ANSYS 有限元技術(shù)在汽車密封條設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

馮新建， 陳建方， 周 恒， 王海建

（興宇汽車零部件股份有限公司， 浙江 臺(tái)州 317300）

引言

隨著當(dāng)前我國(guó)車輛工業(yè)的快速發(fā)展以及科技事業(yè)的整體進(jìn)步，人們對(duì)相關(guān)車輛的乘坐感受效果以及其減振、阻音性能等指標(biāo)參數(shù)情況關(guān)注得越來(lái)越密切，這里面汽車車門密封體部件發(fā)揮出了隔音密封的保障化效能，依靠它的作用的發(fā)揮實(shí)現(xiàn)了汽車駕駛室內(nèi)和外在空間的阻斷，不但可避風(fēng)、遮雨，以及阻止飛塵透進(jìn)室中，增強(qiáng)隔聲及截?zé)嵝ЧM(jìn)而有效保障車內(nèi)舒適環(huán)境的維持和延續(xù)，而且可消耗掉車門等操作部件在關(guān)閉過(guò)程中產(chǎn)生的彼此碰撞沖擊作用力及車體在行進(jìn)階段中發(fā)生的振動(dòng)力，強(qiáng)化人乘坐時(shí)的舒服感。據(jù)相關(guān)資料表明，汽車門密封體的受壓縮過(guò)程所產(chǎn)生的阻滯力可占據(jù)到車門關(guān)閉時(shí)發(fā)生作用力的30%～50%，故此在對(duì)汽車車門結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)關(guān)注于其車門密封體結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)車門關(guān)閉時(shí)相關(guān)部件受到壓縮及產(chǎn)生密封等作用方面的關(guān)聯(lián)性，提前做好對(duì)其車門封閉形態(tài)及其受力變形過(guò)程的分析路徑是極為必要的。該文借助于相關(guān)程序軟件對(duì)某款車的密封體進(jìn)行了分析，分析了封閉件的組成架構(gòu)、本體性能及其在封閉操作環(huán)節(jié)中的變形路徑及負(fù)荷變形等情況，且參照對(duì)應(yīng)的分析結(jié)果對(duì)其封閉體結(jié)構(gòu)給出了全面的優(yōu)化方法，進(jìn)而達(dá)到所設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)水平[1-2]。

1 汽車車門密封條技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

汽車車門密封體作為汽車本體的主要組成元素之一，被成功應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)的相應(yīng)部位上，可發(fā)揮出阻音、減噪、避水、御塵及降震的效能。車門密封體種類較為繁多，依照專屬用途應(yīng)當(dāng)將其劃分成壓縮式密封體及滑移式密封體等。汽車門密封體是最常用的壓縮式密封體，在和車門進(jìn)行嚙合的操作環(huán)節(jié)中展現(xiàn)出了繁雜的力學(xué)特征，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)顧及到其進(jìn)行壓縮變化時(shí)的受力強(qiáng)度，從而達(dá)到主機(jī)生產(chǎn)廠的配套性技術(shù)需求。

目前，國(guó)際上廣泛應(yīng)用有限元運(yùn)算軟件對(duì)汽車門密封條結(jié)構(gòu)做出改進(jìn)設(shè)計(jì)，并且已經(jīng)獲取到了顯著的研究成效。著名專家D.A.Wagner 對(duì)密切關(guān)聯(lián)汽車門密封體密封效果的一些因素做出了深入性的探討和分析，總結(jié)出了其汽車門密封體發(fā)生承力變形時(shí)的特征圖像。著名專家付治存借助于該款程序軟件對(duì)某特定車型封閉部件實(shí)施了辯證性分析，同時(shí)將封閉材料的壓縮強(qiáng)度轉(zhuǎn)變成了可滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的指標(biāo)數(shù)據(jù)。業(yè)內(nèi)專家陶志軍等借助于非線化有限元運(yùn)算軟件MSC.MARC 仿真車門密封體料條和本體的配置過(guò)程，可證實(shí)不同的網(wǎng)格處置程序?qū)ζ溥\(yùn)算結(jié)果會(huì)發(fā)生明顯的關(guān)聯(lián)作用，且借助于和3D 結(jié)構(gòu)模型及成品檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果之間的對(duì)照，調(diào)配圓角區(qū)網(wǎng)格的尺寸數(shù)據(jù)[3]，并且對(duì)關(guān)聯(lián)點(diǎn)的網(wǎng)格參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)做出精細(xì)化控制，從而獲取到比較理想的仿真效果。趙健先生系統(tǒng)地分析了汽車門密封體構(gòu)架有限元運(yùn)算中的相關(guān)問(wèn)題，并且對(duì)干擾分析精準(zhǔn)性的有關(guān)元素做出歸納判斷，對(duì)密封體常規(guī)的變化模式做出仿真分析，并且對(duì)不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的車門密封體做出了完整化的結(jié)構(gòu)改進(jìn)過(guò)程。

2 車門封閉部件的內(nèi)在結(jié)構(gòu)及組成材料

2.1 內(nèi)在結(jié)構(gòu)

汽車門封閉部件均選取合成橡膠的化學(xué)成分，其化學(xué)橡膠原料是由低級(jí)烯烴及較大比例的不飽和烯烴式的共聚化合物，其是屬于乙丙橡膠族中的普通一種，是用EPDM代號(hào)來(lái)表示，由于其本身分子結(jié)構(gòu)中的主鏈結(jié)構(gòu)是由性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的飽和脂肪烴所組成，僅是在其側(cè)鏈組成當(dāng)中包含著不飽和化的雙鍵官能團(tuán)，所以其本身具有耐惰性成分、抗熱力侵蝕及抗外界氣候影響的多類抗老化的特種性能[4]，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、空間防漏材料、電力器材、抗熱塑管、塑膠帶和汽車零件等多個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中。

2.2 組成材料

汽車門封閉件總體上均由固體橡膠材料、綿性塑性財(cái)料及剛體材料三類成分所組成，其本身的斷面是屬于幾何態(tài)的組成架構(gòu)。

1）1EPDM 式工業(yè)橡膠材料。工業(yè)橡膠原料的強(qiáng)化過(guò)程是實(shí)施于在“U”式框架之上，用來(lái)把密封體鑲嵌于側(cè)門開(kāi)口之上，讓車門密封體裝設(shè)時(shí)僅需要很小的穿入功力，而在開(kāi)門揪出時(shí)密封體具備很強(qiáng)的維持定力，此款實(shí)心橡膠能夠具備合格的操作韌性。

2）EPDM綿質(zhì)橡膠材質(zhì)。綿質(zhì)橡膠材料屬于車門密封體的最表皮部分，反彈品質(zhì)優(yōu)異、不易發(fā)生變形，在車門關(guān)下時(shí)零距離和車門相觸擊，感應(yīng)著車門關(guān)下時(shí)的壓縮強(qiáng)度，發(fā)揮出密封的效能，并且尚可消除車門和車本體結(jié)構(gòu)之間縫隙的不均一狀態(tài)。

3）本體功能架構(gòu)。本體功能架構(gòu)是利用金屬絲型塑料平條或是金屬條材料來(lái)實(shí)現(xiàn)的，和實(shí)體橡膠材料形成特形的狀態(tài)，展示出支撐功能，由此讓密封條構(gòu)架在受力變形進(jìn)程中維持應(yīng)有的操作形態(tài)。

3 密封體有限元核算分析的實(shí)施進(jìn)程

選取ANSYS 有限元來(lái)做出CAE 運(yùn)算分析的整個(gè)過(guò)程，應(yīng)當(dāng)劃分成前期處理、數(shù)據(jù)加載、問(wèn)題求解和后續(xù)處理這幾項(xiàng)關(guān)鍵程序[5]。

3.1 密封體有限元運(yùn)算模型的擬建

依托專屬行的有限元數(shù)學(xué)分析軟件對(duì)相應(yīng)的密封件性能參數(shù)實(shí)施提前性的處置進(jìn)程及相關(guān)屬性的分割，要贏得切切實(shí)實(shí)的變形仿真結(jié)果，結(jié)構(gòu)形態(tài)利用多支點(diǎn)承力應(yīng)對(duì)架構(gòu)，綿性橡膠結(jié)構(gòu)特征尺寸確定為0.25 mm，實(shí)心橡膠密封體外形尺寸選擇用0.65 mm，在密封體厚度取向及表層關(guān)聯(lián)區(qū)域做出充分化的網(wǎng)格分割。

3.2 密封件性能特征的形成

將該程序模型轉(zhuǎn)入現(xiàn)行的有限元分析體系當(dāng)中，先后對(duì)綿質(zhì)橡膠體及實(shí)心橡膠體賜予相異化的材料性能。實(shí)心橡膠體是屬于一款不易變形的彈性素材，在發(fā)生顯著變形的趨勢(shì)下屬于非線性化的彈力變形狀態(tài)，一般是由Mooney 給出的應(yīng)對(duì)型密度函數(shù)形態(tài)來(lái)展現(xiàn)。

3.3 耦合形態(tài)的確定

該文中所說(shuō)的汽車密封件結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)算是比較簡(jiǎn)單的普通架構(gòu)形態(tài)，在平面結(jié)構(gòu)研究中需要將其密封部件的負(fù)荷承力變形歷程演進(jìn)成普通平面式的應(yīng)對(duì)情形。以一條直線來(lái)充當(dāng)車門架構(gòu)，用于展示架構(gòu)的表層能夠在二維平面上進(jìn)行任意滑動(dòng)，據(jù)此來(lái)模擬車門的旋轉(zhuǎn)關(guān)閉動(dòng)態(tài)過(guò)程。汽車車門和密封條達(dá)到的接觸密封為“剛體- 柔體”的“面- 面”接觸，剛性面（車門）作為“目標(biāo)”面，柔性面（密封條即海綿橡膠）作為“接觸”面。ANSYS 軟件中，將剛性面（車門）與柔性面（密封條即海綿橡膠）的接觸作為接觸單元contact，認(rèn)為二者接觸為法向單側(cè)接觸，即KEYOPT（12）=0。其中將Targel69 作為目標(biāo)面（即設(shè)置剛體）和Contal71 作為接觸面。定義法向剛度接觸因子FEN=2.0，初始靠近因子ICONT=0.1，Pinball=5。

Contact 單元也作為密實(shí)橡膠、海綿橡膠二者的接觸單元，默認(rèn)接觸屬于綁定接觸，認(rèn)為KEYOPT（12）=6，雙方緊密接觸，不能分開(kāi)，也不能產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。同時(shí)，將密實(shí)橡膠和骨架之間的接觸粗糙度認(rèn)為無(wú)限、無(wú)窮大，并且雙方表面之間未分離。

3.4 定義邊界條件和載荷提交分析作業(yè)

1）確定邊界條件：將車門視作主動(dòng)面并且認(rèn)為粗糙度無(wú)限大的剛體，將密封條作為承重面并且作為彈性體，由粘- 滑摩擦模型計(jì)算車門、密封條之間的摩擦，假設(shè)摩擦因素為0.2。

2）確定載荷：剛體（車門）沿著水平方向右移3 mm，同時(shí)壓縮密封條3 mm。

3）提交分析作業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

汽車車門的密封條對(duì)汽車的整體密封與車門關(guān)閉的程度作用很大，要更關(guān)注其結(jié)構(gòu)、材料及變形方式，借助有限元技術(shù)對(duì)汽車密封條進(jìn)行整體優(yōu)化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決出現(xiàn)的問(wèn)題，形成優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使得整體設(shè)計(jì)更加合理、更具適用性，不斷縮減所需時(shí)間，最大限度降低成本，減少用料耗材，為密封條產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造提供依據(jù)。