車門框密封條斷面結構的多目標優化＊

胡強 陳宇強 陳梓銘 李落星 吳岸

（1.湖南科技大學 難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，湘潭 411201；2.湖南大學 汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082；3.長安歐尚汽車研究院，重慶 400020）

主題詞：車門密封膠條 泡狀管結構 多目標優化

1 前言

車門框密封條作為汽車重要的密封部件，對汽車舒適性有重要影響。一方面，密封條壓縮負荷的大小直接影響車門關閉時的輕便性和平順性；另一方面，密封條與鈑金件之間的接觸寬度對整車的氣密性及NVH性能起著重要作用[1-4]。目前，國內外對車門框密封條結構的分析及優化進行了廣泛研究，提出了多種分析及優化方法。如，陳少偉等[5]將試驗設計方法與遺傳蟻群融合算法結合，獲得了密封條材料參數，優化了密封條壓縮負荷曲線；趙建才等[6-7]將遺傳算法和神經網絡相結合，得出密封條結構設計參數與壓縮負荷、應力等的非線性全局映射關系；Cho JR等[8]運用基于密度法的拓撲優化方法對密封條的結構進行優化，使密封條的疲勞壽命得到了極大的提升。當前對車門框密封條結構優化的研究主要采用單一變量法，不能同時考慮密封條結構各參數的相互影響，也不能直接得到符合要求的密封條結構。

本文通過對某乘用車現有密封條結構的研究，提出了利用Isight多學科優化平臺集成Sculptor、Abaqus、Meta軟件的密封條泡狀管結構多目標優化方法，該方法利用Sculptor建立的密封條泡狀管參數化網格模型，以密封條的壓縮負荷、接觸寬度為優化目標，綜合考慮密封條泡狀管的壁厚、寬度兩個參數的相互影響，直接得到符合要求的密封條結構。

2 密封條原始結構仿真分析及驗證

2.1 密封條泡狀管的非線性有限元分析

車門框整圈密封條的布局方式如圖1所示。由于密封條長度方向的尺寸遠大于其它方向的幾何尺寸，可假定密封條所受外界載荷是平行于結構的橫截面，同時在長度方向上均勻分布。因此，為提高仿真分析效率，將密封條的變形問題轉化為二維平面應變問題進行分析[7-9]。

圖1 汽車車門框密封條裝配示意

根據密封條的幾何模型，利用Abaqus軟件建立密封條二維平面仿真模型，如圖2所示。整個仿真模型采用四結點雙線性平面應力、減縮積分、沙漏控制的“CPSR4”四邊形單元，單元尺寸為0.2～0.3mm，單元總數為4 532個。為更好驗證仿真模型的正確性、評價現有密封條結構的合理性，對有限元模型中的車門施加7mm的壓縮位移，并輸出壓縮過程中的壓縮負荷和接觸寬度。

有限元仿真模型中海綿橡膠采用Foam模型，應變能密度函數為[10-11]：

式中，μn、αn、βn為材料常數；λ1、λ2、λ3為主伸長比。

密實橡膠采用Mooney-Rivlin模型，應變能密度函數為[11-13]：

式中，C10、C01為與溫度有關的材料常數；D1為橡膠不可壓縮參數；J為橡膠變形前與變形后的體積比；I1、I2為等容Cauchy-Green張量的第一、第二不變量。

圖2 密封條有限元仿真模型

根據整車設計要求，車門關閉后，在滿足車門與車身之間均勻密封間隙前提下，需保證車門框密封條的壓縮量為4±2mm，此區間內，長度100mm的密封條的壓縮負荷、接觸寬度的技術要求如表1所列。

表1 壓縮量為2～6mm內的壓縮負荷及接觸寬度技術要求

2.2 仿真結果分析及驗證

基于Abaqus軟件對現有車門框密封條的壓縮負荷和接觸寬度進行了有限元仿真分析，同時利用CMT2005萬能試驗機和工裝試驗臺對密封條進行壓縮試驗（圖3），得到密封條實際的壓縮負荷及接觸寬度，并與仿真結果進行對比，結果如圖4及表2所示。

圖3 密封條壓縮試驗

圖4 密封條原始結構仿真及試驗結果對比

表2 密封條原始結構的壓縮負荷、接觸寬度仿真值與試驗結果對比

由圖4和表2可知，仿真結果與試驗結果有較高的一致性。壓縮量在7mm內，壓縮負荷及接觸寬度的仿真與試驗結果相對誤差都在10%以內，符合仿真精度要求。因此，所建立的密封條仿真模型能很好地分析密封條在實際壓縮過程中的受力、接觸情況。同時，試驗結果進一步證明原始密封條的壓縮負荷、接觸寬度都不滿足技術要求，需對密封條泡狀管的結構進行優化。

3 密封條泡狀管結構優化

3.1 設計變量及優化目標的確定

密封條的壓縮負荷、接觸寬度主要與密封條泡狀管的截面形狀（壁厚、高度、寬度）、壓縮量、材料特性及與金屬薄板之間的摩擦特性等參數有關[14]。考慮密封條實際密封間隙和裝配要求，密封條泡狀管優化時不考慮其高度的變化。對于相同材料密封條，在壓縮量i相同時，壓縮負荷F、接觸寬度L是壁厚t、寬度w的函數。因此，建立如式（4）的目標函數及約束條件，那么，密封條結構優化問題即轉化為對參數t、w進行優化，可得出合理密封條泡狀管結構。

3.2 密封條泡狀管優化流程

采用基于均勻B樣條技術的Sculptor軟件，建立如圖5所示的密封條泡狀管參數化網格模型。

圖5 密封條泡狀管參數化網格模型

密封條泡狀管結構優化流程如圖6所示。將Sculptor參數化網格模型導入Abaqus軟件中，對優化結構進行仿真分析，導出壓縮負荷、接觸寬度和應力等相關變量。通過Meta宏命令對輸出變量進行解析。由Isight多學科優化平臺進行試驗方案設計及優化結果的判斷。優化算法采用NSGA-Ⅱ算法[15]，優化設計中種群大小設置為12，遺傳代數設置為20。

圖6 密封條泡狀管結構優化流程

3.3 密封條泡狀管優化結果分析及驗證

從初始方案開始，經過NSGA-Ⅱ優化算法尋優后，得到了滿足要求的優化結果。利用Abaqus對優化后的密封條結構進行仿真分析，結果如表3所列。

由表3可知，優化后的泡狀管在壓縮量區間內的壓縮負荷完全符合技術要求，在壓縮量為2mm、3mm、4mm、5mm、6 mm時的壓縮負荷為1.24 N、1.38 N、1.57 N、2.01 N、2.56 N，其仿真值與原始結構試驗值相比，分別降低了17.33%、22.47%、34.31%、33.22%、40.47%，壓縮負荷的波動量明顯降低。

在壓縮量為2～6mm內的接觸寬度在2.72～6.33mm內變化。其中，壓縮量為2mm和6mm時的接觸寬度為2.72mm和3.91mm，不滿足技術要求，但仿真值與原始結構試驗值相比，其接觸寬度分別增加了43.92%和24.92%，密封性能得到了較大提升。壓縮量為3mm、4 mm、5mm時的接觸寬度為6.07mm、6.33mm、6.14mm，均滿足技術要求，仿真值與原始結構試驗值相比，分別增加了92.70%、22.20%、94.92%。

表3 密封條泡狀管結構優化后仿真值與原始結構試驗值對比

對該優化方案進行了樣件制造（圖7），并對其進行壓縮試驗，結果見圖8和表4。對比可知，優化后的密封條壓縮負荷及接觸寬度試驗與仿真的相對誤差都在12%以內，滿足仿真精度要求，表明了優化結果的正確性及泡狀管結構的合理性，同時也進一步說明了優化方法的可行性。

圖7 優化前、后密封條結構對比

圖8 優化前、后密封條泡狀管的仿真及試驗結果對比

表4 密封條泡狀管結構優化前、后試驗值對比

由表4可知，在壓縮量為2～6mm內，密封條泡狀管優化前、后的壓縮負荷降低了20.22%～41.63%，接觸寬度增加了27.03%～95.24%。

密封條泡狀管設計時，除考慮其關門壓縮過程中的壓縮負荷及變形情況外，還需保證密封條在安裝后，密封條泡狀管在彎曲角度較大的情況下（車門及車門框的4個拐角處）不會發生起皺、下凹變形的情況[11-16]。為此，對密封條進行了實車安裝，結果表明，原始結構的密封條泡狀管在車門拐角的角度最大處有明顯的下凹現象，如圖9a所示，說明彎曲角度較大時，原始泡狀管結構穩定性差，對密封條的使用壽命及車門關閉性能有較大的影響。優化后的密封條泡狀管未出現起皺、下凹的情況（圖9b），優化后的密封條泡狀管的結構穩定性明顯優于原始結構，可以用于生產及實車安裝。

4 結束語

圖9 優化前、后密封條泡狀管結構穩定性對比

針對傳統優化方法難以同時考慮多參數對密封條泡狀管結構進行優化的問題，提出了利用Isight多學科優化平臺集成Sculptor、Abaqus、Meta軟件的密封條泡狀管結構優化方案，試驗結果表明：

a.該優化方案能綜合考慮密封條泡狀管壁厚及寬度兩個參數，得到滿足技術要求的密封條泡狀管，從而有效地減小產品設計更改的次數，縮短設計周期。同時，試驗結果驗證了優化方法的可行性及優化后密封條泡狀管結構的合理性。

b.相比于原始結構，優化后的密封條在壓縮位移為2～6 mm內的壓縮負荷較改進前降低了20.22%～41.63%。接觸寬度相對優化前增加了27.03%～95.24%，既滿足了密封性能，又有效改善了車門關門力及關門品質。