(tǒng)的密封條結構設計與改進往往依賴于工程設計人員的經(jīng)驗與反復安裝的驗證，開發(fā)費用高、開發(fā)周期長，基于有限元方法的仿真分析的運用，發(fā)展迅猛。相對于傳統(tǒng)的調(diào)試法的設計方法，它具有開發(fā)成本低、開發(fā)周期短的優(yōu)勢。由于可以在實際密封條生產(chǎn)前就對一些可能產(chǎn)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(shù)據(jù)，因此將成為建筑用密封條結構設計的主流方法。

圖2 原玻內(nèi)側密封膠條結構分析CAE分析

2.2 通過以上幾種數(shù)據(jù)分析結果我們可以得到以下信息：

2.2.1 密封膠條在變形過程中的應力分布和應力集中情況；

2.2.2 密封膠條在設定壓縮距離下的壓縮負荷數(shù)值；

2.2.3 密封膠條在設定安裝力距離下的插拔力數(shù)值；

2.2.4 密封膠條在設定加載情況下的彎曲變形數(shù)值；

2.2.5 密封膠條變形過程的動態(tài)動畫。

表1

表1中最佳的壓縮量在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。

以上信息，可以定量化地判定產(chǎn)品設計方案是否滿足設計要求，對于不合格的設計方案，可結合變形過程動畫和計算變形網(wǎng)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(chǎn)品設計中的功能性和裝配性能。發(fā)現(xiàn)產(chǎn)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(diào)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(chǎn)品設計要求。通過行業(yè)產(chǎn)品技術提升系統(tǒng)門窗在設計上必須通過密封膠條的技術創(chuàng)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(yè)企業(yè)的技術發(fā)展要基于統(tǒng)一技術標準下的產(chǎn)品差異化，構成企業(yè)的核心競爭優(yōu)勢，同時也給市場提供更多更新的選擇，創(chuàng)新與差異化一方面是針對門窗的最終用戶，側重于產(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(yè)的競爭力。將有限元分析技術逐漸由傳統(tǒng)的分析和校核擴展到優(yōu)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(xiàn)在CAE技術的框架。

3.結束語

通過收集國內(nèi)外研究資料，分析我們目前多元化產(chǎn)品現(xiàn)狀，對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，探討了如何將仿真應用到我們的門窗密封膠條的結構設計提供了借鑒，產(chǎn)品的優(yōu)劣將直接影響到整窗的品質(zhì)。希望看到國內(nèi)節(jié)能門窗的繁榮氣象，盼望有更多正確的觀念和技術能導入市場。促進密封膠條的總體水平與國際同行業(yè)相比差距的減小。為人類和社會提供一個舒適的室內(nèi)環(huán)境，CAE技術是密封膠條技術發(fā)展和完善的一個新趨勢，也是我們行業(yè)共同追求的目標。CAE技術的應用能夠有效地改變設計思想和方法，提高設計能力和技術創(chuàng)新能力，隨著軟件使用能力的提高和熟練，以ANSYS為代表的CAE分析軟件將會促進我國計算機輔助工程技術的發(fā)展。

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（作者中國建筑金屬結構協(xié)會建筑門窗配套件委員會專家組專家，江陰海達橡塑股份有限公司技術總監(jiān)）

表3 銅加速乙酸鹽霧（CASS）試驗

3. 結論

通過對電泳紫銅料和電泳深香檳料的對比發(fā)現(xiàn)，電泳紫銅料的耐候和電泳深香檳料的耐候均能達到GB5237.3的相關要求，符合建筑用鋁合金型材的要求。

（作者單位：山東華建鋁業(yè)集團）

TU231

A

1671-3362（2015）02-0069-04