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

王海軍，谷洲平

（山東水星博惠汽車部件股份有限公司，山東 德州 253300）

汽車車門關閉力直接影響車門關閉舒適性。車門關閉力與車門特性、鉸鏈、門鎖、限位器、氣阻效應、橡膠密封條、使用環(huán)境等相關，其中氣阻效應和橡膠密封條的影響較大。根據(jù)美國福特汽車公司試驗報告，轎車車門橡膠密封條壓縮力占車門關閉力的35%～50%，而材料和斷面結(jié)構(gòu)決定橡膠密封條的壓縮力[1]。

車門橡膠密封條的開發(fā)過程一般是：對標→經(jīng)驗分析→試制→試驗→評價→改進→驗證，該過程周期長且費用高。目前國內(nèi)外運用有限元分析軟件對車門橡膠密封條結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，已經(jīng)取得了一定成果，采用的軟件一般為Abaqus和Marc[2-3]。

本工作以三元乙丙橡膠（EPDM）海綿車門密封條的開發(fā)為例，采用Abaqus軟件，先建立材料模型，再對密封條壓縮變形進行仿真分析，并驗證其分析的有效性。

1 材料模型建立

橡膠材料配方不同，其適應的材料模型也不同。橡膠材料屬于非線性超彈性材料，其力學行為一般采用超彈性材料本構(gòu)模型表征。R. W. Ogden[4]在1972年提出的超彈性橡膠材料本構(gòu)模型稱為Ogden模型：

式中，W為應變能，μi為模量，αi為指數(shù)，λj（j=1，2，3）為伸長率。

一般認為橡膠材料本身不可壓縮或近似不可壓縮，而EPDM海綿為可壓縮材料。在Ogden模型的基礎上推導出可壓縮海綿材料的本構(gòu)模型[5]：

式中，βi為常數(shù)，J為壓縮體積變化率。

本工作采用Ogden模型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，其在Abaqus軟件中表現(xiàn)形式如下[6]：

式中，Di為體積壓縮系數(shù)。

模型的材料參數(shù)可由材料力學性能試驗數(shù)據(jù)擬合得到。

橡膠材料力學性能的基礎試驗有單軸和雙軸、平面和體積、拉伸和壓縮8種試驗。而在長期的研究和試驗中發(fā)現(xiàn)，采用單軸拉伸、雙軸拉伸、平面剪切和體積壓縮試驗可獲得足夠精確的試驗數(shù)據(jù)。目前國際上將這4種材料試驗定義為橡膠材料力學性能試驗。

本研制EPDM海綿的視密度為0.65 Mg·m-3，對其進行單軸拉伸、雙軸拉伸、平面剪切和體積壓縮試驗，試驗數(shù)據(jù)用式（3）（n=3）進行擬合，擬合的材料參數(shù)如表1所示。

表1 EPDM海綿的Ogden模型材料參數(shù)

2 密封條斷面設計

EPDM海綿密封條設計使用自動計算機輔助設計（AutoCAD）軟件完成，共設計5種斷面密封條（1#—5#密封條），如圖1—5所示。

圖1 1#密封條斷面

3 密封條壓縮變形的仿真分析與試驗驗證

3.1 仿真分析

圖2 2#密封條斷面

圖3 3#密封條斷面

圖4 4#密封條斷面

圖5 5#密封條斷面

EPDM海綿密封條斷面壓縮變形的仿真分析采用Abaqus軟件進行，并將其受力變形簡化為二維平面應變進行分析。

1#—5#密封條的仿真壓縮變形分別如圖6—10所示，仿真壓縮力-形變曲線如圖11所示，仿真分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 EPDM海綿密封條壓縮變形的仿真分析結(jié)果匯總

圖6 1#密封條的仿真壓縮變形

圖11 1#—5#密封條的仿真壓縮力-形變曲線

圖7 2#密封條的仿真壓縮變形

圖8 3#密封條的仿真壓縮變形

圖9 4#密封條的仿真壓縮變形

3.2 試驗驗證

圖10 5#密封條的仿真壓縮變形

通過擠出和硫化制備出1#—5#密封條成品，取投影（放大10倍）合格的密封條成品進行壓縮變形試驗[7-8]，即截取長度為100 mm的密封條試樣進行壓縮力-形變試驗，試驗設備為壓縮負荷試驗機。

1#—5#密封條的試驗壓縮力-形變曲線如圖12所示，試驗驗證結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖12 1#—5#密封條的試驗壓縮力-形變曲線

對比表2和3可以看出，密封條壓縮變形的仿真分析結(jié)果與試驗驗證結(jié)果吻合。這證明了采用力學性能試驗數(shù)據(jù)擬合的EPDM海綿的Ogden模型材料參數(shù)有效。

4 結(jié)語

EPDM海綿密封條壓縮變形的仿真分析與試驗驗證表明，在橡膠密封條開發(fā)時，通過建立材料模型和對密封條結(jié)構(gòu)進行仿真分析，可有效縮短開發(fā)周期，避免傳統(tǒng)橡膠密封條開發(fā)過程中反復試驗、評價、改進的過程，從而提高開發(fā)效率。