基于汽車風窗玻璃粘接安裝技術研究

王永浩

摘要：文章主要對具有代表性的幾種粘接劑的種類及特點進行了分析，并針對客車車身側圍某典型結構，完成了車窗粘接膠等效粱模型的構建，以所設計的窗框簡化模型為依據在對其進行初步分析的基礎上完成作為作為計算目標值的應力采集點的提取，據此完成粘接膠等效模型最優參數的計算，針對某客車車身骨架使用該粘接膠等效模型對客車粘接式側窗對整車性能的影響情況進行了研究，驗證了本文所設計的粘接膠等效模型的有效性。

關鍵詞：汽車風窗玻璃;粘接安裝技術;粘接劑

中圖分類號：U466;TQ437文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0005-05

傳統固定車風窗玻璃的方法是在車身上將風窗玻璃使用橡膠密封嵌條進行鑲嵌（機械固定法），在裝配時一般需通過涂覆適當的密封膠以實現防止漏雨及提高密封性等目標，此種方法簡單易操作、易拆卸，但存在風窗玻璃易脫落、安全性不足等問題，為有效彌補機械固定法的不足，在固定汽車風窗玻璃方面粘接法（在車身上使用粘接劑直接固定風窗玻璃）已成為提升車輛密封性和美觀性的有效手段，促使膠粘劑取得了快速的發展。目前作為一項較為先進的技術，直接粘貼法成為安裝汽車風窗玻璃常用的方法，采用此種方法安裝的風窗玻璃增加了連接處強度，能夠承受一定的載荷，顯著提升了密封效果及車身外形美觀度，可作為車身上永久固定件，文章主要對汽車風窗玻璃粘接安裝技術進行了研究。

1風窗玻璃固定粘接劑種類及應用

1）具有有永久粘性的丁基橡膠帶，主體材料為丁基橡膠并配入其它輔劑形成的預成型膠帶（橫截面固定），以卷盤狀包裝，需先展開撕去分離紙后在窗框上粘貼該膠帶和風窗玻璃，然后進行加壓處理以確保玻璃與窗框貼合。丁基膠帶固定法具有操作簡便、低成本等優點，但其較為突出的缺點限制了應用效果，主要表現在：強度較低的丁基膠帶不利于風窗玻璃同車身間結構粘接的有效形成，影響了車身的剛性;風窗玻璃的承壓性能不足使玻璃易被破壞影響了車身的安全性;對窗框形狀的平整度要求較高，易出現凹坑或不規整處難以填滿的情況，為兼顧密封性及美觀性通常需結合使用輔助密封膠。

2）氯丁橡膠帶，一種擠出成型的熱硫化膠帶，粘接強度比丁基膠帶高，內部含有加熱用金屬線芯在電流的作用下，膠帶受熱表面變軟變粘，可對窗框的不規整處進行有效填充，氯丁膠帶隨著溫度的進一步升高會發生硫化，實現車身同風窗玻璃的有效粘接。使用此種膠帶固定玻璃時無需加壓，能填充不規整處。但需在運動的生產線上持續加熱膠帶5min左右，提升了操作復雜程度及成本，阻礙了氯丁膠帶的推廣使用。

3）聚硫橡膠粘接劑，該粘接劑最早是一種液態多硫聚合物（三組分室溫硫化），需先通過混膠機和計量泵將粘接劑進行充分混合，再使用涂膠槍在窗框上涂抹，接下來放置風窗玻璃并施加輕微的壓力以確保低洼和不規則處能夠流入液態膠，從而將風窗玻璃粘到車身上。聚硫橡膠粘接劑在裝配線上所需固化時間及應用時產生粘接強度用時較短。后來為提高使用效率及便利性進一步改進了粘接劑，改成兩組分包裝。粘接強度較高的聚硫粘劑固定玻璃過程無需加壓和使用輔助密封膠、適用于低洼和不規則處的窗框，風窗玻璃與車身形成結構粘接。但在使用聚硫鉆接劑時需應用混合設備、耐候性能不足、成本較高。

4）聚氨醋粘接劑，具有彈性良好、耐低溫、抗沖擊、耐疲勞等優勢，其粘接性能適用于多種材料（包括金屬、非金屬等），從而得到廣泛應用。使用該粘接劑固定風窗玻璃表現出了較好的耐候性能及較高粘接強度等優勢。通常采用涂刷底漆方法可使聚氨醋粘接劑的粘接性能得以有效提高，選擇底漆時需以實際粘接對象為依據（如玻璃、塑料、有油漆的鋼板）。川狄璃和漆面兩種底漆均可用于粘接固定風窗玻璃。使用聚氨醋粘接劑時需先清除粘接面的油污，然后將底漆涂到玻璃、窗框上，接下來在玻璃上涂膠，將玻璃輕壓安放到窗框上以確保對位貼合。

2風窗玻璃粘接膠等效模型設計

2.1需求分析

包括風擋及后窗玻璃在內的風窗玻璃同車身構成整體使車身剛性及車身設計的自由度（立柱、窗孔、車頂等形狀）得以有效提高，因降低鋼板厚度進而減輕了整車質量，在提高整車強度的同時提高車輛安全性。風窗玻璃通過使用粘接劑實現同車身間的密切貼合，提高了車身的密封性及美觀性。作為日常出行不可缺少的現代交通工具，客車的安全性始終是人們關注的重點之一，采用有限元分析客車車身結構時為兼顧結構的準確性和計算效率，針對車身結構的有限元建模以車身骨架為主，同時需考慮包括玻璃等在內的車身非結構件對客車整體特性的影響（包括強度剛度等）?，F有有限元模型中（針對客車車身強度）通常在側圍車身骨架上固定連接等效為質量點的側窗，不利于研究其對車身骨架強度的影響?？蛙噦却安Ａд辰有鹿に嚨陌l展顯著改善了粘接強度。在側窗玻璃粘接對車身性能影響方面，以車身結構輕量化為依據及粘接劑復合結構的性能（包括靜態、抗疲勞等性能）方面的研究已經得到了證實。同殼單元相比梁單元更簡易快捷，能夠在計算應力時實現桿件兩端內力大小的獲取，但在對車身結構性能受到粘接式車窗的具體影響進行研究時，采用實體單元對粘接膠進行建模易導致其同客車骨架梁單元將有限元模型鏈接問題的出現”。為確保簡單實用本文對粘接膠等效梁模型進行設計，根據從提取出的典型結構完成了局部研究模型的建立，模型的目標值使用殼單元應力計算值，并根據參數設計思想獲取單元模型的參數。

2.2車窗粘接膠等效模型方案

為提高研究效率并確保該結構后期試驗的可行性，本文的研究對象選擇客車側圍上某段典型結構，在此基礎上完成了簡化比例模型的設計具體如圖1所示，窗框及玻璃分別采用梁單元和殼單元進行模擬，將粘接膠層劃分為若干段（沿著長度方向），各段膠層長度、寬度及厚度分別由L、H、t表示，用等效梁單元對各段膠層進行模擬，再使用粘接膠等效梁單元將不同單元即窗框梁及玻璃殼連接起來。車窗粘接膠等效模型主要由窗框、粘接膠和玻璃構成，為真實反映車窗的受力狀態，對一段典型結構（從車身側圍側窗中截?。┻M行比例簡化，各窗框的長度及高度分別為500mm和300mm，比例簡化模型長為2500mm、其懸臂梁的截面為40mm×40mm×1.5mm，選用20#鋼作為窗框骨架。使用等效梁單元模型對各段粘接膠層（長5mm）進行模擬。等效模型的窗框和玻璃分別采用梁單元和四邊形殼單元（對應長度和邊長均為5mm）進行模擬，將參數待定的兩塊玻璃安置于懸臂梁右端附近。右端底部各方向的自由度通過螺栓固定，左端負責加載。目標應力對應從模型上選取部分應力值（避開應力較小和應力集中的位置），據此完成車窗粘接膠等效參數的確定（根據應用參數設計思想）。針對簡化比例模型通過有限元試算的使用實現應力結果的獲取。從如圖2所示的位置選取應力采集點20個。

2.3等效模型參數的確定

本文依據設計參數思想，目標值采用了殼單元模型的計算結果（包括其上應力提取點的目標應力值），進而獲取粘接膠等效模型參數。根據簡化模型尺寸為同真實情況相符，將兩塊玻璃粘貼于懸臂梁右側，具體材料性能參數如表1所示，鋼化玻璃尺寸為495mm×270mm×3mm，粘接膠層寬度和厚度分別為16.5mm和3mm，鋼化玻璃使用聚氨醋粘接劑Terostat膠進行粘貼，模型左端加載3組載荷（大小分別為300N、350N、400N）對已確定的應力點的應力值進行測試，粘接膠等效模型以所獲取的應力值作為其目標計算值（根據參數設計思想），從而獲取應力矩陣（由A表示）。

對于粘接膠等效模型，設定以10mm×10mm×2mm作為其梁單元截面尺寸，泊松比為0.46。同殼單元上對應點的應力相比，為使模型應力提取點同其偏差最小，從而完成一個最優等效彈性模量的確定，先對3組不同載荷下的等效粘接單元的應力提取點的由Bk（不同彈性模量下對應的應力矩陣）表示的應力矩陣進行計算，求應力矩陣A同應力矩陣Bk（k=1，2，…，14，15）間的差值，粘接膠等效模型的模型誤差采用所獲取差值矩陣由M_k表示的2-范數進行衡量，具體表達式如下。

將應力總偏差定義為M_k，分別以M_k和粘接膠等效彈性模量作為因變量和自變量，在此基礎上通過最小二乘法的使用實現應力偏差曲線的擬合，具體如圖3所示，從中可找到某點（0.176GPa）對應最小的等效模型的應力總偏差，最小值約為27.4MPa，等效模型在此彈性模量下效果最好。接下來為對擬合曲線最優解的合理性做進一步驗證，在粘接膠等效模型中輸入上述最優參數（包括彈性模量、泊松比、梁單元截面尺寸）獲取Mk的計算結果為27.2MPa，趨近于擬合曲線的最優結果，證明了最優參數的有效性與合理性。根據該參數獲取20個提取點同實體單元模型間應力值的對比結果如圖4所示，殼單元模型同等效模型間的計算結果基本一致，即等效模型與實際情況相吻合。

3等效簡化模型的驗證及性能分析

3.1模型驗證

本文通過簡化模型試件（粘接兩塊玻璃）的建立完成對粘接膠等效模型正確性的驗證過程，試驗具體的測試點選取了應力水平較大（避開應力集中區域）的應力提取點功10個，圖5為最終貼片的確定位置，以降低應變片的測量誤差，采用同仿真相同的加載和固定方式，用螺栓固定右端下部，由左端加載3組載荷（300N、400N、500N），進行多次測量，剔除了結果波動較大的測試點7，等效模型對應點應力的計算值同其余9個應力測試點的應力間的關系如圖6所示，模型試驗值同計算值間的誤差不超過15%，驗證了該等效模型參數設計的合理性。

3.2粘接車窗玻璃對整車性能的影響

3.2.1對整車剛度的影響

玻璃等附件在客車有限元分析中通常不作為影響車身性能的考慮對象，使整車的強度剛度和模態難以被真實的模擬出來，進而影響到客車車身骨架設計時材料的利用率。本文針對整車剛度、強度和模態，在整車中應用所設計的粘接膠等效模型（保證模型參數不變）對側窗粘接玻璃對其產生的影響進行研究。分析車身結構的剛度主要是對其抵抗彈性變形的能力（在不破壞車身條件下）進行研究，采用本文粘接膠等效模型對車身彎曲及扭轉剛度受到粘接玻璃的影響情況進行分析，先采用梁單元對車身骨架進行模擬，然后在相同的約束方式下對車身模型（有玻璃）和車身骨架模型（無玻璃）完成模型應力的計算，剛度的對比統計數據如表2所示，相比無玻璃車身有玻璃車身的彎曲剛度及扭轉剛度得到有效提升（分別是無玻璃車身的1.02、1.08倍），驗證了粘接側窗對提升整車剛度的作用。

3.2.2對整車強度的影響

對車身在滿載彎曲、左前輪及右前輪懸空三種工況下的強度進行研究，應力統計對比結果為：整車骨架在滿載彎曲工況下從無玻璃模型的最大應力值為339.5，有玻璃模型的最大應力值為282.4MPa，該車的應力水平在合理范圍內;無玻璃模型的平均應力為75.3，有玻璃模型的平均應力為63.8MPa，下降約15%左右;在左右輪懸空工況下，無玻璃模型的平均應力分別為73.5MPa和80.9MPa，有玻璃模型的平均應力分別為70.2MPa和74.6MPa，本文模型的應力標準差也得以降低，驗證了側窗玻璃在提升車身強度方面的作用，需將側圍玻璃的影響納入到建立整車模型時的考慮范圍。

3.2.3對整車模態的影響

在各類振動源的作用下處于運行狀態的客車會產生一定程度的振動，1階扭轉模態及彎曲模態在車身振動模態中對車身的影響最為明顯，在對客車整車模態的影響因素進行分析時傳統模態分析方法對側窗玻璃的影響重視不足，為更加接近真實情況，應用本文粘接膠等效模型對粘接車窗玻璃對整車自由模態的影響進行了研究，同樣采用梁單元對車身骨架進行模擬，并在自由狀態下使用等效模型分別對有無粘接玻璃車身的模態進行試驗，粘接玻璃的車身l階扭轉頻率為7.85Hz，無粘接玻璃車身為7.26;粘接玻璃的車身1階（垂向）彎曲頻率為16.63Hz，無粘接玻璃車身為15.11，驗證了使用粘接玻璃后車身的彎曲及扭轉頻率均得以提高，并且同實際整車自由振動頻率吻合。

4結語

汽車風窗玻璃直接粘接固定法被開發出來（即車身上使用膠粘劑粘接風窗玻璃）并得到普遍應用，能夠在減少整車質量的同時提高車身剛性和密閉性，為使車身骨架梁單元與風窗玻璃間的粘接問題得以有效解決，文章在現有研究基礎上設計了一種粘接膠等效梁單元模型，對粘接膠模型采用實體單元進行模擬，對車身骨架及車窗玻璃采用殼單元進行模擬能夠獲得滿足需要的計算精度，并通過在某一全承載式客車車身骨架應用該模型的試驗，證明了使用粘接玻璃可有效提高了車身骨架的強度剛度，驗證了模型的有效性和可靠性，為客車車身安全性和輕量化設計的優化和完善提供參考。