汽車尾門密封條壓縮仿真的影響因素研究

王春偉 操芹 張景煌 江想蓮 王若滿

摘 ?要：運用非線性有限元方法對汽車尾門密封條壓縮進行仿真分析，并對兩種影響因素下的壓縮變形及壓縮力進行仿真和試驗的對比。結果表明，橡膠材料的Mullins效應明顯影響汽車尾門密封條的壓縮變形及壓縮力;通過摩擦力試驗獲取的尾門及其密封條間的滑動摩擦因數，可直接用于密封條壓縮仿真分析。

關鍵詞：汽車尾門密封條;影響因素;壓縮變形;有限元分析

中圖分類號：U465.4+2 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2022）02-0052-04

Research On Influencing Factors Of Compression Simulation

Of Automobile Tailgate Sealing Strip

WANG Chun-wei， CAO Qin， ZHANG Jing-huang， JIANG Xiang-lian， WANG Ruo-man

（ Dongfeng Motor Company Technical Center， Wuhan 430058， China ）

Abstract： The nonlinear finite element method is used to simulate the compression of automobile tailgate sealing strip， and the compression deformation and compression force under the two influencing factors are simulated and compared with the test. The results show that the Mullins effect of rubber material obviously affects the compression deformation and compression force of automobile tailgate sealing strip; the sliding friction coefficient between the tailgate and its sealing strip obtained from the friction test can be directly used for the compression simulation analysis of the sealing strip.

Key Words： Tailgate Sealing Strip; Influence Factors; Compression Deformation; Finite Element Analysis

尾門密封條作為汽車密封系統中最重要的密封部件，它不僅可以起到隔聲、隔熱的作用，而且還可以減少尾門在關閉過程中的沖擊及汽車行駛過程中的振動[1-3]。

近年來，行業專家對影響尾門密封條壓縮仿真的因素進行了大量的研究。Li等[4]通過三維仿真分析對密封條的彎曲性能進行了研究;Moon等[5]利用顯式算法來研究密封條各段的壓縮仿真分析;M. KENA等[6]研究了車門不同位置的密封間隙對關門品質的影響;黃燕敏[7]通過研究密封條唇邊的厚度及角度、涂層、接角等影響因素對密封條的結構進行了改進。

本工作針對汽車尾門密封條壓縮，采用非線性有限元分析軟件Abaqus研究Mullins效應的材料參數及滑動摩擦因數對尾門密封條變形過程及壓縮力的影響。

1 ? ?汽車尾門密封條的壓縮試驗

根據QC/T 710-2004 《汽車密封條壓縮負荷試驗方法》對汽車尾門密封條進行壓縮試驗[8]，如圖1所示：

2 ? ?汽車尾門密封條模型

2.1 ? 斷面模型

尾門密封條斷面的仿真模型如圖2所示，其主要包含海綿膠、密實膠及鋼骨架三部分。仿真分析的邊界條件及壓縮過程嚴格控制與試驗保持一致，減少客觀誤差的影響。

2.2 ? 材料本構模型及參數

對于橡膠材料來說，其力學特性較為復雜，需要通過非線性的本構模型進行描述。

2.2.1 海綿膠

反映海綿膠力學性能特性的本構模型為Hyperfoam模型[9]，其本構方程為：

（1）

式中：U為單位參考體積的應變能;Jel是“熱膨脹”中定義的彈性體積比; ?為偏應力;μi、αi、βi均為與溫度有關的材料常數，它們是由單軸壓縮、簡單剪切與體積壓縮試驗的數據來確定的。如表1所示為本文所用海綿膠的材料本構參數，其值均由材料試驗進行擬合獲得。

2.2.2密實膠

反映密實膠力學性能特性的本構模型為Ogden（N=3）本構模型[10]，其本構方程為：

（2）

如表2所示為本文所用密實膠的材料本構參數，其值均由材料試驗進行擬合獲得。

3 ? ?汽車尾門密封條壓縮仿真的影響因素

3.1 ? Mullins效應

橡膠材料存在著較為明顯的Mullins效應，即橡膠材料在受到外力的作用下，會發生應力軟化，進而可能會導致材料的各向異性[11]。為了減少橡膠材料Mullins效應的影響，提高非線性有限元分析的精度，我們在進行單軸拉伸試驗的過程中至少要進行5次以上的加卸載過程，對最終的初始應變值進行調整，使得起始應變值歸零。

Mullins效應的損傷變量公式[2，11]如下：

（3）

（4）

式中：η為損傷變量;Udev為材料變形中某點的應變值，Udevm為該點的應變最大值;r、m、β為材料參數（r>1，m≥0，β≥0且m、β不同時為0）;erf （x）為誤差函數。當Udev = Udevm 時，η=1.0;當Udev=0時，η=ηmin= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?;

因此，損傷變量η的變化范圍為ηmin≤η≤ 1.0。

本文采用的Mullins效應參數如表3所示，其值均由材料試驗進行擬合獲得。

如圖3表示材料屬性考慮Mullins效應的材料參數對尾門密封條的壓縮仿真分析的影響誤差圖。其中，壓縮仿真分析的誤差δ定義[8]為：

（5）

式中：fs為仿真尾門密封條的壓縮力，fe為試驗尾門密封條的壓縮力。

通過誤差圖可以分析發現，在構建橡膠材料屬性時考慮Mullins效應的材料參數，其壓縮的誤差較低，變形反力與實際壓縮試驗的壓縮特性曲線相接近，擬合度更好，誤差值也在可接受的范圍內。這也充分證明了Mullins效應導致的材料損傷軟化，很大程度上影響仿真與試驗的壓縮力差異。

3.2 ? 滑動摩擦因數

尾門密封條在壓縮變形過程中，主要存在的接觸關系[12]：（1）密實膠與金屬骨架之間的接觸關系;（2）海綿膠自身間多個位置的接觸關系;（3）尾門剛體與尾門密封條之間的接觸關系，兩者之間的摩擦類型為庫侖摩擦，其方程如下：

（6）

式中：τf為摩擦力;f為滑動摩擦因數，其值低于1;σn為正壓力。

硫磺、硫化環境等因素的差異，導致橡膠材料的表面硫化層的厚度及表面質量有所差異，故橡膠材料的滑動摩擦因數較難獲得準確值。通過摩擦力試驗，對本批次材料的滑動摩擦因數進行測量，滑動摩擦因數的范圍為0.5～0.7。在進行密封條壓縮仿真分析時，摩擦因數需要某個特定值。故本文通過梯度選取摩擦因數，對比壓縮仿真過程中的密封條變形形式與試驗的差異，進而確定準確度摩擦因數。

圖4、圖5分別表示不同滑動摩擦因數下的壓縮量變化曲線及壓縮變形。從圖中可以看出，滑動摩擦因數 f 在0.5 ～ 0.7的范圍內，其壓縮量變化曲線完全一致;選取摩擦因數為0.60時模擬尾門與橡膠泡管的變形形式，可以發現其最終變形與試驗的近乎一致。因此，在進行密封條壓縮仿真分析時，其摩擦因數可直接選取試驗獲得的滑動摩擦因數值。

4 ? ?結論

（1）壓縮仿真分析建模時，充分考慮橡膠材料中存在的Mullins效應，可以有效的降低仿壓縮仿真分析的誤差，大大提升仿真與試驗的對標精度。

（2）尾門密封條的壓縮力仿真分析中的摩擦因數，可以直接通過摩擦力試驗獲取。

參考文獻：

[1]張杰. 基于有限元仿真的汽車尾門密封條結構分析[J]. 橡膠科技，2019， 17（11）：0612-0615.

[2]David A W，Kenneth N，Morman J，et a1. Nonlinear Analysis of Automotive Door Weatherstrip Seals [J]. Finite Elements in Analysis and Design，1997，28（1）：33-50.

[3]王海軍，谷洲平. 三元乙丙橡膠海綿車門密封條壓縮變形的仿真分析與試驗驗證[J]. 橡膠工業， 2018（7）：814-817.

[4]LI Q， ZHAO J C， LIU W B， et al. Analysis of the wrinkle of an automobile weather-strip seal in bending [J]. Journal of Macromolecular Science， Part B： Physics， 2017， 56（2）： 124-133.

[5]Moon H， Kim H， Kim SB， et al. Predicted minimum door-closing velocity based on a three-dimensional door-closing simulation [J]. Finite Elements in Analysis and Design， 2011（47）： 296-306.

[6]KENA M， NEWTON D. Study the effect of the weather strip on side door closing effort for passenger vehicle[C]. Proceedings of the International Conference on Industrial Engineering and Operations Management. USA： IEOM Society International， 2018： 142-155.

[7]黃燕敏. 轎車玻璃導槽密封條結構改進方法[J]. 汽車技術，2013，000（006）：39-43.

[8]鄭明貴，王春偉，操芹，等. 汽車門框密封條壓縮的仿真分析[J]. 橡膠工業，2021，68（5）： 0363-0368.

[9]OGDEN R W. Large deformation isotropic elasticity： on the correlation of theory and experiment for compressible rubberlike solids [J]. Proceedings of Royal Society， 1972（328）： 567-583.

[10]OGDEN R W. Large deformation isotropic elasticity： on the correlation of theory and experiment for incompressible rubberlike solids [J]. Proceedings of Royal Society， 1972（326）： 565-584.

[11]Cheng M， Chen W. Experimental investigation of the stress - stretch behavior of EPDM rubber with loading rate effects [J]. International Journal of Solids & Structures， 2003， 40（18）：4749-4768.

[12]付治存. ANSYS有限元技術在汽車密封條設計中的應用[J]. 汽車工程師，2017（3）：24-26.

[13]李漫，徐兆攀，張新欣，等. 橡膠密封條摩擦因數測試影響因素的研究[J]. 橡膠科技，2019， 17（10）：0592-0595.

王春偉

畢業于長安大學，工學碩士學位，現就職于東風汽車集團有限公司技術中心，任責任工程師，主要研究方向為結構剛強度、空調流體仿真分析等，曾發表論文2篇。

專家推薦語

龍從林

東風汽車集團有限公司技術中心

車身部總師 ?研究員級工程師

本文采用考慮Mullins效應的本構模型，對正壓力和摩擦力的模擬準確，求得的尾門密封條的應力-應變曲線、密封條變形形式都與試驗高度吻合，仿真精度明顯高于業內普遍水平。