轎車車門密封條結構的數值分析與改進設計

趙 健，崔巍升，金 濤，鄭燕明

(1.浙江大學化工機械研究所，杭州 310027; 2.浙江仙通橡塑股份有限公司，臺州 317300)

前言

汽車密封條的主要作用是防水、防塵、減震、隔聲和密封，在應用中還要求具有一定的舒適性和裝飾性。壓縮變形特性和插拔受力狀況是評定密封條使用與安裝性能的兩個重要方面。文獻［1］中用ABAQUS軟件評定了密封條的壓縮變形特性，獲得了壓縮過程中接觸壓力的分布特征。文獻［2］和文獻［3］中進行了密封條壓縮變形分析和結構優化，初步驗證了數值模擬技術解決非線性介質力學問題的有效性。相對壓縮變形，插拔過程的受力狀況和邊界條件更為復雜。良好的密封條夾緊機構要求有較小的插入力和較大的拔出力，以保證裝配方便且在使用中不易脫落，但對同一密封條卻是矛盾的［4］。

轎車車門密封條主要由密實橡膠、海綿橡膠和金屬骨架3部分組成，其中金屬骨架鑲嵌在密實橡膠中。工業生產中密封條常常使用三元乙丙橡膠(EPDM)，它是典型的非線性彈性材料;在密封條裝配過程中，密封條同時存在著幾何非線性(大變形)和邊界非線性(接觸)問題。

本文中討論了密封條的材料特性、幾何特性和接觸邊界條件問題，并應用MSC.MARC軟件對密封條的結構進行了非線性有限元分析，評定了密封條的插拔受力特性，取得了良好的定量分析效果，通過試驗驗證了分析的合理性。

1 密封條插拔變形的有限元分析

1.1 密封條的結構特征

某汽車背門框密封條結構如圖1所示，密實橡膠與骨架形成“U”狀結構，依靠變形齒與鈑金的摩擦力起著牢靠夾持并固定在車門側圍鈑上的作用，使其具有更可靠的密封作用。由于在密封條插拔變形過程中主要是“U”型密實橡膠結構起作用，本文中主要對其進行分析。為便于分析，對密封條結構進行簡化，得到“U”型槽簡化模型，如圖2所示。

1.2 材料模型和特性

橡膠材料在大變形的情況下不服從胡克定律，其受力與位移或應力與應變是非線性關系。簡化模型中海綿橡膠部分已不存在，因此只須考慮密封條EPDM密實橡膠的材料特征。

EPDM密實橡膠在變形中體積變化極小，具有近乎不可壓縮的材料特性，在較短的時間和恒定的溫度下，可以被處理為各項同性材料。其本構特征一般用超彈性材料模型來描述，本構方程的一般形式為［5］

式中:σ為柯西應力張量;W為應變能密度函數;I為單位張量;B為柯西-格林變形張量;F為變形梯度;J為Jacobian行列式;I1和I2為柯西-格林變形張量的第一、第二不變量。

對于不可壓縮材料:

因此，式(1)可簡化為

式中p為由不可壓縮約束所引出的拉格朗日因子。

EPDM密實橡膠的材料模型可用基于主應變不變量的應變能密度函數表述，即兩參數的Mooney-Rivilin 模型［6］:

式中:C1和 C2為材料常數，由試驗確定;λ1、λ2、λ3為主伸長比。

大多數橡膠在應變為150%以內時可用上述模型得到合理的近似。在MARC中利用非線性最小二乘法，通過擬合單軸拉伸試驗數據確定密實橡膠材料常數:C1=0.37MPa，C2=0.41MPa［7］。

1.3 接觸邊界條件

接觸邊界條件是高度非線性的復雜問題，密封條插拔變形主要通過鈑金與橡膠材料接觸而產生［8］，插拔分析結果對邊界條件的處理較為敏感，因此在密封條插拔變形的有限元分析中，接觸邊界條件的準確處理極為重要。在長期觀察密封條裝車和試驗測試情況，并與大量模擬分析結果對比的基礎上，對密封條結構的有限元分析作出如下假定。

(1)數學上施加無穿透接觸約束的方法主要有拉格朗日乘子法、罰函數法和直接約束算法，其中直接約束法具有較好的普遍適應性和精確性，可以對事先無法預知的接觸發生區域的接觸問題進行自動探測并施加接觸約束。因此本文中采用MARC軟件中基于直接約束法的接觸迭代算法來處理插拔過程中的接觸問題。

(2)分析參照QC/T 716—2004標準有關插拔力試驗測試的規定進行，忽略鈑金部分的變形，將其定義為剛體，將包括變形齒在內的所有密實橡膠部分和金屬骨架部分定義為變形體(變形體不施加任何載荷約束)，并將金屬骨架視為粗糙度無限大的表面，即表示金屬骨架與密實橡膠表面接觸后不可分離，界面可承受剪應力而不發生滑動。分析中鈑金按照設定速度(50mm/min)插入至接近溝槽底部位置并以相同速度拔出。

(3)忽略海綿泡管等部分的輕微影響，對“U”型槽簡化模型進行分析，并將其周側加框，槽框設置為剛體并固定約束，左右留置0.3mm間隙，上下留置0.2mm間隙，給予密封條一定的調整空間，以減少初始插入位置對分析結果的影響，并與實際試驗測試情況進行良好的對比。

(4)以上各剛體與變形體間的接觸使用黏-滑摩擦模型描述，根據廠方提供數據并經分析驗證，將剛體與變形體間的摩擦因數設定為0.45。并根據該密封條測試要求，插入與拔出時分別使用3和1.5mm型板。

1.4 有限元模型

密封條結構長度方向尺寸遠大于其余兩個方向尺寸，因此在分析時假定為平面應變變形方式，進行二維仿真。利用四邊形單元良好的變形性能，對密封條結構進行網格劃分，單元尺寸選取0.3～0.7mm，使在密封條厚度方向和表面接觸區域的網格得到足夠的細分。密實橡膠選用80號全積分Herrmann單元，金屬骨架采用11號全積分單元，有限元模型如圖3所示。

2 計算結果

基于密封條的大位移變形情況，使用全拉格朗日算法求解克?；舴蚍匠?，迭代方程使用全牛頓-拉普遜方法控制收斂過程，其特點是剛度矩陣在每一迭代步都要重新組裝。計算得到的插拔變形等效柯西應力分布如圖4和圖5所示，其中無網格的輪廓線為變形前狀態。

3 試驗驗證及分析

為驗證MSC.MARC分析結果的準確性，根據QC/T 716—2004中的有關規定，對該密封條實際生產出的樣品進行測試，并與計算結果進行對比，如圖6和圖7所示。插拔過程中，計算與試驗最大插拔力及誤差如表1所示。

表1 計算與試驗最大插拔力及誤差

根據計算結果以及圖6和圖7可知，插拔過程存在較大變形，插拔力隨側圍鈑的運動而劇烈波動。根據該密封條設計要求中關于插拔載荷標準的規定，厚 3mm型板進行插入試驗時，插入力≤40N/100mm，厚1.5mm型板進行拔出試驗時，拔出力≥40N/100mm。因此，該密封條的插入力超出了標準范圍，須進行結構改進。

4 密封條結構的改進

通過分析觀察車門圍鈑與海綿橡膠在插拔接觸過程中的受力變形狀況可知，原結構的變形齒厚度和傾斜角度是導致插拔力超標的主要因素，在密封條的結構改進過程中也主要改進變形齒的形狀和尺寸。由于插拔力的互相依賴，此消彼長，故改進方案須將插入力和拔出力同時調整至一個合適的范圍。圖8為改進后的密封條結構與原結構對比，兩側變形齒分別在根部減少了0.29mm，頭部傾斜角度減少15°。參照前述有限元分析方法，對改進后的結構進行插拔變形分析，結果如表2所示。

表2 結構改進前后插拔力計算結果

由表2可知，改進后的結構插拔力均大幅減小，由設計要求可知，滿足該密封條的產品設計標準。

5 結論

本文中利用非線性有限元分析軟件對密封條結構進行分析。分析結果與測試結果的誤差小于7%。通過對該密封條的多批次產品進行大量試驗及分析對比，可得出如下結論。

(1)密封條的生產制造精度對試驗結果有較大影響，尤其對密封條“U”型槽中變形齒的角度和厚度等誤差較為敏感，可作為密封條結構改進的方向。

(2)通過在計算中對密封條“U”型槽加邊框，保證了密封條在插拔過程中一定的運動調整幅度，與試驗裝車情況較為接近，有效減少了插入位置對計算結果的影響，避免了網格畸變，與試驗結果的誤差較小，證明了邊界條件處理的合理性。

(3)根據分析結果對密封條結構進行改進，改進后的結構能夠滿足產品設計要求，驗證了“U”型槽變形齒的形狀和尺寸對插拔力的影響，表明通過調整變形齒的厚度和傾斜角度可以有效改變插拔力的大小。

(4)運用MSC.MARC軟件可較好地解決密封條在插拔過程中存在的高度非線性問題，據此可以在產品設計初期指導密封條的結構設計。

［1］Wagner D A，Morman J K N，Gur Y，et al.Nonlinear Analysis of Automotive Door Weatherstrip Seals［J］.Finite Elements in Analysis and Design，1997，28(1):33-50.

［2］趙建才，姚振強.桑塔納2000車門密封條壓縮變形的數值分析［J］.上海交通大學學報，2006，40(10):1806-1808.

［3］Zhao J C，Zhu X S，Huang S J，et al.The Experimental Analysis for Compression Deformation of Automotive Door Seals［J］.Experimental Techniques，2003，27(1):27-31.

［4］黃燕敏.基于仿真分析的轎車車門密封條結構改進研究［D］.上海:上海交通大學，2010.

［5］匡震邦.非線性連續介質力學基礎［M］.西安:西安交通大學出版社，1989.

［6］Mooney M.A Theory of Large Elastic Deformation［J］.Journal of Applied Physics，1940，11:582-592.

［7］王偉，鄧濤，趙樹高.橡膠Mooney-Rivlin模型中材料常數的確定［J］.特種橡膠制品，2004，25(4):8-10.

［8］陳火紅，楊劍，薛小香，等.新編Marc有限元實例教程［M］.北京:機械工業出版社，2007.