基于非線性有限元分析的汽車密封條裝配結構優化

熊巧巧，何 鋒，陳啟鵬，李 屹

（貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025)

0 引言

車身密封系統中，插拔力是評價密封條可靠性和安裝特性的一項重要指標。良好的插拔特性要求密封條有較小的插入力和較大的拔出力，便于安裝，防止使用過程中脫落。車身不同位置鈑金厚度不同，對密封條的插拔特性產生影響也不同，因此，研究汽車密封條裝配結構具有重要意義。

國內外在密封條結構改進上已展開廣泛研究，文獻[1]借助非線性有限元分析方法,對密封條截面結構進行壓縮負荷分析，得出在密封條幾何形狀和材料屬性真實情況下，非線性有限元方法可應用于密封條結構改進[1]。文獻[2]借助Marc有限元分析法，對單泡管型門框密封條的插拔變形和彎曲變形的模擬分析，得出門框密封條插拔特性和彎曲特性結構改進的一般方法[2]。文獻[3]借助非線性連續介質力學理論和有限元分析方法，對車門密封條的插拔特性進行分析，得出用數值模擬方法可以有效求解密封條插拔過程中的高度非線性問題[3]。盡管一些學者在密封條插拔特性上展開了許多研究，但裝配結構中夾持齒齒數，鈑金插拔位置和鈑金厚度等對插拔特性的影響，尚未見到文獻報道。

本文借助非線性有限元軟件M arc，針對某車型密封條裝配結構進行研究，根據夾持齒齒數、插拔位置和夾持齒形等結構因素對插拔特性的影響，對其結構進行優化，有效改善了密封條的插拔特性。

1 密封條非線性有限元分析

密封條夾持部位的材料主要由密實膠構成，該材料具有大變形、高彈性和高延展率等特性；在較小應力作用下可以產生大變形，具有典型幾何非線性特征；在大應變狀態下，應力應變關系呈非線性，屬于材料非線性。為得到較為理想的仿真結果，本文運用非線性有限元分析軟件Marc對該密封條裝配結構進行分析研究。

圖1 密封條結構

圖2 密封條簡化模型

1.1 幾何模型建立

某車型密封條的結構如圖1所示，由泡管狀海綿體（單管或雙管）、金屬骨架（有骨架或無骨架）、夾持齒（由密實膠組成）和裝飾條組成。密封條的長度遠大于自身的高度與寬度，在受力過程中，密封條沿長度方向的變形較小，按照平面應變問題進行建模和計算。密封條插拔特性主要是夾持部位起作用，為便于研究，對密封條的截面結構進行簡化，簡化模型中去掉泡管狀海綿體和裝飾條，簡化后的結構如圖2所示。

1.2 橡膠材料模型選擇

密實膠在受力變形中呈微可壓縮材料特性，常用的材料模型主要有Mooney-Rivilin模型[4]和Ogden模型[5]。Mooney-Rivilin模型是在橡膠材料不可壓縮及各項同性基礎上，建立起的材料模型。Ogd en模型在Mooney-Rivilin模型的基礎上，加入控制可壓縮項，直接采用主伸長率λi作為自變量，其應變能函數定義為：

式中：N為材料常數，μn和αn為與溫度相關的材料常數，K為初始體模量，J為體積率。

由于Ogden模型能夠準確的描述材料在理想狀態的不可壓縮、實際狀態的微可壓縮和可壓縮三種狀態，并真實的反映橡膠的材料特性，因此，研究選用Ogden模型作為密實膠的材料模型。

1.3 單元選擇

對于粘彈性體的橡膠材料來說，采用規則單元會導致數值計算的嚴格約束，產生體積自鎖問題。Herrm ann單元包含壓力自由度和位移自由度，在解決不可壓縮與微可壓縮彈性材料、小應力或大應變分析時，能夠取得較好應力效果，選用全積分Herrm ann單元。

由于網格尺寸越小，計算結果越逼近真實,在二維仿真分析中，密封條網格單元尺寸一般在0.3-0.7mm之間。根據密封條的幾何形狀，網格類型采用四節點平面應變單元，單元尺寸選為0.4mm。

1.4 邊界條件確定

密封條接觸邊界條件屬于高度非線性問題。夾持部位結構復雜，精度要求高，接觸邊界條件設置的正確與否對分析結果準確性有較大影響。

密封條的夾持齒和骨架部分均為可變形體，鈑金為解析剛體。密封條的骨架完全被密實膠包覆，設置密實膠與骨架間的摩擦系數無限大，使之無相對滑移現象。夾持部位的夾持齒與鈑金間有相對滑動，用粘著-滑動摩擦模型來精確描述滑動摩擦和模擬真實粘性摩擦。

1.5 結果分析

圖3 等效柯西應力云圖（d=1.5mm）

圖4 等效柯西應力云圖 （d=0.7mm）

基于密封條非線性特性，采用更新拉格朗日算法分析密封條仿真過程，計算結果為等效柯西應力。等效柯西應力又稱為真實應力，其定義初始構型與現時構型，能夠準確地描述材料響應。

根據整車廠要求，密封條插拔特性試驗中所用到的鈑金厚度為1.5mm和0.7mm。如圖3所示，鈑金厚度為d=1.5mm時，鈑金插入密封條的等效柯西應力云圖。鈑金插入密封條時，夾持齒逐漸被壓縮，夾持齒與鈑金間產生粘性摩擦再產生滑動接觸，應力集中區域主要在夾持齒上。圖4為鈑金厚度為d=0.7mm時，鈑金插入密封條的等效柯西應力云圖。鈑金插入密封條時，密封條插拔力大幅度減小，應力集中區域與圖3相比無太大變化。

表1 插拔力計算結果

汽車在使用過程中處于振動狀態，振動使得車身上的密封條受動載荷作用。在動載荷作用下，橡膠等彈塑性材料的應力集中區域易老化。

表1為密封條插拔力計算結果，當鈑金厚度為1.5mm時，密封條最大插入力為42.5N/100mm和最大拔出力為157.6N/100mm；鈑金厚度為0.7mm時，密封條最大插入力為20.1N/100mm和最大拔出力為70.8N/100mm。根據汽車密封條行業標準QC/T716-2004,密封條插入力Fr≤40N/100mm，拔出力Fc≥40N/100mm。該密封條最大插入力為42.5N/100mm，超過密封條插拔力標準規定的最大值40N/100mm，需要對現有結構進行改進。

表2 密封條的插拔特性參數表

圖5 密封條改進后的結構

2 結構優化

通過對密封條插拔特性的研究，導致密封條插拔力超標的主要原因有夾持齒齒數、插拔位置、夾持齒形和鈑金厚度。經過大量試驗對比分析，作出以下結構改進，將夾持齒齒數減少到4條，鈑金插入位置改為5.9mm處，在夾持齒齒形上，增大左側大齒的長度與寬度，減小右側3個小齒的長度與寬度，結構如圖5所示。

對改進后結構進行插拔特性有限元分析，結果如圖6所示，改進后密封條的應力集中區域與改進前相比明顯減少。

密封條插拔力計算結果如表2所示，插入厚度為d=1.5mm鈑金時，密封條插入力減少52.7%，拔出力減少55%；插入厚度為d=0.7mm鈑金時，密封條插入力增加27.9%，拔出力增加3.7%。改進后結構的插拔力大幅度減小，滿足設計要求。

3 結論

本文運用非線性有限元分析軟件對密封條插拔特性進行分析，結果表明：合理的裝配結構有助于減少應力集中區域，防止夾持齒老化；通過調整密封條夾持齒齒數、插拔位置和夾持齒形，可以有效改善密封條的插拔特性。

[1] Wagner DA, Morm an JKN, Gur Y,et al. Non linear Analysis of Automotive Door Weatherstrip Seals. Finite Elements in Analysis and Design,1997,28(1):33-50.

[2] 黃燕敏,基于仿真分析的轎車門框密封條裝配結構改進研究[J].汽車技術,2011,11:34-38.

[3] 趙健,崔巍升,金濤,鄭燕明.轎車車門密封條結構的數值分析與改進設計[J].汽車工程,2013,2(35):193-196.

[4] R S Rivlin,D W Saunders. Large elastic deform ations o f isotropic materials,part 7,Experiments on the Deformations o f rubber J.Ph ilosop h ica l Transaction s o f Roya l Society,1951,243:251-288.

[5] R W Ogden, Large d efo rm ation iso trop ic elasticity on the co rre lation o f theo ry and experim en t fo r com p ressib le rubberlike so lids J. Proceed ings o f Royal Sciety,1972,A(328):567-583.